Indice Prefazione Prologo. Breve storia dell elettronica XI XIII I Dispositivi a semiconduttore 1 1 Semiconduttori 3 1.1 Forze, campi ed energia 3 1.2 Conduzione nei metalli 6 1.3 Semiconduttori intrinseci 10 1.4 Semiconduttori estrinseci 13 1.5 Effetti della temperatura sulle proprietà del silicio 17 1.6 Diffusione 18 1.7 Semiconduttori a drogaggio graduale 19 2 Il diodo a giunzione pn 25 2.1 La giunzione a circuito aperto 25 2.2 La giunzione pn polarizzata 27 2.3 La caratteristica corrente-tensione 30 2.4 Dipendenza dalla temperatura della caratteristica I -V 32 2.5 Diodi al germanio 33 2.6 Il diodo come elemento circuitale 33 2.7 Modelli per grandi segnali 36 2.8 Applicazioni elementari del diodo 39 2.9 Modelli per piccoli segnali 44 2.10 Analisi di circuiti a diodi mediante programmi di simulazione 49 2.11 Tempi di commutazione del diodo a giunzione 55 2.12 Diodi Zener 57 2.13 Diodi Schottky 61 2.14 Il diodo a giunzione brusca 62 3 Transistori bipolari a giunzione 75 3.1 Definizione di amplificatore e sue caratteristiche 75 3.2 Il transistore a giunzione 80 3.3 Il modello di Ebers-Moll del BJT 84 3.4 Le caratteristiche a base comune (common base, CB) 89 3.5 La configurazione a emettitore comune (common emitter, CE) 92 3.6 Modi di funzionamento in interdizione e in saturazione 97
VI Indice 3.7 Modelli in continua 101 3.8 Il BJT come interruttore 107 3.9 Il BJT come amplificatore 112 3.10 Il modello per piccoli segnali del BJT 114 3.11 Il BJT come diodo 123 3.12 La coppia differenziale 125 3.13 Limiti di funzionamento dei transistori (transistor ratings) 129 4 Transistori a effetto di campo 139 4.1 Il transistore MOSFET 139 4.2 Caratteristiche corrente-tensione del MOSFET ad arricchimento 141 4.3 Il MOSFET a svuotamento 146 4.4 Simboli circuitali dei MOSFET 147 4.5 Il transistore a effetto di campo a giunzione 148 4.6 Caratteristiche corrente-tensione del JFET 150 4.7 La caratteristica di trasferimento del JFET 153 4.8 Il MESFET 154 4.9 Analisi in continua dei FET 154 4.10 Il MOSFET come resistenza 157 4.11 Il FET come interruttore 160 4.12 Il FET come amplificatore 165 4.13 Modelli per piccoli segnali dei FET 167 4.14 Dispositivi CMOS 175 5 Fabbricazione dei circuiti integrati 183 5.1 Tecnologia per i circuiti integrati monolitici (microelettronica) 183 5.2 I processi planari 186 5.3 Fabbricazione del transistore bipolare 192 5.4 Fabbricazione dei transistori a effetto di campo 197 5.5 Tecnologia CMOS 200 5.6 Diodi monolitici 201 5.7 Il contatto metallo-semiconduttore 203 5.8 Resistenze per circuiti integrati 204 5.9 Condensatori integrati 208 5.10 Incapsulamento dei circuiti integrati 210 5.11 Caratteristiche dei circuiti integrati 211 5.12 Layout di circuiti integrati 212 II Circuiti e sistemi amplificatori 217 6 Configurazioni elementari di amplificatori a centro banda 219 6.1 Andamento delle tensioni e delle correnti con eccitazione sinusoidale 220 6.2 Punto di lavoro del BJT 221 6.3 Polarizzazione del BJT nei circuiti integrati 223 6.4 Generatore di corrente di Widlar 228 6.5 Generatori di corrente a tre transistori 230 6.6 Polarizzazione di BJT nei circuiti a componenti discreti. Analisi 232 6.7 Polarizzazione del BJT in circuiti a componenti discreti. Progetto 237 6.8 Polarizzazione del FET 241 6.9 Analisi di circuiti a transistori in condizioni di linearità 245 6.10 L amplificatore a emettitore comune 246 6.11 Inseguitore di emettitore 250
