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ETLCE - A3 05-Mar-03
© 2003 DDC 1
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05-Mar-03 - 1 ETLCE - A3 - © 2003 DDC
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
05-Mar-03 - 2 ETLCE - A3 - © 2003 DDC
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
fo05-Mar-03 - 6 ETLCE - A3 - © 2003 DDC
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
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