Programma del corso

Richiami e complementi sugli amplificatori per piccoli segnali a BJT. Richiami sulle caratteristiche I-V del MOSFET, polarizzazione, configurazione a source comune, funzioni di rete per amplificatori a MOSFET per piccoli segnali. Transistore JFET. Fisica del dispositivo, caratteristica di trasferimento e di uscita, connessione in configurazione source comune, modello ai piccoli segnali e calcolo delle funzioni di rete. Confronto MOS-BJT-JFET per applicazioni analogiche.

Amplificatori multi-stadio. Problematiche dell’accoppiamento diretto: vincoli sulla polarizzazione, stabilizzazione del punto di riposo e trade-off con il guadagno. Principali connessioni di stadi amplificatori con accoppiamento diretto, tra cui Darlington e Cascode. Amplificatore differenziale: generalità ed applicazioni, transcaratteristica ingresso-uscita statica. Funzionamento per piccoli segnali, guadagno differenziale e di modo comune, CMRR, resistenze di ingresso e uscita. Utilizzo di carichi attivi. Cenni allo stadio differenziale a MOS.

Fenomeni di offset e deriva nei circuiti amplificatori. Propagazione delle derive in una cascata di stadi. Tensione di offset riferita all’ingresso e all’uscita. Scelte circuitali in funzione della minimizzazione delle derive e degli offset.

Risposta in frequenza di amplificatori per piccoli segnali. Effetti reattivi nel diodo a giunzione e nel transistore a giunzione. Circuiti equivalenti per piccoli segnali di diodo e transistore con effetti reattivi. Guadagno di corrente in corto-circuito del BJT ad emettitore comune, dipendenza dalla frequenza e frequenza di transizione. Caratterizzazione del comportamento in frequenza degli stadi amplificatori elementari.

Amplificatori multi-stadio con accoppiamento mediante condensatore. Banda passante di un amplificatore, definizione di frequenze di taglio inferiore e superiore, relazione con la posizione dei poli. Progettazione e dimensionamento di un amplificatore per una banda passante assegnata. Determinazione della frequenza di taglio inferiore per amplificatori multi-stadio accoppiati a condensatore. Metodo delle costanti di tempo a circuito aperto e a corto circuito per il calcolo delle frequenze di taglio.

Realizzazione di amplificatori operazionali. Amplificatori a due stadi. Analisi del circuito dell’OpAmp 741. Stadio di ingresso con rete di polarizzazione a retroazione negativa. Stadio di guadagno. Stadio di traslazione di livello e di uscita. Calcolo del guadagno ad anello aperto. 

Teoria della compensazione. Compromesso guadagno – banda passante per amplificatori in retroazione. Criterio di Nyquist. Margine di fase e necessità della compensazione. Principi della compensazione a polo dominante. Valutazione dell’inserimento della capacità di compensazione in diverse posizioni in un amplificatore multi-stadio. Compensazione a polo dominante nel 741, fenomeno del pole splitting. Limitazione di slew rate in amplificatori operazionali: principio fisico, circuito per la rivelazione dello slew rate, caratterizzazione analitica.

Filtri attivi. Generalità, specifiche, relazione con numero e posizione poli. Filtri di Butterworth e di Chebyshev. Funzioni di trasferimento dei filtri di primo  ordine e di secondo ordine. Realizzazione a componenti passivi e con amplificatore operazionale e rete RC.  Risonatore LCR del secondo ordine e realizzazione di funzioni filtranti del secondo ordine. Utilizzo del quarzo piezoelettrico e determinazione delle risonanze. Filtri attivi universali basati su doppio integratore: biquad KHN e biquad Tow-Thomas. Filtri attivi riquadratici a singolo amplificatore. Amplificatori accordati: principio fondamentale, amplificatori con circuiti accordati multipli, sintonizzazione sincrona, accordo sfasato.

Circuiti analogici non lineari. Realizzazione circuitale di funzioni esponenziali e desensibilizzazione in temperatura. Realizzazione della funzione inversa. Moltiplicatori ad un quadrante, a due quadranti e a quattro quadranti. Cella di Gilbert. Circuiti per la conversione tensione-corrente e corrente-tensione nei moltiplicatori a quattro quadranti.

Oscillatori sinusoidali. Cenni alla stabilità del punto di riposo, innesco esponenziale e innesco sinusoidale e relazione con la posizione dei poli. Oscillatori sinusoidali in retroazione: schema a blocchi e principio di funzionamento. Caratteristiche del blocco diretto e di retroazione, equazione caratteristica. Analisi nel dominio del tempo e della frequenza, determinazione della funzione filtrante, determinazione della frequenza di oscillazione. Funzione descrittiva, condizione di innesco. Stabilità della frequenza e della ampiezza di oscillazione: considerazioni. Oscillatore a ponte di Wien, oscillatore a sfasamento. Resistenze differenziali negative di tipo S ed N ed impiego in oscillatori. Oscillatori corrente-tensione a doppio bipolo, oscillatori a tre-punti: equazioni di progetto, oscillatori di Colpitts e Hartley, proprietà della tensione di uscita dal blocco non-lineare tensione-corrente. Analisi degli effetti delle non-idealità sulle proprietà degli oscillatori a 3 punti.