Indice VII 6.12 Amplificatore a base comune 252 6.13 Confronto tra le configurazioni 252 6.14 L amplificatore a emettitore comune con resistenza sull emettitore 255 6.15 Amplificatori a FET 256 6.16 Amplificatori a BJT in cascata 260 6.17 Amplificatori a transistori composti 265 6.18 L amplificatore differenziale 267 6.19 Analisi degli amplificatori differenziali 269 6.20 Amplificatori differenziali a FET 273 6.21 L amplificatore operazionale 274 6.22 Applicazioni tipiche degli amplificatori operazionali 278 7 Risposta in frequenza degli amplificatori 291 7.1 La risposta in frequenza 291 7.2 Risposta al gradino di un amplificatore 298 7.3 Guadagno di corrente in cortocircuito per la configurazione a emettitore comune 301 7.4 La funzione guadagno 304 7.5 L amplificatore a emettitore comune alle alte frequenze 307 7.6 Il prodotto guadagno-banda 310 7.7 L amplificatore a source comune alle alte frequenze 311 7.8 Gli inseguitori di emettitore e di source alle alte frequenze 313 7.9 Il metodo delle costanti di tempo per la determinazione della risposta in frequenza 319 7.10 Risposta in frequenza di più stadi in cascata 325 7.11 L amplificatore cascode (CE-CB) 330 7.12 L amplificatore operazionale alle alte frequenze 333 7.13 Effetti dei condensatori di accoppiamento e di bypass 335 8 Amplificatori reazionati 345 8.1 Il concetto di reazione 346 8.2 L amplificatore reazionato ideale 349 8.3 Teorema di scomposizione 351 8.4 Formulazione della teoria della reazione basata sul teorema di scomposizione e confronto con quella classica 355 8.5 Tecniche di applicazione del teorema di scomposizione 358 8.6 Uso della reazione nel progetto di amplificatori 371 9 Stabilità e risposta degli amplificatori reazionati 379 9.1 Effetti della reazione sulla banda 379 9.2 Stabilità 382 9.3 Criteri di stabilità 384 9.4 Risposta in frequenza degli amplificatori reazionati. La funzione di trasferimento a due poli 392 9.5 Margine di fase dell amplificatore reazionato con due poli 398 9.6 Risposta dell amplificatore reazionato con tre poli 401 9.7 Compensazione 401 10 Caratteristiche degli amplificatori operazionali 417 10.1 Architettura degli amplificatori operazionali 417 10.2 Lo stadio ad alto guadagno con carico attivo 419 10.3 Lo stadio differenziale 423 10.4 Traslazione di livello 429
VIII Indice 10.5 Stadi di uscita 430 10.6 Tensioni e correnti di sbilanciamento (offset) 433 10.7 Misura dei parametri degli amplificatori operazionali 436 10.8 Risposta in frequenza e compensazione 440 10.9 Slew rate 446 10.10 Circuiti BiFET e BiCMOS 448 10.11 Amplificatori operazionali a tre stadi 449 10.12 Altri tipi di amplificatori operazionali 450 10.13 Amplificatori operazionali a MOS 454 11 Elaborazione dei segnali analogici 467 11.1 Segnali analogici 467 11.2 Circuiti integratori e derivatori 468 11.3 Calcolo elettronico analogico 472 11.4 Filtri attivi RC 473 11.5 Filtri di Butterworth e di Chebyshev 476 11.6 Celle biquadratiche a singolo amplificatore 481 11.7 Celle biquadratiche con più AO 490 11.8 Amplificatori logaritmici ed esponenziali 492 11.9 Moltiplicatori analogici 496 11.10 Comparatori 498 11.11 Il comparatore rigenerativo (trigger di Schmitt) 500 11.12 Raddrizzatori di precisione 504 11.13 Segnali analogici tempo-discreti 508 11.14 Sistemi di campionamento e tenuta (sample-and-hold) 509 11.15 Sistemi a condensatori commutati 511 12 Generazione ed elaborazione di forme d onda 521 12.1 Oscillatori sinusoidali lineari 521 12.2 L oscillatore a rete di sfasamento 523 12.3 Oscillatore a ponte di Wien 525 12.4 Schema generale di un circuito oscillatore 527 12.5 Oscillatore a quarzo 