Elettronica per telecomunicazioni

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1 Elettronica per telecomunicazioni 1 Cosa c è nell unità corso Elettronica per telecomunicazioni 0: presentazione (questa lezione) A: amplificatori, filtri, oscillatori, mixer B: circuiti ad aggancio di fase (PLL) C: sistemi di conversione A/D e D/A D: sistemi e circuiti digitali 2

2 Elettronica per telecomunicazioni 3 Cosa Cosa c è c è nell unità A Unità A: Amplificatori e circuiti nonlineari A.0 Presentazione A.1 Amplificatori operazionali A.2 Filtri attivi A.3 Amplificatori a transistori A.4 Oscillatori e mixer 4

3 Elettronica per telecomunicazioni 5 Indice della lezione A0 Presentazione del modulo Obiettivi, prerequisiti, contenuti materiale didattico sistema di riferimento: catene RX/TX amplificatori: dove e quali tipi Richiami su AO ideali circuiti base con reazione 6

4 Ruolo di questo corso Elettronica nella laurea in telecomunicazioni: Sistemi elettronici Dispositivi, tecnologie, circuiti 7 Ruolo di questo corso Elettronica nella laurea in telecomunicazioni: Sistemi elettronici Dispositivi, tecnologie, circuiti Elettronica per le Telecomunicazioni Sistemi, moduli e circuiti elettronici per applicazioni di telecomunicazioni parametri ed errori circuiti usati nei moduli analisi ed esempi di progetto orientato all utilizzo consapevole 8

5 Obiettivi di questo corso Con riferimento a moduli e circuiti per telecomunicazioni: Sviluppare capacità di progetto a livello sistema dalle richieste di una applicazione a struttura e specifiche dei moduli 9 Obiettivi di questo corso Con riferimento a moduli e circuiti per telecomunicazioni: Sviluppare capacità di progetto a livello sistema dalle richieste di una applicazione a struttura e specifiche dei moduli Sviluppare capacità di analisi a livello circuito struttura interna dei moduli 10

6 Obiettivi di questo corso Con riferimento a moduli e circuiti per telecomunicazioni: Sviluppare capacità di progetto a livello sistema dalle richieste di una applicazione a struttura e specifiche dei moduli Sviluppare capacità di analisi a livello circuito struttura interna dei moduli Impostare ed eseguire una verifica, attraverso simulazione e misure. 11 Organizzazione di questo corso Lezioni flusso principale navigabile con audio + cartelli materiale su finestre richiamate da hotword Esercizi test al termine di ciascuna lezione esercizi abbinati a ciascuna lezione esempi di scritti d esame risolti Laboratorio guide per lo svolgimento delle esercitazioni (anche in autonomia) 12

7 Obiettivi di questa lezione Organizzazione, contenuti e caratteristiche del modulo 13 Obiettivi di questa lezione Organizzazione, contenuti e caratteristiche del modulo Tipologia e utilizzo del materiale didattico Lezioni web/cd Testo su carta Materiale aggiuntivo 14

8 Obiettivi di questa lezione Organizzazione, contenuti e caratteristiche del modulo Tipologia e utilizzo del materiale didattico Lezioni web/cd Testo su carta Materiale aggiuntivo Descrivere l applicazione di riferimento strutture di RX e RTX 15 Obiettivi di questa lezione Organizzazione, contenuti e caratteristiche del modulo Tipologia e utilizzo del materiale didattico Lezioni web/cd Testo su carta Materiale aggiuntivo Descrivere l applicazione di riferimento strutture di RX e RTX Primo argomento: amplificatori operazionali 16

