ELETTRONICA DELLE TELECOMUNICAZIONI
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2016/2017
- Docente
- GIORGIO VANNINI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- ING-INF/01
Obiettivi formativi
- Nel corso, dopo l'introduzione e il richiamo di alcuni concetti di base, vengono esaminate le principali architetture di ricevitori e trasmettitori radio per poi affrontare le più importanti problematiche dei loro componenti circuitali fondamentali (amplificatori di guadagno, amplificatori a basso rumore, amplificatori di potenza, oscillatori controllati in tensione, convertitori di frequenza, anelli ad aggancio di fase). Vengono prese in esame anche le più diffuse tecnologie ed i relativi dispositivi elettronici.
Sebbene il contesto di riferimento sia quello delle trasmissioni radio, le problematiche affrontate sono fondamentali anche nella strumentazione elettronica.
Sulla base di un approccio top-down (che analizza architetture e problematiche di ricevitori e trasmettitori radio, non linearità e rumore in dispositivi e circuiti elettronici, circuiti per catene di ricezione e trasmissione di segnali radio) le principali conoscenze acquisite in ambito elettronico saranno:
- principi di funzionamento e tecnologie di dispositivi, circuiti/sistemi elettronici utilizzati ad alta frequenza nell’ambito delle telecomunicazioni;
- tecniche di analisi e progettazione di circuiti analogici operanti a frequenze elevate.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- analisi e misura delle prestazioni di dispositivi e circuiti elettronici per le telecomunicazioni;
- analisi e progetto di circuiti/sistemi elettronici analogici operanti a frequenze elevate per applicazioni alle telecomunicazioni;
e più nello specifico:
- progettazione di amplificatori a basso rumore, di guadagno e di trasmissione;
- progettazione di massima di mixer e oscillatori;
- caratterizzazione lineare, di rumore e a grande segnale di dispositivi elettronici. Prerequisiti
- E’ necessario avere acquisito e assimilato le seguenti conoscenze:
comunicazioni elettriche (conversione in frequenza, modulazione analogica e numerica, rumore, ecc.); dispositivi elettronici e circuiti elettronici analogici fondamentali (amplificatori per piccoli e grandi segnali, oscillatori); concetti fondamentali della propagazione libera e guidata; strumenti elettronici di misura di base. Contenuti del corso
- Il corso prevede 60 ore di didattica tra lezioni e laboratorio. In particolare sono previste 45 ore di lezione e 15 ore di laboratorio CAD di progettazione.
Concetti di base e generalità (9 ore): non linearità e suoi effetti in dispositivi e sistemi elettronici. Rumore. Parametri fondamentali di un ricevitore radio. Modulatori e de-modulatori (analogici e digitali), Modulazioni a inviluppo costante e problema della ricrescita spettrale. Cenni a tecniche di accesso.
Architetture dei transceiver (5 ore): selezione di banda e canale. Ricevitore eterodina: e problematiche e implementazioni. Ricevitore omodina (zero IF): vantaggi e problematiche. Ricevitore a reiezione di immagine. Trasmettitori a conversione diretta e a doppia conversione.
Amplificatori lineari ad alta frequenza (6 ore): differenze metodologiche con amplificatori per bassa frequenza. Parametri di diffusione e carta di Smith. Reti di adattamento ad “elle”. Topologia di amplificatore RF vs BF. Stabilità: incondizionata stabilità e cerchi di stabilità, fattore K. Massimizzazione del guadagno di trasduzione.
Rumore nei dispositivi elettronici e amplificatori a basso rumore - LNA (6 ore): rumore Johnson, Shot, Flicker, Burst. Modelli di rumore di diodi, BJT e FET. Descrizione del rumore in due porte. Analisi di rumore in presenza di sorgenti incorrelate e correlate. Cifra di rumore, parametri di rumore e loro caratterizzazione sperimentale. Criteri di progetto per amplificatori a basso rumore.
Convertitori di frequenza - mixer (4 ore): singolo e doppio bilanciamento e relative proprietà. Moltiplicatore analogico a due e quattro quadranti (cella di Gilbert). Mixer a trans-conduttanza e switching (a diodi). Cenni a mixer cold-fet. Ibridi ed esempi di realizzazione.
Oscillatori controllati in tensione - VCO (4 ore): richiami sugli oscillatori e sulla stabilizzazione in frequenza (risonatori e quarzi). VCO (varactor). Rumore di fase: effetti in ricezione e trasmissione. Analisi dei fenomeni di generazione del rumore di fase in oscillatori (formula di Leeson). Architetture per oscillatori.
Amplificatori di potenza (8 ore): amplificatori con controllo dell'angolo di conduzione (classe A, B e C). Amplificatori ad alta efficienza: classe F, classe E (cenni a classe D). Problematiche di progetto di amplificatori di potenza. Cenni a semiconduttori composti, dispositivi per alta frequenza (MESFET, HEMT, HBT) e tecnologie per circuiti ibridi e integrati. Tecniche di linearizzazione: back-off, pre distorsione, feed-forward, feed-back, EER e LINC, cenni a ET. Amplificatore di Doherty.
Strumenti CAD per il progetto di circuiti integrati (3 ore): considerazioni sui modelli dei dispositivi. Tecniche numeriche per l’analisi di circuiti lineari e non lineari, statici e dinamici. Tecniche time-domain (Spice) e tecniche frequency-domain (Bilancio Armonico).
Progettazione in laboratorio CAD (15 ore): sviluppo di un progetto di amplificatore di potenza a microonde in un ambiente CAD. Metodi didattici
- Il corso è organizzato nel seguente modo:
lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso;
laboratorio di progettazione. Le attività si svolgono in laboratorio CAD (di informatica), sotto la guida di un tutor. Gli studenti, in funzione del numero, potranno lavorare da soli o in gruppi di massimo due unità. Agli studenti è richiesta una relazione sull'attività svolta in laboratorio. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame è orale e prevede, oltre alla presentazione della relazione sul progetto in laboratorio CAD, domande sugli argomenti svolti a lezione con lo scopo di valutare la comprensione delle problematiche affrontate e la padronanza degli strumenti di analisi e sintesi introdotti.
Per chi frequenta il laboratorio e consegna la relazione finale non costituiscono materia d'esame orale gli strumenti CAD per il progetto di circuiti integrati e gli amplificatori lineari ad alta frequenza.
N.B. La cadenza degli esami è di norma settimanale. Le date vengono fissate solitamente con una o due settimane di anticipo. Per motivi organizzativi la lista d'esame si chiude due giorni prima della data dell'appello.
Il superamento dell’esame è prova dell’aver acquisito la capacità di applicare le conoscenze relative alle architetture dei sistemi radio ed all'analisi e sintesi dei relativi componenti circuitali. Testi di riferimento
- Slide delle lezioni e altro materiale didattico fornito dal docente.
Non esiste un libro di testo che copra l'intero programma del corso. Agli studenti interessati ad approfondire i vari argomenti trattati si consigliano i seguenti testi, tutti reperibili presso la Biblioteca.
B.Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, 1998.
L.E.Larson, RF and microwave circuit design for wireless communications, Artech House, 1997.
G.Ghione, Dispositivi per la microelettronica, McGraw-Hill, 1998.
Ludwig, Bretchko, RF Circuit Design: Theory and Applications, Prentice Hall, 2000.
Rohde, Newkirk, RF/Microwave Circuit Design for Wireless Applications, John Wiley, 2000.
S.C. Cripps, RF power amplifiers for wireless communications, Artech House, 1999 (e successivi).
