0 Elettronica Gvp 04 - Uniroma1.it
APPUNTIDIELETTRONICA(Prof. G.V. Pallottino)A.A. 2004-2005DIPARTIMENTO DI FISICAUNIVERSITA’ LA SAPIENZAROMA
APPUNTI DI ELETTRONICAINDICEINTRODUZIONE ALL'ELETTRONICAPARTE ISEGNALI E SISTEMI1. Alcuni esempi introduttiviI SEGNALI2. Segnali analogici e digitali3. Segnali a tempo continuo e a tempo discreto4. Funzioni sinusoidali5. Funzioni periodiche6. La famiglia delle funzioni impulsiveI SISTEMI7. Sistemi e modelli8. Sistemi statici e sistemi dinamici9. Sistemi lineari e sistemi nonlineari10. Sistemi stazionari e sistemi non stazionariRISPOSTE CARATTERISTICHE11. Risposta libera e risposta forzata12. Risposta in regime permanente sinusoidale13. Le risposte indici14. Relazioni fra risposte indici e risposta in frequenza15. Calcolo della risposta a una eccitazione qualsiasi con le risposte indici16. Integrale di convoluzione e risposta impulsiva17. Risposta in frequenza e risposta impulsiva18. Risposta impulsiva e stabilitàSCHEMI A BLOCCHI E GRAFI DI FLUSSO17. Schemi a blocchi20. Grafi di flussogvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 1
PARTE II CIRCUITI ELETTRICI ED ELEMENTI IDEALI1. Introduzione ai circuiti2. I bipoli3. Le leggi di Kirchhoff4. Elementi a più terminali, reti a due portePROPRIETA' GENERALI DEGLI ELEMENTI E DEI CIRCUITI5. Passività6. ReciprocitàELEMENTI IDEALI DEI CIRCUITI - Elementi ideali bipolari fondamentali7. Resistore8. Condensatore9. Induttore10. Circuiti equivalenti dei bipoli passivi reali11. Rappresentazione delle dissipazioni degli elementi reattivi reali12. Generatori indipendenti idealiElementi ideali a due porte13. Induttori accoppiati14. Trasformatore ideale15. Circuito equivalente degli elementi induttivi a due porte reali16. Giratore17. Generatori controllati ed altri elementi attivi ideali a due porte18. Circuito comprendente un transistore bipolare: circuito equivalente per piccoli segnaliPARTE III ANALISI DEI CIRCUITITOPOLOGIA DEI CIRCUITI1. Il grafo di un circuito2. Tagli e maglie3. Alberi e coalberiMETODI DI ANALISI: MAGLIE E NODI4. Il metodo delle maglie5.Analisi in regime sinusoidale permanente6. Il metodo dei nodiDUALITA' E ANALOGIE7. Dualità e circuiti duali8. Il metodo delle analogieANALISI DEI CIRCUITI STATICI E DINAMICI9.Analisi dei circuiti statici10. Analisi dei circuiti dinamici11. Soluzione numerica delle equazioni dei circuiti dinamicigvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 2
PARTE IV IL METODO DELLA TRASFORMATA DI LAPLACE1. La trasformata di Fourier2. Introduzione alla trasformata di Laplace3. I teoremi fondamentali4. Trasformate di funzioni impulsive ed esponenziali5. Impiego della trasformata di Laplace nei circuiti6. Poli e zeri delle funzioni di sMETODI DI ANTITRASFORMAZIONE7. Il metodo dei residui8. Il metodo dello sviluppo in frazioni parziali10. Alcune note su zeri e poliPARTE V FUNZIONI DI RETE, RETI DUE PORTE1. Funzioni di rete e funzioni di trasferimento2. Risposta in frequenzaRISPOSTE CARATTERISTICHE3. Le risposte caratteristiche4. I circuiti RC5. Il circuito RLC serie6. Il circuito RLC paralleloRETI DUE PORTE7. Rappresentazione delle reti due porte8. Amplificazioni, impedenze e impedenze caratteristiche9. Reti in cascataCONDIZIONI DI NON DISTORSIONE E SFASAMENTI10. Condizioni di non distorsione11. Relazioni fra ampiezza e fase12. Il problema della faseLINEE DI TRASMISSIONE (vedi capitoli 1 e 2 del testo Alberigi-Rispoli, Elettronica)PARTE VI PER ORA MANCAgvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 3
