Laboratorio di ElettronicaDispositivi elettronici e circuiti

Linee di trasmissione.Misure su linee di trasmissione.

Amplificatore operazionale e reazione.Applicazioni dell'amplificatore operazionale.Realizzazione di circuiti con operazionali e misura delle caratteristiche.

Trasporto di carica nei semiconduttori.Dispositivi a semiconduttore: diodo a giunzione, transistor bjt, jfet e mosfet.Modelli lineari e non lineari di diodi e transistor.Misure dei comportamenti dinamici di un diodo.Esempi di circuiti di impiego di diodi e transistor.

Elettronica digitale:   * porte logiche   * algebra di Boole   * famiglie logiche (CMOS e TTL)   * reti logiche combinatorie e sequenzialiCostruzione e collaudo di un contatore modulo N.

Prerequisiti

Leggi dei circuiti elettrici:        Ohm, Kirchhoff, Thevenin, NortonElementi lineari dei circuiti:       resistenze, condensatori, induttanze, generatoriAnalisi di Fourier

Testi di riferimento

J. Millman & A. Grabel – Microelectronics     (McGraw­Hill, 1987)R.C. Jaeger – Microelectronic Circuit Design      (McGraw­Hill, 1997)P. Horowitz & W. Hill – The Art of Electronics      (Cambridge University Press, 1989)

Appunti on line

Marcello Carla'  ­  carla@ fi.infn.itDip. di Fisica – lab. 22 ­ studio 126tel. 055 457 2055 / 2013 / 2060

http://studenti.fisica.unifi.it/~carla/appunti

Elettronica Analogica

Le variabili elettriche di un circuito (tensioni e correnti) sono funzioni, per lo piu' continue, ma non necessariamente lineari, dei segnali.

Segnale: grandezza fisica che interessa conoscere o misurare (perche' contiene informazione)

Elettronica Digitale

Le  variabili  elettriche  hanno  solo  due  valori discreti, indicati convenzionalmente con 0 ed 1. Codici di 0 e 1 rappresentano numericamente i segnali.

Elaborazione Elettronica Analogica dei segnali

●Amplificazione (o attenuazione)

●Filtraggio

●Trasformazioni non lineari

Lo strumento di misura ha un suo campo (range) di lavoro ottimale. I valori del segnale possono essere fuori di questo campo perche' troppo piccoli o troppo grandi.

Ogni segnale ed ogni strumento di misura sono affetti da rumore. Rendere il piu' alto possibile il rapporto segnale/rumore significa ridurre l'errore di misura.

L'informazione che interessa puo' essere contenuta in una funzione non lineare del segnale. Ad esempio: l'intensita' del segnale supera o no un certo valore di soglia?

Elaborazione Elettronica Digitale dei segnali

● Operazioni logiche elementari

● Operazioni logiche combinatorie

● Operazioni logiche sequenziali

Gli  elementi  di  base  dell'elettronica  digitale  sono  le  porte logiche,  circuiti  che  eseguono  le  operazioni  logiche  AND, OR,  NOT tra le variabili logiche.

Utilizzando le porte logiche si possono realizzare reti capaci di  eseguire  operazioni  logiche  e  matematiche  che  sono funzioni  complesse  dei  valori  delle  variabili  logiche  di ingresso.

Reti logiche in cui il valore delle variabili di uscita dipende dal valore delle variabili di ingresso e dalla storia precedente della rete (reti dotate di memoria).

Linee di trasmissioneUn  sistema  di  conduttori  paralleli,  a  sezione  uniforme  e caratteristiche costanti sulla lunghezza e' una linea di trasmissione.

Linea di trasmissione bifilare (piattina)Linea di trasmissione coassiale

Linee di trasmissioneIn una linea di trasmissione resistenza, capacita', induttanza e conduttanza sono distribuiti su tutta la lunghezza della linea

C   capacita'         L   induttanza      R   resistenza       G   conduttanza   

} per unita' dilunghezza

Z = R + jL    impedenza

Y = G + jC   ammettenza}per unita' dilunghezza

Linea di trasmissione coassiale per grosse potenze, con dielettrico aria.

