ETLCE - A3
9/19/2006
Politecnico di Torino
Facoltà dell’Informazione
Contenuti del Gruppo A
• Amplificatori con transistori
Modulo
– rete di polarizzazione
– analisi con modello lineare e nonlineare BJT e MOS
– applicazioni della nonlinearità
Elettronica delle telecomunicazioni
• Oscillatori
A – Amplificatori, oscillatori, mixer
– oscillatori sinusoidali
A3 - Oscillatori sinusoidali
»
»
»
»
• Mixer
principio di funzionamento
oscillatori con circuiti LC,
oscillatori a –gm,
circuiti differenziali
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– a trasconduttanza, BJT e MOS, a diodi
• Circuiti nonlineari
– amplificatori logaritmici
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Oscillatori: dove ?
Contenuti di questa lezione (A3)
• Oscillatori sinusoidali
Oscillatori di
riferimento
e VCO
–
–
–
–
–
Oscillatori in
fase/quadratura
principio di funzionamento
circuiti risonanti
oscillatori con circuiti LC,
oscillatori a –g m,
circuiti differenziali
• Riferimenti nel testo
– oscillatori sinusoidali
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1.2.4
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Parametri del segnale sinusoidale
Spettro e rumore di fase
• v(t) = V sen (ωt + θ)
– Ampiezza
– Frequenza/pulsazione
– Fase
v(t) = V sen (ωt + θ)
V
ω = 2π f
θ
Fase θ
Periodo T = 1/f = 2π/ω
Valore di
picco V
• Caratteristiche spettrali
t
– purezza spettrale
» componenti ad altre frequenze
(armoniche, spurie, …)
– rumore di fase
f
» θ = θ(t)
fo fx 2fo
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3fo
f
fo
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Lezione A4
Struttura di un oscillatore
• Segnali sinusoidali
• Anello di reazione
– parametri
D
+
– Condizioni su
modulo e fase del
guadagno di anello:
schema a blocchi
circuito con transistore fuori linearità
circuito a trasconduttanza negativa
circuiti differenziali
VCO
Oscillatori a quarzo
U
A
+
• Criterio di Barkhausen
• Oscillatori
–
–
–
–
–
–
I
– reazione positiva
β
E
|A β| = 1
fase(A β) = 0
– un segnale può percorrere l’anello mantenendo costanti
ampiezza e fase
– oscillazioni con ampiezza costante
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Condizione sul guadagno di anello
Zona di funzionamento
• Meccanismo per il controllo del guadagno
– amplificatore con compressione per nonlinearità
• Innesco delle oscillazioni
Zona di compressione
– il guadagno d’anello iniziale deve essere > 1
• Stabilizzazione dell’ampiezza
Il guadagno varia
rapidamente con
l’ampiezza x del segnale
– il guadagno diminuisce all’aumentare dell’ampiezza del
segnale
• La condizione |Aβ| = 1 è valida
solo per una ben determinata ampiezza
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Controllo della fase
Circuiti risonanti LRC
• Unico elemento che ruota la fase è il gruppo LC
• Parametri
– la rotazione di fase è controllata (principalmente) dal circuito
risonante (Zc)
– la condizione arg(Aβ) = 0 è valida
solo per la frequenza di risonanza fo del gruppo LC
– pulsazione di
risonanza:
ωo
– smorzamento: ξ
• piccco del modulo
e pendenza della
variazione di fase
dipendono da Q
Arg (Zc)
f
Q
ξ
ωo
arg(z(ω))
ω
–Q=5
– Q = 10
– Q = 100
fo
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|z(ω)|
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Effetto del Q
Lezione A3
• ∆ω a pari errore di fase dipende dal Q
• Segnali sinusoidali
– parametri
• Oscillatori
–
–
–
–
–
–
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schema a blocchi
circuito con transistore fuori linearità
circuito a trasconduttanza negativa
circuiti differenziali
VCO
Oscillatori a quarzo
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Oscillatore a transistore
Esempio: Oscillatore Colpitts
• Amplificatore a transistore + circuito LC
• Rete di reazione
con partitore
capacitivo
– carico con circuito LC
– reazione positiva
– guadagno controllato
dalla nonlinearità
D
A
vr = vo
A
• Circuito ideale
β
– Nessuna perdita
β
– Rotazione di fase
nulla nella rete β
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Esempio: Oscillatore Colpitts
• Rete di reazione
con partitore
capacitivo
vr = vo
β
Vo
+
Vr
C1
C1 + C2
A
– Req in parallelo a LC
– Rotazione di fase
non nulla nella rete β
Esempio: Oscillatore Hartley
• Rete di reazione
con partitore
capacitivo
• Rete di reazione
induttiva
A
C1
C1 + C2
• Circuito reale:
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β
• Approssimazioni
– rotazione di fase
nulla nella rete β
– nessuna perdita
– Errore di frequenza
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Esempio: Oscillatore Meissner
Esercizio: progetto di oscillatore
• Reazione tramite trasformatore
• Specifiche
– riportata su E o su B
–
–
–
–
Uscita sinusoidale
Segnale Vi di 104 mVpicco
Ic = 0,2 mA
Req complessiva sul gruppo LC = 10 kohm
• Determinare
–
–
–
–
–
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Attenuazione rete β
Vo
Q effettivo per ωo = 10 MHz
Spettro in uscita
Req vista attraverso la rete di reazione
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Lezione A3
Oscillatore a -gm
• Segnali sinusoidali
• Circuito risonante LC con resistenza di perdita R1
– parametri
• Oscillatori
–
–
–
–
–
–
schema a blocchi
circuito con transistore fuori linearità
circuito a trasconduttanza negativa
circuiti differenziali
VCO
Oscillatori a quarzo
R1
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Trasconduttanza negativa (–gm)
• Circuito risonante LC con resistenza di perdita R1
• La trasconduttanza negativa –gm è ottenuta tramite
un circuito attivo
• Bipolo attivo con trasconduttanza -gm in parallelo
– Soggetto a nonlinearità, saturazione, ...
• Gtot = 1/R1 - gm
• Per l’innesco:
– Se
gm = - 1/R1
– oscillazioni di
ampiezza stabile
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C
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Oscillatore a -gm
Gtot = 0
Rtot → ∞
L
– piccolo segnale,
» alta gm, Rtot negativa
R1
L
C
-gm
• Regolazione dell’ampiezza:
Rete
attiva
– aumentando l’ampiezza del segnale
» cala gm, Rtot diventa positivo
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NIC: Negative Impedance Converter
• Circuito con reazione positiva
Z
• Zi = Vi/Ii = - Z/K
II
– permette di ottenere
Zi negative (L da C, …)
Convertitore di impedenza
+
A.O.
-
VI
VZ
• Ai capi di Z:
Vz = K Vi
Z
• Ii = - K Vi/Z
KR
– il valore di Zi è legato
al guadagno effettivo
• Vo = (K + 1) Vi
VU
• Vi/Ii = - Z/K
R
A.O.
KR
VU
R
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Esempio di circuito a –gm
Circuiti differenziali
• Tra i morsetti D1 e D2 compare una Req negativa:
• Il circuito a –gm è simmetrico (differenziale)
– piccolo segnale:
Req = - 2/gm
• Vantaggi
– assorbimento costante
VDD
– ampio segnale:
Req = - 2/Gm(x)
– Gm(x) diminuisce
se l’ampiezza x
del segnale
aumenta
-
VI
Rete
attiva
– per effetto delle nonlinearità
|Zi| diminuisce all’aumentare
dell’ampiezza del segnale
+
II
» corrente deviata sui due rami del differenziale
» minori disturbi irradiati
D1
D2
G
– no armoniche pari
(utilizzando grandezza differenziali)
S
– Minore sensibilità ai disturbi
» il segnale utile è quello differenziale
» il segnale di modo comune viene ignorato
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Esempio di circuito differenziale
Lezione A3
• Il transistore Q2 isola il gruppo LC dal’emettitore di Q1
• Segnali sinusoidali
– parametri
(occorre inserire
una rete di
polarizzazione
per Q2)
• Oscillatori
–
–
–
–
–
–
Q2
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schema a blocchi
circuito con transistore fuori linearità
circuito a trasconduttanza negativa
circuiti differenziali
VCO
Oscillatori a quarzo
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Controllo della frequenza (VCO)
Da cosa dipende il Q
• La frequenza può essere variata agendo su L o C.
• La capacità totale comprende un diodo a capacità
variabile (Varicap)
• Il Q del circuito risonante è legato alle perdite
– perdite di L (R serie) e C (R parallelo)
– carico resistivo sul gruppo LC dato da:
» stadio successivo (uscita)
» hOE o rD del transistore
» Re riportata su Vo
• Per ridurre le perdite (e alzare il Q)
– alzare Req parallelo
» rete β reattiva
» buffer di separazione dalla reazione e dal carico
– Usare elementi risonanti meccanici
» Oscillatori a quarzo
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Oscillatori a quarzo
Oscillatori a quarzo
• Il quarzo è un materiale piezoelettrico
• Foto di quarzo
– sollecitato meccanicamente genera segnali elettrici
– sottoposto a segnale elettrico si deforma
– la conversione di energia è molto efficiente alla
frequenza di risonanza (meccanica)
• Cristallo di quarzo = risonatore con Q molto alto
– può essere utilizzato per realizzare oscillatori precisi e stabili
» configurazioni in cui sostituisce il gruppo LC
» altre configurazioni specifiche
(specialmente per oscillatori a onda quadra)
• Altri risonatori usano lo stesso principio (meccanico)
– Filtri ceramici, SAW, …
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Sommario lezione A3
Prossima lezione (A4)
• Oscillatori sinusoidali
• Moltiplicatori e mixer
–
–
–
–
–
– principio di funzionamento
» schema a blocchi
» anello di reazione con modulo = 1 e rotazione di fase = 0
– circuiti risonanti
» parametri, Q
– oscillatori con circuiti LC
parametri ed errori
principio dei moltiplicatori a trasconduttanza,
moltiplicatori a 1/2/4 quadranti
cella di Gilbert
esempi di applicazione
• Prerequisiti
» Colpitts, Hartley, Meissner
– amplificatori differenziali
– circuiti differenziali
• Riferimenti nel testo
– oscillatori a trasconduttanza negativa (–g m)
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– moltiplicatori analogici
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2.2.4
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