PARTE VII AMPLIFICATORI LINEARI1. GeneralitàRISPOSTA AI TEMPI BREVI2. Calcolo dei tempi caratteristici3. Amplificatori a larga banda4. Composizione dei tempi caratteristici5. La larghezza di bandaRISPOSTA AI TEMPI LUNGHI6. La pendenza iniziale della risposta indiciale7. Composizione delle pendenze inizialiCENNI SUGLI AMPLIFICATORI PER GRANDI SEGNALI8. Generalità sugli amplificatori per grandi segnali9. Classi di funzionamentoPARTE VIII LA CONTROREAZIONE1. Introduzione alla controreazioneGLI EFFETTI DELLA CONTROREAZIONE2. La desensibilizzazione3. La linearizzazione4. L'effetto sui disturbi5. Gli effetti sulla risposta dinamica6. La risposta dinamica nel dominio del tempoUNO SCHEMA PIU' GENERALE PER GLI AMPLIFICATORI A CONTROREAZIONE7. Un modello più generale8. Classificazione e proprietà degli amplificatori reazionati9. L’effetto della reazione sulle impedenze d’ingresso e d’uscitaGLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI10. Gli amplificatori operazionali11. Analisi semplificata nell'approssimazione di guadagno infinito12. Realizzazione di funzioni di trasferimento prefissate13. Analisi tenendo conto del guadagno finito dell'amplificatoreCENNI SUGLI OSCILLATORI14. Introduzione agli oscillatori15. Oscillatori a resistenza negativa16. Oscillatori a reazione positivagvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 4
PARTE IXIL RUMORE1. Introduzione al rumore2. Aspetti matematici del rumore3. Il rumore termico4. Il teorema di Nyquist e la sua generalizzazione5. Il rumore shot6. Il rumore 1/f e altri tipi di rumore7. Rappresentazione del rumore nelle reti elettriche8. Fattore di rumore e temperatura di rumore9. Cenni sul rumore dei dispositivi10. Cenni sulla progettazione a basso rumoreAPPENDICE AI TEOREMI DEI CIRCUITI1. Teorema del massimo trasferimento di potenza2. Teorema di Helmholtz-Thévenin3. Teorema di Norton4. Teorema di Millman5. Teorema di MillerAPPENDICE BI DIAGRAMMI DI BODE1. La rappresentazione grafica delle funzioni dei sistemi nel dominio della frequenza2. I diagrammi di Bode dei fattori standard3. La composizione dei diagrammi di BodeAPPENDICE CL'AFFIDABILITA'1. Cenni sull’affidabilità2.I criteri per ottenere elevata affidabilitàgvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 5
TESTI CONSIGLIATIA.Alberigi Quaranta, B.Rispoli Elettronica Zanichelli, 1960per il materiale sulle linee di trasmissione (capitoli 1 e 2)J.Millman, C.C.Halkias Microelettronica Boringhieri, 1978per il materiale sui semiconduttori (capitoli 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 19)S.M. Sze Semiconductor Devices, Physics and Technology John Wiley, 1985per il materiale sui dispositiviS.Cantarano, G.V.Pallottino Elettronica Integrata, Circuiti e sistemi analogici Etas Libri, 2aedizione, Milano, 1985G.Martinelli, M.Salerno Fondamenti di Elettrotecnica Siderea, 1986C.J.Savant, M.S.Roden, G.L.Carpenter Electronic Design, Circuits and SystemsBenjamin/Cummings, 1991J.Millman, A.Grabel Microelectronics McGraw Hill, 1988P.U.Calzolari, S.Graffi Elementi di Elettronica Zanichelli, Bologna, 1984P.Horowitz, W.Hill The Art of Electronics Cambridge University Press, 2a edizione, 1989gvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 6
INTRODUZIONE ALL'ELETTRONICAIn passato, si datava la nascita dell'elettronica (questo termine si è diffuso a partiredagli anni Trenta del secolo scorso) con la scoperta dell'elettrone (1897) e con l'invenzione divari dispositivi basati sul moto di cariche elettriche nel vuoto, come il tubo a raggi catodici, ildiodo, il triodo e gli altri tubi elettronici che furono introdotti nei primi decenni delNovecento. L'elettronica si configurava dunque come la scienza e la tecnica dei dispositivielettronici propriamente detti, che trovavano impiego, sopratutto, nella trasmissione diinformazioni, con la radio e la telefonia a grande distanza. Inoltre, poichè le intensità dicorrente usate in questi dispositivi erano generalmente assai inferiori a quelle impiegate nellealtre, e più antiche, applicazioni dell'elettricità, l'elettronica era intesa come tecnica delle"correnti deboli" per