9 Prerequisiti per il modulo Elettronica applicata, comunicazioni, calcolatori: da Sistemi ELN + Dispositivi e Circuiti ELN amplificatori operazionali, transistori bipolari e MOS circuiti digitali (porte, flip-flop, registri, contatori, ) da Teoria dei segnali analisi di segnali, spettri in frequenza, modulazioni. Per le esercitazioni di laboratorio: semplici montaggi, uso della strumentazione base trattamento di dati sperimentali test prerequisiti 17 Contenuti Argomenti raccolti in Unità (4-5 lezioni) 0: presentazione, sistema di riferimento, A.O. (questa lezione) A: amplificatori, filtri, oscillatori, mixer B: circuiti ad aggancio di fase (PLL) C: sistemi di conversione A/D e D/A D: sistemi e circuiti digitali 18

10 Elementi caratterizzanti Approccio top-down: Ogni argomento viene affrontato nella sequenza: descrizione funzionale e identificazione, analisi dei circuiti utilizzati criteri di progetto e principali cause degli errori 19 Elementi caratterizzanti Approccio top-down: Ogni argomento viene affrontato nella sequenza: descrizione funzionale e identificazione, analisi dei circuiti utilizzati criteri di progetto e principali cause degli errori Per ogni argomento o unità: Elementi base di teoria (modelli matematici) Esempi di applicazione Esercizi di analisi e di progetto Esercitazione di laboratorio 20

12 Materiale didattico Testo su carta: ELETTRONICA PER TELECOMUNICAZIONI D. Del Corso, McGraw Hill, 2002 contiene un CD-ROM con materiale complementare (simulatori, note applicative, ) utilizzati i cap. 1, 2, 3, 4, parte del cap Materiale didattico Testo su carta: ELETTRONICA PER TELECOMUNICAZIONI D. Del Corso, McGraw Hill, 2002 contiene un CD-ROM con materiale complementare (simulatori, note applicative, ) utilizzati i cap. 1, 2, 3, 4, parte del cap. 5 Sito web per corso in presenza lucidi, manuali, guide, esercizi, SW, simulatori,... errata corrige e aggiornamenti al testo raggiungibile da qui o dal sito della teledidattica 24

13 Laboratorio È parte essenziale di un corso progettuale Obiettivi: verificare la corrispondenza tra modelli e casi reali verificare la correttezza dei progetti abituare al lavoro coordinato Sono disponibili, nel testo e sul sito web, manuali e guide per le esercitazioni e le relazioni Richiede attività di preparazione: progetti, simulazioni precedenti le misure 25 Materiale su CD-ROM - 1 Il CD-ROM abbinato al testo contiente materiale didattico complementare: Indice grafico degli argomenti Glossario Figure attive e Simulatori Esempi di esercizi risolti Note applicative Data sheet Parte di questo materiale viene usata nelle lezioni 26

15 Sistema di riferimento Principale applicazione di riferimento: sistema radio ricevente e trasmittente telefono cellulare, interfaccia wireless LAN sistema complesso (anche transistori), usa i moduli descritti nel corso utilizza tecnologie diversificate forte integrazione 29 Sistema di riferimento Principale applicazione di riferimento: sistema radio ricevente e trasmittente telefono cellulare, interfaccia wireless LAN sistema complesso (anche transistori), usa i moduli descritti nel corso utilizza tecnologie diversificate forte integrazione altra applicazione di riferimento: sistema wireline (LAN, ) problemi simili canale e parametri diversi 30

16 Ricevitore elementare ANT. Va DEMOD. Vu f Filtro, Amplificatore e Demodulatore a frequenza variabile. f A La sintonia si esegue spostando la frequenza di risonanza del filtro f A. 31 Principio del ricevitore eterodina f a Filtro e Amplificatore FI (F fissa f i = f a - f o ) Va Filtro di ingresso (F variabile) f i = f a - f o X O f O f a f O f DEMOD. Vu Il segnale di ingresso viene traslato a una frequenza fissa f i = f a - f o. La sintonia si ottiene variando f o Circuito a doppia conversione 32

