fondamenti di elettronica analogica

165 Pages·2007·3.74 MB·Italian

SergioGraffi,AntonioGnudi
FONDAMENTI DI ELETTRONICA
ANALOGICA
(21giugno2007)
ii
iii
SergioGraffidedicaquestolibro
allamemoriadeisuoigenitori.
iv
v
PREFAZIONE
Bologna,21giugno2007.
SergioGraffi
AntonioGnudi
Indice
1 INTRODUZIONE AI CIRCUITI ELETTRONICI 1
1.1 Sistemifisici,modelli,circuiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1,a. Studiodiunsistemafisico,progettoeanalisi . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1,b. Circuitielettr(on)icianalogiciaparametriconcentratiecostanti . . . 3
1.1,c. Descrizionediuncircuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1,d. Suggerimentiperscrivereleequazionidiuncircuito . . . . . . . . . . 7
2 CIRCUITI E SEGNALI 10
2.1 Segnali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Valoridiriferimento,polarizzazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Circuitoequivalenteperisegnali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Elaborazionelinearedisegnali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Piccolisegnali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Distorsionenonlineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7 Conversionedienergiaeamplificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 CIRCUITI E COMPONENTI 19
3.1 Bipoliomonoporta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1,a. Bipolinotevoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1,b. Equivalentiperpiccolisegnalidibipolinotevoli . . . . . . . . . . . . 24
3.1,c. Bipolilineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Componentin-polari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 2-porteodoppibipoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3,a. Doppibipolinotevoli: igeneratoridipendenti . . . . . . . . . . . . . 30
3.3,b. Doppibipolilineariautonomieloromatrici . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3,c. Connessionididoppibipoliebipoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3,d. Funzionidirete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3,e. Elaborazionedisegnalecon2-portelineariincascata . . . . . . . . . 43
3.4 Un3-portenotevole: l’amplificatoreoperazionaleideale . . . . . . . . . . . . 44
3.4,a. Primiesempidiapplicazionidegliamplificatorioperazionali . . . . . . 46
4 VALVOLE IDEALI 53
4.1 Valvoleelettronicheideali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Connessioninotevolidivalvoleelettronicheideali . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2,a. Ilpiu` semplicedeglistadiamplificatori . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2,b. Connessioneadiodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2,c. Specchidicorrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
INDICE vii
4.2,d. Generatoridicorrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2,e. Coppiadifferenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2,f. Casiparticolari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2,g. Stadioamplificatoredifferenzialeatransconduttanzaconvalvoleideali 63
4.2,h. Stadioamplificatoredifferenzialeditensioneconvalvoleideali . . . . 63
4.2,i. Altristadiamplificatorifondamentaliconunavalvolaideale . . . . . . 64
4.2,j. Stadioamplificatoreconvalvolaidealee2comune . . . . . . . . . . 64
4.2,k. Stadioamplificatoreconvalvolaidealee1comune . . . . . . . . . . 67
5 STABILITA` DEGLI STATI DI RIPOSO 70
5.1 Uncasosemplice: icircuitidelprimoordine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Unproblema... cheponeunproblema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3 Laspiegazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3,a. Osservazionicomplementari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6 RETROAZIONE 77
6.1 Retroazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2 Retroazioneneicircuitilineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2,a. Generalita` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2,b. Retroazioneindipendentedallafrequenza . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2,c. Retroazioneinternaneidoppibipoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7 MODELLI ADINAMICI DI DISPOSITIVI ELETTRONICI 84
7.1 Diodoagiunzionep/n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.1,a. Modelliadinamicideidiodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.2 Transistorebipolareagiunzioni(BJT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.2,a. Modelliadinamicideitransistoribipolari . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2,b. BJTinregimedipiccolisegnali(nellaregionenormale) . . . . . . . . 93
7.2,c. SintesideimodelliutilizzabiliperunBJTinregionenormale . . . . . . 95
8 ESEMPI DI CIRCUITI ADINAMICI 96
8.1 Circuiticondiodiagiunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.1,a. Circuitiraddrizzatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8.1,b. Limitatoreditensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.2 Circuiticontransistoriagiunzioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.2,a. Connessioneadiodo,specchidicorrente,generatoridicorrente . . . 103
8.2,b. StadiamplificatorifondamentaliconBJT . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2,c. Esempidicarichiattivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.2,d. Stadiamplificatoridiuscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.3 Schemidiamplificatorioperazionaliintegrati . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.4 Amplificatoridifferenzialiconguadagnodesensibilizzato . . . . . . . . . . . 123
8.5 Esempidifiltriattiviconopamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.6 Esempidiapplicazioninonlineariconopampediodi . . . . . . . . . . . . . . 129
9 MODELLI DINAMICI DI DISPOSITIVI ELETTRONICI 132
9.1 Modellidinamicideidiodip/n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.2 ModellidinamicideiBJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
viii INDICE
10 MOSFET 135
10.1 Transistori MOS o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Tran-
sistor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
10.1,a. ModellipertransistoriMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
10.1,b. MOSFETinregimedipiccolisegnali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
11 COMPLEMENTI, ESEMPI, ESERCIZI 140
11.1 Esprimerecorrettamenteivalorinumerici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
11.2 SinteticoriferimentoperunfilediingressodiPSpice . . . . . . . . . . . . . . 142
11.3 Altriesempidispecchidicorrente? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
11.4 Complementisull’amplificatoreoperazionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
11.4,a. Modelloadinamicononlineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
11.4,b.Modellodinamicoperpiccolisegnalinellaregionedialtoguadagno . 144
11.4,c. Conseguenzedelmodellodinamicoperpiccolisegnalidell’opamp . . . 146
11.4,d.Ulterioriosservazionisull’utilizzodelmodelloaipiccolisegnalidell’o-
pamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Elencodellefigure 149
Indiceanalitico 155
1
I
NTRODUZIONE AI CIRCUITI ELETTRONICI
Si presentano qui alcuni argomenti di carattere generale che e` bene conoscere per com-
prendere appieno quanto seguira`. Alcuni di essi, che appartengono tradizionalmente ad altre
discipline, vengono richiamati alla memoria vuoi per la loro importanza, vuoi per l’opportu-
nita` di esporre qualche complemento, vuoi per riorganizzarli in modo piu` idoneo alle finalita`
diquestotesto.