distinguerla dalla tecnica delle "correnti forti" o elettrotecnica1, cheriguardava invece le applicazioni in cui l'energia ha un ruolo essenziale (macchine e impiantiper la produzione, la trasmissione a distanza e l'utilizzazione pratica dell'energia elettrica).Nel medesimo quadro si collocava, dopo l'invenzione del transistore (1947), ladiffusione di una estesa varietà di nuovi dispositivi, che differivano da quelli precedenti2perchè il moto delle cariche aveva luogo in corpi solidi, anzichè nel vuoto (o in un gas), e illoro impiego in una molteplicità di applicazioni.Nello stesso tempo, però, il dominio di attenzione dell'elettronica si era allargato acoprire nuovi settori di applicazioni, che andavano via via sviluppandosi, e si erano arricchitigrandemente anche gli sviluppi di natura teorica e formale che si erano resi necessari. Alsettore tradizionale della trasmissione dell'informazione (cioè delle "comunicazioni", in cuirientra assai bene anche tutta la problematica delle misure fisiche) si erano aggiunti infatti inuovi campi della elaborazione dell'informazione: cioè quello dei sistemi di controllo e quellodei calcolatori.1Oggi il termine elettrotecnica è usato spesso con il significato di teoria dei circuiti elettrici.2Ricordiamo peraltro che le prime scoperte, e le prime applicazioni, dei dispositivi a stato solido hannopreceduto quelle dell'elettronica dei dispositivi a vuoto. La scoperta, per esempio, dell'effetto Hall era avvenutagià nel 1880. I primi "diodi" (i raddrizzatori a baffo di gatto, basati sulle proprietà di un contatto metallosemiconduttore) erano stati costruiti da F. Braun nel 1874 e furono usati largamente ai primordi della radio. Maa quel tempo non si disponeva ancora delle basi teoriche della fisica dei solidi (in particolare della meccanicaquantistica) e questo impedì ulteriori progressi. Tuttavia, vari tipi di raddrizzatori a stato solido (selenio, ossidodi rame) furono sviluppati su basi empiriche e usati comunemente fino a qualche decennio addietro.gvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 7
Il dominio di interesse dell'elettronica, così, mutava grandemente rispetto a quellotradizionale: dal punto di vista delle applicazioni l'elettronica diventava sinonimo di 3C(comunicazioni, controlli e calcolatori), mentre la definizione di tale disciplina veniva adessere, secondo un Autore (W.L. Everitt, 1952): "la scienza e la tecnica che trattaprincipalmente dell'ausilio ai sensi dell'uomo e al suo potere cerebrale per mezzo didispositivi che raccolgono ed elaborano l'informazione". In realtà, la discussione sulladefinizione dell'elettronica è tutt'altro che conclusa ed è anzi destinata a continue revisioni perla continua crescita di nuovi sviluppi, teorici e sperimentali, e di nuove applicazioni pratiche.Questa differenza fondamentale rispetto al passato per ciò che s’intende perelettronica è segnata anche da una tendenza continua di questa disciplina verso la"dematerializzazione", come avviene del resto anche in altri settori. Sebbene la parte fisica emateriale dell'elettronica (l'hardware) abbia sempre grandissima importanza, con la continuaintroduzione di nuove tecnologie e la loro diffusione in ogni ambito della società unama,vogliamo sottolineare l'evoluzione che si è svolta nei decenni trascorsi, conducendol'elettronica, inizialmente intesa soltanto come scienza e tecnica dei dispositivi, ad estendere isuoi contenuti in un quadro più generale, in particolare per quanto riguarda gli aspetti formalie metodologici. Questi hanno avuto origine, sopratutto, dall'esigenza importantissima dimodellizzare in modo significativo, e al stesso tempo efficiente, gli oggetti fisici (dispositivi,circuiti e sistemi) di interesse per l'elettronica, di analizzarne il comportamento e diprogettarli