Diametro conduttore interno: 32 mmDiametro conduttore esterno: 76 mm

Potenza massima: 300 kW a 2 MHz

Linee di trasmissione – trasformazione di impedenza

Linea di trasmissione in cortocircuito con R0 = 50 .

Linea di trasmissione aperta con R0 = 50 . Linea con perdite

senza perdite

 Segnali a banda larga e a banda stretta

Segnale audio:                                                       20 Hz – 20 kHzImpulsi da fotomoltiplicatore:                         20 kHz – 500 MHzSegnale televisivo in banda UHF, canale 61:       790 – 798 MHz

 Propagazione di un segnale a banda larga 

Riflessione di un segnalea banda larga 

Riflessione di un segnale a gradino

Oscilloscopio Tektronix 2245A

Generatore di funzioni hp8111A

1) Misurare, in trasmissione o in riflessione, la lunghezza elettrica TL della linea.

2) Dal valore di TL e dalla lunghezza geometrica calcolare la velocita' di propagazione dei segnali lungo la linea e la costante dielettrica dell'isolante interno.

3)  Terminare  la  linea  con  una  resistenza  variabile  (0  ...  100  );  dalla  condizione  di  riflessione  nulla verificare l'impedenza caratteristica.

4) Misurare l'impedenza complessa della linea aperta per alcune frequenze, comprese tra 0 e  1 / TL .  Tra la tensione  V0  che  si  ha  all'oscilloscopio  con  la  linea non  collegata  e  la  tensione  V1  che  si  ha  con  la  linea collegata vale la relazione:                      V1 = V0  ZL / (50  + ZL)Dai  valori  complessi  (modulo  e  fase)  di  V0  e  V1  calcolare  il  valore  (complesso)  di  ZL  (sincronizzare oscilloscopio e generatore tramite trigger.

Misure su una linea di trasmissione

Misura della lunghezza elettrica di una linea di trasmissione

Il  generatore  ha  una resistenza di uscita di 50 

Linea a 50 L'oscilloscopio ha una impedenza di ingresso di 1 M (e  20  pF)  e  permette  di  “osservare”  il  segnale  al passaggio senza interferire

Terminazione della linea 

Segnale inviato dal generatore

Segnale riflesso con linea aperta

Segnale riflesso con linea in cortocircuito

tt

VV

2 T2 TLL

generatore di impulsi

oscilloscopio

fig:lunghezza_elettrica

Misura in riflessione

Linea a 50 Segnale all'inizio della linea

tt

VV

TTLL

Segnale alla fine della linea

Terminazione

fig:lunghezza_trasmissione

Misura in trasmissione

 1) Misurare, in trasmissione o in riflessione, la lunghezza elettrica TL della linea.

 2) Dal valore di TL e dalla lunghezza geometrica calcolare la velocita' di propagazione dei segnali lungo la linea e la costante dielettrica dell'isolante interno.

Misura della  impedenza caratteristica di una linea di trasmissione

Linea a 50 

Segnale inviato dal generatore

Segnale riflesso con linea aperta

Segnale riflesso con linea in cortocircuito

tt

VV

2 T2 TLL

Terminazionedella linea

Linea di impedenza Z

3) Terminare la linea con una resistenza variabile (0 ... 100 ); dalla condizione di riflessione nulla verificare l'impedenza caratteristica.

Linea apertatrigger

Misura dell'impedenza trasformata da una linea di trasmissione

generatore di segnale sinusoidalea frequenza variabile oscilloscopio

V 1

V 0

=ZL

50Z L

V0   tensione all'oscilloscopio con linea non collegataV1   tensione all'oscilloscopio con linea collegataZL  Impedenza equivalente della linea

4) Misurare l'impedenza complessa della linea aperta per alcune frequenze, comprese tra 0 e  1 / TL 

V0, V1 e ZL sono quantita complesse