Si presume comunque che il lettore non sia del tutto inesperto di circuiti elettrici e si consi-
glia di rivedere gli argomenti trattati in questo capitolo anche dopo aver acquisito una certa
famigliarita` conquellideicapitolisuccessivi.
Sintesidelcapitolo
- Le scienze applicate si occupano sia di osservazioni sperimentali che della creazione, elabo-
razioneeverificadimodellimatematici.
-Questotestotrattadeimodellimatematicidetticircuitielettronicianalogiciaparametricon-
centratiecostanti.
- Tali modelli consistono in relazioni differenziali alle derivate ordinarie rispetto al tempo fra
funzionirealideltempocherappresentanograndezzeelettriche.
- Essi possono anche essere rappresentati in modo grafico (schemi elettrici) o in modo alfanu-
merico(netlist)secondoopportuneconvenzionicheoccorreconoscere.
-Perscriveresinteticamenteleequazionidiuncircuitosiconsigliadiusarecomevariabili,per
quantopossibile,soltantoletensionidinodo.
2
INTRODUZIONEAICIRCUITIELETTRONICI
1.1 Sistemi fisici, modelli, circuiti
Osservazioni fisiche Modello matematico
Progetto Analisi
Prototipo
Fig. 1.1 - Rappresentazione schematica delle attivita` di studio di un sistema fisico. Le frecce
nerevoglioindicarechequestotestosioccupasoprattuttodimodelli,analisiecriteridiprogetto.
1.1, a. Studio di un sistema fisico, progetto e analisi
Lostudiocompletodiunsistemafisicocomprendeunafasestrettamente”fisica”consistente
in osservazioni esperimenti e misure, una fase ”fisico-matematica” consistente nel determina-
re un modello matematico del sistema stesso1 2 , e una fase tipicamente ”matematica” consi-
stente nell’utilizzazione del modello al fine di prevedere il comportamento del sistema fisico
in situazioni anche diverse da quelle originariamente osservate e, di particolare interesse per
l’ingegnere,diindividuareicriteridiprogettoperlarealizzazionedisistemifisicidotatidipre-
fissate proprieta` (le ”specifiche di progetto”). Con riferimento alla schematizzazione di figura
1.1, questo testo ha a che fare essenzialmente con le interazioni rappresentate dalle frecce nere
e si atterra`, di regola, all’uso di modelli quanto piu` semplici sia possibile, purche´ in grado di
fornirerisultatinonassurdi,alfinediconcentrarel’attenzionesugliaspetticoncettualidibase.
Progettare un sistema fisico, cioe` decidere come va realizzato, puo` significare sia definire
l’insieme dei processi tecnologici che conducono allo scopo, sia definire un insieme di sistemi
piu` semplici e gia` noti (dispositivi, componenti, sottosistemi) e di regole per comporli nel si-
stema voluto, sia un po’ di entrambe le cose. In questo testo l’aspetto di gran lunga prevalente
sara` il secondo ma si puo` affermare, includendo nei componenti in senso lato anche i proces-
si tecnologici, che lo studente di discipline ingegneristiche deve subito prendere coscienza del
1Si puo` notare che la costruzione di un modello comincia in realta` nel momento stesso in cui si scelgono le
proprieta` delsistemafisicochedebbonoessereoggettodistudio: adesempio,ladecisionedistudiareunsistema
elettromagneticopiuttostocheunsistemameccanicoounsistematermicopuo` ancheriferirsialmedesimoinsieme
di oggetti fisici. E` bene anche tener sempre presente che un modello puo` fallire il suo scopo non soltanto se e`
tropposempliceperinterpretareconlavolutaapprossimazionelarealta` fisicachevuolerappresentare,maanche
see` troppocomplicatoperpoteressereelaboratoinmodoefficientealfineditrarneprevisioniequindicriteridi
progetto: ilmodellomiglioree` quellocheoffreilmigliorcompromessofral’accuratezzaelasemplicita`.
2Chidesideraampliarelesueconoscenzesull’argomentodeimodellimatematicipuo` utilmenteconsultare: E.
Sarti: AppuntidiControlliautomatici, Soc. Ed. Esculapio, eR.Guidorzi: MultivariableSystemIdentification,
BononiaUniversityPress,neiqualie` ampiamentetrattatoedesemplificato.
Perinteressantiapprofondimentisull’importanzadeimodellinellastoriaenellafilosofiadellascienzasiconsiglia
laletturadelbellissimolibrodiLucioRusso: Larivoluzionedimenticata,...