17 Introduciamo il digitale - 1 canale FI Va O X DEMOD. A/D Filtro di ingresso (F variabile) Amplificatore FI (F fissa) Demodulatore analogico Molte applicazioni utilizzano dati espressi in forma numerica. 33 Introduciamo il digitale - 2 canale FI Va O X A/D DEMOD. Filtro di ingresso (F variabile) Amplificatore FI (F fissa) Demodulatore numerico Il demodulatore numerico può usare algoritmi complessi È possibile cambiare facilmente modulazione Il convertitore A/D deve operare a frequenza elevata. 34

18 Anticipiamo il digitale canale FI Va O X A/D DEMOD. Filtro e Amplificatore di ingresso basso rumore, ampia dinamica: LNA Filtro FI e Demodulatore numerici Il filtro FI numerico aumenta le richieste computazionali, ma permette di cambiare a SW le caratteristiche del canale FI. È possibile dividere il segnale FI in due rami: fase/quadratura 35 Canali I/Q O X Ramo segnale Q A/D VQ V, V Va Amplificatore di ingresso (LNA) π/2 X Ramo segnale I A/D VI DEMOD. Il segnale viene scomposto nelle componenti in fase e in quadratura. Il demodulatore calcola modulo e fase. esempio di struttura RTX reale 36

19 SDR: Software Defined Radio A/D critico per: - velocità - rumore - dinamica - linearità Le funzionalità numeriche sono realizzate da componenti programmabili (DSP, logiche programmabili,.) Va A/D DEMOD. Componente analogico: LNA (+ filtro) O DSP Struttura SDR con canali I/Q 37 Elettronica per telecomunicazioni 38

20 Indice della lezione A0 Presentazione del modulo Obiettivi, prerequisiti, contenuti materiale didattico sistema di riferimento: catene RX/TX amplificatori: dove e quali tipi Richiami su AO ideali circuiti base con reazione 39 Amplificatori: dove e quali L applicazione determina il tipo di amplificatore Bassa frequenza (audio, seconda FI, ) possibile e conveniente usare A.O. filtri ampificatori di condizionamento 40

21 Amplificatori: dove e quali L applicazione determina il tipo di amplificatore Bassa frequenza (audio, seconda FI, ) possibile e conveniente usare A.O. filtri ampificatori di condizionamento Radiofrequenza e FI frequenze elevate, rumore, rendimento non è possibile usare A.O. amplificatori accordati con BJT e MOS stadi nonlineari (mixer, oscillatori) 41 Elettronica per telecomunicazioni 42

22 Indice della lezione A0 Presentazione del modulo Obiettivi, prerequisiti, contenuti materiale didattico sistema di riferimento: catene RX/TX amplificatori: dove e quali tipi Richiami su AO ideali circuiti base con reazione 43 Amplificatore Operazionale ideale Tensione di uscita: V 1 I + + V U = A d V d = A d (V 1 - V 2 ) V 2 V d I - - A d V U = A d V d 44

23 Amplificatore Operazionale ideale Tensione di uscita: V 1 I + + V U = A d V d = A d (V 1 - V 2 ) V 2 V d I - - A d Correnti di ingresso nulle I+, I- = 0 V U = A d V d 45 Amplificatore Operazionale ideale Tensione di uscita: V 1 I + + V U = A d V d = A d (V 1 - V 2 ) V 2 V d I - - A d Correnti di ingresso nulle I+, I- = 0 Guadagno A d V U = A d V d 46

24 Amplificatore Operazionale ideale Tensione di uscita: V 1 I + + V U = A d V d = A d (V 1 - V 2 ) V 2 V d I - - A d Correnti di ingresso nulle I+, I- = 0 Guadagno A d V U = A d V d V d = V U /A d = 0 47 Circuiti base con A.O. Gli elementi attivi (transistori, operazionali) hanno parametri poco controllabili 48

