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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