efficacemente, in relazione alle loro applicazioni. E sono proprio questi aspettiformali e metodologici dell’elettronica, in buona misura indipendenti dalle tecnologie e dailoro sviluppi nel tempo, che vengono privilegiati nella formazione universitaria, mirata afornire all’allievo le basi più durevoli.Ai contenuti e al quadro concettuale dell'elettronica, pertanto, contribuiscono variediscipline sia prettamente fisiche (in particolare l'elettromagnetismo e la fisica dello statosolido), che forniscono le basi, teoriche e sperimentali, per la comprensione dei dispositivi giànoti e per la creazione di nuovi dispositivi, sia fisico-matematiche, con cui si costruiscono imodelli dei dispositivi, dei circuiti e dei sistemi da essi costituiti, e dei segnali che vengonousati per rappresentare l'informazione.Esemplare, a questo riguardo, è la vicenda della "teoria dei circuiti", che tratta deimetodi di rappresentazione, di analisi e di sintesi dei circuiti elettrici. Questa teoria avrebbepotuto svilupparsi, attraverso opportune specializzazioni ed approssimazioni, a partire dalgvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 8
quadro generale riassunto dalle equazioni di Maxwell dell'elettromagnetismo. E' accaduto,invece, che lo sviluppo della teoria dei circuiti sia avvenuto sulla base di definizioni formali,assunte come principi, per il comportamento di elementi idealizzati (come il resistore, ilcondensatore e l'induttore) e di altre definizioni formali, costituite essenzialmente dalle leggidi Kirchhoff (assunte come principi, anzichè come conseguenze particolari delle equazioni diMaxwell), per trattare le interconnessioni degli elementi idealizzati che costituiscono icircuiti.Bisogna dire che questo modo di procedere ha condotto a risultati assai fecondi:l'eleganza e la semplicità del quadro teorico così costruito e delle metodologie che sono statesviluppate a tale proposito, è venuto a costituire, addirittura, un paradigma per la trattazionedi argomenti anche assai lontani da quello dell'elettricità. La teoria dei circuiti ha trovatoinfatti molteplici applicazioni, che si estendono, per esempio, dallo studio di sistemi biologiciall'analisi del comportamento dinamico di strutture meccaniche e di sistemi termici.Consideriamo ora un aspetto essenziale nella considerazione del ruolo attualedell'elettronica. Questo riguarda gli importantissimi e molteplici effetti dell'introduzione(1958) dei circuiti integrati monolitici, cioè di circuiti realizzati entro un solidosemiconduttore, la cui complessità sta crescendo da decenni con legge esponenziale (legge diMoore): oggi si costruiscono moduli integrati contenenti anche centinaia di milioni ditransistori. A questo proposito ricordiamo che l'inventore del circuito integrato, l’ingegnereamericano Jack St.Clair Kilby, ha ricevuto il premio Nobel per la Fisica nel 2000, ericordiamo anche il contributo essenziale del fisico italiano Federico Faggin all’invenzionedel microprocessore.Ciò che più importa è che il perfezionamento dei processi di fabbricazione, e inparticolare l'impiego dell'automazione, hanno consentito di realizzare dispositivi, anche dinotevole complessità, a costi straordinariamente inferiori a quelli del passato (quando icircuiti corrispondenti venivano realizzati "a componenti discreti") e con affidabilità assaimaggiore. Proprio la larga disponibilità a basso costo di potenti dispositivi di elaborazioneelettronica ha rappresentato un elemento decisivo nel decollo delle cosiddetta "rivoluzionedell'informazione" (o seconda rivoluzione industriale) che stiamo vivendo oggi. Percomprenderlo, basta pensare anche soltanto ai recenti sviluppi nel campo dei calcolatori edelle loro applicazioni, e al ruolo di questa tecnologia nella società d'oggi.gvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 9
Ma gli sviluppi dell'elettronica integrata hanno anche avuto profondi effetti nel quadrodell'elettronica stessa: da un lato spostando l'attenzione dall'analisi e dal progetto dei circuiti edei sistemi mediante componenti discreti verso una visione sistemistica, cioè basata su unlargo, e talvolta addirittura esclusivo, impiego di moduli funzionali integrati, dall'altroaccentuando ancore l'attenzione verso gli aspetti più direttamente rivolti all'elaborazione deisegnali intesi come supporto dell'informazione.Sotto questo punto di vista, che si ricollega alla tendenza verso la dematerializzazioneaccennata prima, i dispositivi, non più necessariamente soltanto di tipo elettrico, vengono adassumere solo il ruolo di mezzi fisici per la realizzazione di opportune funzioni dielaborazione. Già oggi, in elettronica, non mancano esempi d'impiego di dispositivi nonelettrici (risonatori meccanici di vario tipo, dispositivi a onde acustiche superficiali,dispositivi "fotonici" per sistemi di trasmissione basati su impulsi di luce che viaggiano infibre ottiche). E del resto la nuova tecnologia fotonica ha già soppiantato quella elettronica insenso stretto in parecchi settori delle telecomunicazioni. Ma anche a questa nuova tecnologiaè l'elettronica a fornire tutto il necessario quadro metodologico, analitico e progettuale, comeinfatti si verifica a proposito dei sistemi di trasmissione di tipo ottico.Notiamo infine, per concludere, che l'elettronica gioca un ruolo essenziale nellaformazione culturale di un fisico, anche a prescindere dai vari sbocchi professionali diversi daquelli tradizionali della ricerca scientifica e industriale, sotto due distinti punti di vista:1) l'elettronica costituisce attualmente la tecnologia essenziale per la realizzazione degliapparati sperimentali;2) le metodologie dell'elettronica costituiscono un potente ausilio nello studio, inparticolare nella modellizzazione e nell'analisi dinamica, dei sistemi fisici di qualsiasinatura, e nella elaborazione e nell'analisi dei dati sperimentali, che costituisce oggi unaspetto di importanza primaria nella ricerca fisica.gvp – 8 settembre 2004Appunti di Elettronica - Introduzione pag. 10
PARTE ISEGNALI E SISTEMI1. Alcuni esempi introduttiviGli schemi illustrati nella figura rappresentano quattro tipici sistemi elettronici, chediscuteremo brevemente allo scopo di fornire una introduzione esemplificativa ai sistemi, aisegnali e ai problemi di interesse nel campo dell'elettronica.Il primo esempio riguarda un sistema di acquisizione. Il trasduttore1 T fornisce il1Per trasduttore s'intende un dispositivo che trasferisce un segnale da una grandezza di supporto a un'altra, didifferente natura fisica; per esempio da una grandezza non elettrica a una elettrica e in tal caso chiamato anchesensore.gvp – 25 Agosto 2004Appunti di Elettronica – Parte I pag. 1
segnale x(t), che contiene sia l'informazione relativa all'andamento temporale della grandezzanon elettrica misurata sia un disturbo (rumore additivo). Si tratta di un segnale a basso livello,che l'amplificatore A amplifica riproducendolo fedelmente e che il filtro F provvede a filtrareper migliorare il rapporto segnale/rumore. Il convertitore A/D (analogico/digitale) trasformainfine il segnale analogico in forma digitale permettendone la lettura da parte di uncalcolatore.Il secondo esempio riguarda un sistema di trasmissione di dati. Qui il segnale x(t)consiste in una sequenza di impulsi a due livelli, che vengono trasmessi a distanza attraversoun canale (per esempio una linea telefonica). All'uscita dal canale, il segnale y(t) è deformato,rispetto a quello d'ingresso, sia dal rumore che dall'effetto della risposta del canale.L'equalizzatore E (un particolare tipo di filtro) provvede a compensare gli