25 Circuiti base con A.O. Gli elementi attivi (transistori, operazionali) hanno parametri poco controllabili La reazione permette di controllare i parametri di un moduli con elementi passivi 49 Circuiti base con A.O. Gli elementi attivi (transistori, operazionali) hanno parametri poco controllabili La reazione permette di controllare i parametri di un moduli con elementi passivi Quattro configurazioni base di reazione: V/V, V/I, I/V, I/I 50

26 Circuiti base con A.O. Gli elementi attivi (transistori, operazionali) hanno parametri poco controllabili La reazione permette di controllare i parametri di un moduli con elementi passivi Quattro configurazioni base di reazione: V/V, V/I, I/V, I/I Più usati in questo modulo: Amplificatore di tensione non invertente Amplificatore invertente o di transresistenza 51 Amplificatore di tensione con A.O. La reazione permette di realizzare un amplificatore di tensione con guadagno assegnato (A R ) Ri alta, Ru bassa V I V d + - A d R 1 R 2 V U R2 β = R + R 1 2 V E A R VU 1 R1 + R 2 = = = V β R I 2 Calcoli dettagliati V I A R, Ri, Ru V U 52

27 Effetto della reazione sui parametri Il guadagno Ar dipende solo da R1/R2 circuito di riferimento 53 Effetto della reazione sui parametri Il guadagno Ar dipende solo da R1/R2 circuito di riferimento Resistenza di ingresso Ri corrente nulla nel morsetto di ingresso: Ri 54

28 Effetto della reazione sui parametri Il guadagno Ar dipende solo da R1/R2 circuito di riferimento Resistenza di ingresso Ri corrente nulla nel morsetto di ingresso: Ri Resistenza di uscita Ru la frazione di tensione di uscita riportata all ingresso non dipende dal carico: Ru = 0 55 Effetto della reazione sui parametri Il guadagno Ar dipende solo da R1/R2 circuito di riferimento Resistenza di ingresso Ri corrente nulla nel morsetto di ingresso: Ri Resistenza di uscita Ru la frazione di tensione di uscita riportata all ingresso non dipende dal carico: Ru = 0 Amplificatore di tensione con guadagno noto indipendente da carico e sorgente 56

29 Amplificatore invertente Questa configurazione permette di realizzare amplificatori invertenti o di transresistenza Ri = R1, Ru bassa V I A R, Ri, Ru V U VI I1 = R V A U R 1 = I R 1 I 2 VI = R R VU R = = 2 V R R1 I 1 - V d =0 V I + R2 V U 57 Generalizzazione con Z Quanto visto con R vale per Z qualsiasi: V I + - AO 1 Z1 Z2 V U V I Z1 - + Z2 AO 1 V U V U Z1 + Z2 = VI Z 2 Z 2 VU = VI Z 1 varie tipologie 58

30 Vari tipi di amplificatori Caratteristiche degli amplificatori: ingresso in tensione: Z I alta uscita in corrente: Z U bassa uscita in tensione: Z U alta ingresso in corrente: Z I bassa 59 Sommario della lezione A0 Presentazione del modulo Obiettivi, prerequisiti, contenuti materiale didattico sistema di riferimento: catene RX/TX,... amplificatori: dove e quali tipi Richiami su AO ideali amplificatori di tensione invertenti e noninv. Verifica esempio/esercizio con Z complessa 60

31 Verifica lezione A0 Quali sono Ri e Ro ottimali per amplificatori: V I, V V, I I, I V In quali parti di un sistema RX/TX non è possibile usare amplificatori fatti con A.O. reazionati? Quali sono le differenze tra SDR e strutture radio tradizionali? Quali sono i vantaggi dei ricevitori a eterodina? Quali sono gli obiettivi delle esercitazioni di laboratorio in questo corso? 61 Prossima lezione (A1) Amplificatori operazionali reali errore di guadagno risposta in frequenza, slew rate Amplificatori AC con Operazionali Stabilità Esempio: amplificatore AC Riferimenti nel testo Richiami su A.O.: Amplificatori AC: