ETLCE - A3 05-Mar-03

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Politecnico di TorinoFacoltà dell’Informazione

Modulo

Elettronica delle telecomunicazioni

Amplificatori e oscillatori

A3 - Oscillatori sinusoidali» principio di funzionamento» circuiti risonanti» oscillatori con circuiti LC,» oscillatori a –gm,» circuiti differenziali

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Contenuti del Gruppo A

• Amplificatori con transistori– rete di polarizzazione– analisi con modello lineare e nonlineare BJT e MOS– applicazioni della nonlinearità

• Oscillatori– oscillatori sinusoidali

• Mixer– a trasconduttanza, BJT e MOS, a diodi

• Circuiti nonlineari– amplificatori logaritmici

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Amplificatori “discreti”: dove ?

Oscillatori diriferimentoe VCO

Oscillatori infase/quadratura

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Contenuti di questa lezione (A3)

• Oscillatori sinusoidali

– principio di funzionamento– circuiti risonanti– oscillatori con circuiti LC,– oscillatori a –gm,– circuiti differenziali

• Riferimenti nel testo– oscillatori sinusoidali 1.2.4

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Parametri del segnale sinusoidale

• v(t) = V sen (ω t + θ)– Ampiezza V– Frequenza/pulsazione ω = 2π f– Fase θ

• Caratteristiche spettrali– purezza spettrale

» componenti ad altre frequenze(armoniche, disturbi, …)

» modulazione FM (spurie)

– rumore di fase» θ = θ(t)

f

fo 2fo 3fo

f

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Schema a blocchi di un oscillatore

• Anello con reazione positiva, in cui il guadagno Adiminuisce all’aumentare dell’ampiezza del segnale

• il livello si stabilizza per |Aβ| = 1.

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Struttura di oscillatori sinusoidali

• Anello di reazione

• criterio di Barkhausen– condizioni su modulo e

fase del guadagno di anello– poli sull’asse immaginario– oscillazioni con

ampiezza costante

1A,0A

IA1

AU

AUUIEID

DAU

=β=β∠β−

=

=β+=+=

⋅=

I

E

A

ββββ

U+ D

+

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Guadagno e fase

• Controllo del guadagno– amplificatore con compressione per nonlinearità

» il guadagno d’anello iniziale deve essere > 1» la condizione sul modulo viene garantita dalla diminuzione del

guadagno all’aumentare dell’ampiezza del segnale» la condizione |Aβ| = 1 è valida solo per una ben determinata

ampiezza

• Variazione di fase– circuito risonante

» unico elemento che ruota la fase è il gruppo LC» la condizione arg(Aβ) = 0 è valida solo per la frequenza di

risonanza del gruppo LC

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Circuiti risonanti LRC

• Parametri– ωo

– ξ

» Q = 1/2 ξ

• relazione dissonanza

( )( ) k

1kZ

Z kQXi

i −== ωω

k

X

ω

|z(ω)|

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Oscillatore con gruppo LC

• Amplificatore a transistore• carico LC• reazione positiva• compressione per

nonlinearità

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Esempio: Oscillatore Colpitts

• Rete di reazionecapacitiva

• In parallelo a LC èsempre presente unaRequivalente, per:- perdite di L e C- carico sull’uscita

21

1

CCCvv or +

=

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Esempio: Oscillatore Hartley

• Rete di reazioneinduttiva

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Esempio: Oscillatore Meissner

• Reazione tramite trasformatore– riportata su E o su B

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Controllo della frequenza (VCO)

• La frequenza può essere variata agendo su L o C.• La capacità totale comprende un diodo a capacità

variabile (Varicap)

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Effetto del Q

• La rotazione di fase dipende da LC e dai parametri parassiti• La pendenza della rotazione di fase è legata al Q• Q alto: a pari ∆φ, minore ∆ω

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Da cosa dipende il Q

• Il circuito risonante presenta delle perdite

– perdite di L (R serie) e C (R parallelo)

– carico resistivo sul gruppo LC» stadio successivo (uscita)» rete di reazione» hOE / rD del transistore» Re riportata su Vo

– per alzare il Q occorre alzare R parallelo» rete β reattiva» buffer di separazione dalla reazione e dal carico

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Circuiti differenziali

• Vantaggi– assorbimento costante

» corrente deviata sui due rami del differenziale» minori disturbi irradiati

– no armoniche pari

– minori disturbi» il segnale utile è quello differenziale» il segnale di modo comune viene ignorato

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Esempio di circuito differenziale

• Il transistore Q2 isola il gruppo LC dal’emettitore di Q1

(inserire una retedi polarizzazioneper Q2)

Q2

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NIC: Negative Impedance Converter

• Circuito con reazione positiva

• Vi/Ii = - Z/K

– permette di ottenereR negative (o L da C, …)

– il valore di -R è legatoal guadagno

– per effetto delle nonlinearità|-R| diminuisce all’aumentaredell’ampiezza del segnale

KR

A.O.

-

+

R

VIVU

II

Z

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Trasconduttanza negativa (–gm)

• Circuito risonante RLC con R = 0– ottenuta con circuito attivo (-R) in parallelo a LC(R)

• Per l’innesco:– piccolo segnale,

» alta gm» Rtotale regativa

• Regolazione di ampiezza con la nonlinearità:– aumentando l’ampiezza

» da gm a Gm (più bassa)» Rtotale tende a diventare positivo» equilibrio per R totale = 0

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VDD

S

D1

G

D2

Esempio di circuito a –gm

• Tra i morsetti D1 e D2 compare una Req negativa:– Req = - 2/gm

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Oscillatori a quarzo

• Il quarzo è un materiale piezoelettrico– se sollecitato meccanicamente genera segnali elettrici– se sottoposto a segnale elettrico si deforma– la conversione di energia elettrico-meccanica è molto

efficiente alla frequenza di risonanza (meccanica)

• Un cristallo di quarzo è un risonatore con Q moltoelevato

– 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)

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Sommario lezione A3

• Oscillatori sinusoidali

– 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» Colpitts, Hartley, Meissner

– circuiti differenziali

– oscillatori a trasconduttanza negativa (–gm)

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Prossima lezione (A4)

• Moltiplicatori e mixer– parametri ed errori– principio dei moltiplicatori a trasconduttanza,– moltiplicatori a 1/2/4 quadranti– cella di Gilbert– esempi di applicazione

• Prerequisiti– amplificatori differenziali

• Riferimenti nel testo– moltiplicatori analogici 2.2.4