effetti della rispostadel canale e a ridurre il rumore. Il rigeneratore RI (un discriminatore di segno) ritrasformainfine il segnale nella forma iniziale di impulsi a due livelli.Il terzo esempio riguarda il sistema di controllo del processo P (che consiste, peresempio, nell'azionamento di un asse da parte di un motore). Qui si utilizza il principio dellareazione negativa in modo che l'uscita del processo (la posizione angolare dell'asse) segua ilriferimento x(t) e in particolare approssimi, sia pure con un piccolo ritardo, un segnale agradino. A questo provvedono il blocco di reazione H e il blocco di compensazione W,generando il segnale di comando m(t).L'ultimo esempio riguarda un sistema di alimentazione in continua. La correntealternata della rete viene prima rettificata dal raddrizzatore RA, poi filtrata e infine applicataal regolatore RE che ne stabilizza il valore della tensione. Quest'ultimo dispositivo funziona inbase al principio della reazione negativa,
gvp – 8 settembre 2004 Appunti di Elettronica-Introduzione pag. 9 quadro generale riassunto dalle equazioni di Maxwell dell'elettromagnetismo. E' accaduto, invece, che lo sviluppo della teoria dei circuiti sia avvenuto sulla base di definizioni formali,
c.d.e.di fanti tei. 364592 milano melchioni s.p.a. tei. 5794 milano franchi cesare tei. 2894967 milano sound elettronica tei. 3493671 monza elettronica monzese tei. 23153 napoli teleradio piro di vittorio tei. 264885 oriago(ve) elettronica lorenzon tei. 429429 padova ballarin ing- giulio - tei. 654500 palermo
4. Applicazioni di elettronica digitale Comparatori a piùbit Sommatorie sottrattori 5. Tipi di circuiti integrati e applicazioni I transitor: circuiti digitali con uscite Totem-Pole, Open-Collector, Three-State Bus dati per la comunicazione di dati fra sistemi diversi Studio dellunitàaritmetico-logica(ALU) Contatori di impulsi a 3 cifre
E' la casella di posta elettronica posta all'interno di un dominio di posta elettronica certificata ed alla quale é associata una funzione che rilascia ricevute di avvenuta consegna al ricevimento di messaggi di posta elettronica certificata HTML HTML (acronimo per HyperText Mark-Up Language) è un linguaggio .
Conversione Analogico/Digitale e Digitale/Analogico C.2 - Convertitori D/A classificazione errori, parametri dinamici Strutture base Esempi di circuiti 2 Elettronica per telecomunicazioni 3 Contenuto dell’unità C Processo di conversione A/D Campionamento e quantizzazione, errori, SNR Convertitori D/A
Sistemi di Elettronica Digitale (SED) - Modello del dispositivo elettronico digitale - Problemi di interfacciamento, stadi di I/O speciali - Circuiti e dispositivi logici combinatori e sequenziali - Memorie: cenni - Sistemi di conversione analogico/digitale e digitale/analogico: cenni - Sistemi embedded (uC, Arduino)
Laboratorio di Sistemi Elettronici Automatici Laboratorio di disegno tecnico geometra Laboratorio di Tecnologia, Disegno e progettazione Elettronica Laboratorio di Elettronica e Telecomunicazioni (con stazione radiomatoriale) Laboratorio di Chimica Laboratorio di informatica triennio settore economico
ISO 9655 DIN ISO 9655 NF ISO 9655 ASME B107.500 Becchi lisci Molle di richiamo a lamina intercambiabili Impugnature ergonomiche in ABS resistenti agli oli e ai solventi Codice U.M. axbxc mm L Articolo U015001 Pezzi 20x1x9 mm.120 U00150001 PINZA PER ELETTRONICA A BECCHI PIATT
realizes a functional behavior of a logic system from a given description (stated in form of verbal statements, truth table, K-map, state diagram, etc.) Example : Synthesize a logic function that realizes the following truth table. Use AND, OR, and NOT gates Figure 2.15. A function to be synthesized. Chapter 2-14 Synthesis of digital circuits f (a) Canonical sum-of-products f (b) Minimal-cost .