529 12.6 Multivibratori 530 12.7 Generazione di un onda quadra da una sinusoide 536 12.8 Generatori di onda quadra e triangolare 537 12.9 Generatori di impulsi 541 12.10 Il timer integrato 555 543 12.11 Generatori di base dei tempi 546 12.12 Generatori di gradinata 550 12.13 Modulazione di un onda quadra 551 13 Circuiti e sistemi di potenza 561 13.1 Conversione da tensione alternata a continua (ac-dc) 561 13.2 Raddrizzatori 562 13.3 Altri circuiti a doppia semionda 574 13.4 Filtri capacitivi 578 13.5 Alimentatori stabilizzati 591 13.6 Regolatori monolitici 593 13.7 Regolatore a commutazione 595 13.8 Altre topologie dei regolatori a commutazione 598 13.9 Amplificatori per grandi segnali 602
Indice IX 13.10 Distorsione armonica 603 13.11 Classificazione degli amplificatori 607 13.12 Rendimento e cifra di merito di un amplificatore 607 13.13 Amplificatori push-pull in classe B 610 13.14 Funzionamento in classe AB 613 13.15 Amplificatori di potenza integrati 614 13.16 Considerazioni per il progetto termico 615 13.17 Transistori di potenza a effetto di campo 618 III Circuiti e sistemi digitali 627 14 Sistemi binari, algebra booleana e reti logiche 629 14.1 Sistemi numerici posizionali 629 14.2 Conteggio in un sistema numerico posizionale 631 14.3 Aritmetica binaria 632 14.4 Metodo polinomiale di conversione numerica 635 14.5 Metodo iterativo di conversione numerica 636 14.6 Numeri con segno 638 14.7 Algebra booleana e reti combinatorie 639 14.8 Porte e reti combinatorie 645 14.9 Ulteriori porte e operazioni booleane 646 14.10 Addizionatori e sottrattori binari 651 14.11 Comparatori 655 14.12 Decodificatori 656 14.13 Multiplexer 661 14.14 Flip-Flop e semplici applicazioni di Flip-Flop 665 15 Circuiti digitali combinatori 689 15.1 Circuiti elettronici digitali 689 15.2 L invertitore CMOS 696 15.3 Ritardo di propagazione dell invertitore CMOS 701 15.4 Porte logiche CMOS 703 15.5 Circuiti logici pseudo-nmos 706 15.6 L invertitore a BJT 707 15.7 La porta NAND TTL 709 15.8 Stadi di uscita TTL 712 15.9 Famiglie logiche TTL 716 15.10 Circuiti logici a emettitori accoppiati (ECL) 717 15.11 Confronto tra famiglie logiche 726 16 Memorie e circuiti programmabili 733 16.1 Memorie a sola lettura (ROM) 733 16.2 Indirizzamento bidimensionale di una ROM 739 16.3 Applicazioni delle ROM 740 16.4 ROM programmabili (PROM) 744 16.5 PROM cancellabili 745 16.6 Dispositivi logici programmabili 747 16.7 Memorie ad accesso casuale (RAM) 752 16.8 Celle di memoria lettura-scrittura 756 16.9 Celle per RAM bipolari 761 16.10 Microprocessori e microelaboratori 763 16.11 Conversione dei segnali 765
X Indice 16.12 Convertitori digitali-analogici (D/A) 770 16.13 Convertitori analogico-digitali (A/D) 773 A Regole per la notazione, costanti e unità di misura 781 A.1 Notazione 781 A.2 Costanti fisiche di maggiore interesse 783 A.3 Unità di misura nel Sistema Internazionale (SI) 783 B Simulatori elettrici 785 B.1 Informazioni necessarie alla simulazione 785 B.2 Possibilità di elaborazione 787 B.3 Presentazione dei risultati 789 B.4 Acquisire e usare il programma di simulazione 790 C Sommario di teoria delle reti 791 C.1 Reti resistive 791 C.2 Teoremi relativi alle reti 796 C.3 Il regime stazionario sinusoidale 801 C.4 Analisi semplificata di reti elettriche in regime sinusoidale 805 C.5 Eccitazione esponenziale 809 C.6 Risposta al gradino di un circuito RC 811 C.7 Il diagramma asintotico di Bode 814 C.8 Reti a due porte 818 C.9 Teorema di Pellegrini 823 Bibliografia 829 Indice analitico 833