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Materiali: prima classificazione n Conduttori : sostanze nelle quali alcune o tutte le cariche elettriche possono muoversi liberamente sotto l'azione di.

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Presentazione sul tema: "Materiali: prima classificazione n Conduttori : sostanze nelle quali alcune o tutte le cariche elettriche possono muoversi liberamente sotto l'azione di."— Transcript della presentazione:

1 Materiali: prima classificazione n Conduttori : sostanze nelle quali alcune o tutte le cariche elettriche possono muoversi liberamente sotto l'azione di forze elettriche (elettroni di conduzione nei metalli, ioni nelle soluzioni acquose). n Isolanti (dielettrici): gli elettroni sono vincolati agli atomi (es.: vetro, ebanite). n Semiconduttori: classe di materiali intermedia tra i conduttori e gli isolanti per le loro proprietà di condurre elettricità (es. : silicio, germanio). In realtà in questi la conduzione avviene in modo piuttosto peculiare

2 Altri materiali n Superconduttori (scoperti nel 1911; recenti scoperte nel 1997) n Nanotubi e nanofili(scoperti nel 1991)

3 Modalità di conduzione nei solidi n Ciascun elettrone in un solido possiede una energia potenziale (livello energetico) n Risultato fondamentale della meccanica quantistica è che non tutte le energie sono possibili: esse sono discrete e raggruppate in bande n le bande sono separate da regioni che indicano energie che gli elettroni non possono avere: bande proibite n In un solido gli elettroni più esterni sono quelli che formano i legami: elettroni di valenza; banda di valenza n La conduzione avviene se possiamo mettere in moto elettroni (energeticamente: dobbiamo disporre di elettroni in banda di conduzione [energia cinetica]) Energia degli elettroni Banda di conduzione Banda di valenza

4 Modalità di conduzione nei solidi Energia degli elettroni Conduttori: mare di elettroni liberi SiO O O O Isolanti (SiO 2 ) Si Semiconduttori Gap piccolo: salto termico (rottura legame)

5 Semiconduttori intrinseci Si Semiconduttori Gap piccolo: salto termico (rottura legame) n Abbiamo visto che la conduzione avviene per due contributi: elettroni e lacune n La velocità dei portatori è legata al campo da un fattore (di solito dipendente dal campo) definito mobilità Posto: n (m -3 ) = concentrazione degli elettroni p (m -3 ) = concentrazione delle lacune n Per semiconduttori intrinseci n=p

6 Semiconduttori Drogati Si P donatori Drogati n Si B accettori Drogati p

7 Giunzione p-n (diodo) n Semiconduttore drogato n: eccesso elettroni n Semiconduttore drogato p: eccesso lacune p n n Le lacune diffondono in n e gli elettroni i p, lasciando atomi ionizzati (regioni svuotate) E n Gli atomi ionizzati producono un campo che impedisce ulteriore diffusione n La corrente può riprendere solo se si applica una ddp esterna che cancella tale campo elettrico: effetto soglia n Se la ddp esterna produce un campo nella stessa direzione di quello prodotto dagli ioni, aumentano le regioni svuotate

8 Giunzione metallo-semiconduttore (Schottky) n In una giunzione pn entrambe le classi di portatori partecipano al fenomeno della conduzione: i portatori più lenti limitano le prestazioni in velocità n La giunzione Schottky è unipolare: più attraente ad alte frequenze

9 Caratteristica diodi; non linearità e linearizzazione n Un diodo è un oggetto non lineare con caratteristica corrente tensione I=F(V) Se viene applicata una tensione V 0 fissa con sovrapposta una v tale v << V 0 V= V 0 + v possiamo espandere F nellintorno di V 0 n V 0 stabilisce il punto di riposo (bias) n Un diodo polarizzato in diretta si comporta ai piccoli segnali fondamentalmente come una conduttanza n Se polarizzato in inversa la conduttanza è trascurabile e solo la corrente di spostamento attraverso lo strato svuotato conta: diventa una capacità

10 Caratteristica diodi; non linearità e linearizzazione Ora però immaginate che il punto di riposo sia stabilito da una tensione oscillante V LO con pulsazione LO Allo stesso tempo il segnale applicato v=v RF è ad una pulsazione RF e soddisfa la condizione di piccolo segnale n La corrente che scorre è In pratica g varia alla frequenza LO (e relative armoniche…idealmente trascurabili) mentre v RF a RF: : è un MIXER n Un mixer fa idealmente il prodotto di due segnali: per esempio se n Traslazione in frequenza

11 Problematiche aggiuntive mixer La non linearità, specie se troppo marcata, produrrà molteplici prodotti di intermodulazione (dovuti ai termini superiori dellespansione in serie di Taylor, m LO +n RF con m,n interi n I (o alcuni) prodotti di intermodulazione possono essere eliminati attraverso: u filtraggio u configurazioni particolari (es: se la F(V), ottenuta combinando elementi non lineari ha simmetria dispari, solo armoniche dispari sono generate) Tali prodotti possono essere usati per realizzare mixer che non usino LO ma suoi multipli (mixer subarmonici) n Nella conversione di frequenza per mezzo di diodi si ha una perdita di conversione (tipicamente 4-7dB); tale perdita può essere compensata se si usano le non linearità di dispositivi attivi (transistor, tipicamente FET)

12 Mixer bilanciato: ibrido 90° 0° 90° 180 ° n Ottimo adattamento ad RF ed LO n Scarso isolamento LO ad RF ( e viceversa) RF LO

13 Mixer bilanciato: ibrido 180° 0° 180° 360° n Scarso adattamento ad RF ed LO n Ottimo isolamento LO ad RF ( e viceversa) RF LO n Eventuali residui di LO ed RF sono mappati in uscita in controfase: se i segnali vengono combinati LO si cancella

14 FET a microonde n Un FET ha unimpedenza di ingresso molto alta (almeno in bassa frequenza): più facile adattare (?) n In particolare un FET Metallo Semiconduttore è unipolare: indicato per applicazioni ad alta frequenza.

15 FET a microonde n Nei MESFET la velocità di saturazione viene raggiunta a livelli di campo relativamente bassi: conseguono effetti particolari come la formazione di domini di carica (domini di Gunn) n Infatti raggiunta la velocità di saturazione, incrementi della ddp spostano solo verso il source il punto in cui la velocità è raggiunta; alla fine quasi tutto il canale è percorso alla velocità di saturazione n Se si aumenta la ddp, la continuità della carica impone che in prossimità della riduzione di sezione vi sia un accumulo di carica

16 FET a microonde: circuito equivalente n Non diverso da un FET standard; ora però, a microonde capacità di pochi femtofarad sono di importanza notevole n Negli amplificatori di potenza (multifinger), Cg può essere piuttosto grande: bassa impedenza di ingresso e difficoltà ad adattare n Cgd agisce come feedback positivo: limita la stabilità del dispositivo

17 Un FET particolare: HEMT n HEMT: acronimo di High Electron Mobility Transistor; chiamati anche MODFET (Modulation Doped FET) n I materiali vengono combinati così da ottenere un fenomeno detto pozzo quantico: in pratica si forma una buca di potenziale allinterfaccia tra due materiali dove si raccolgono alcuni degli elettroni provenienti da uno strato drogato n Il Gas elettronico (2DEG) viaggia in uno strato non drogato, e quindi con meno probabilità di collisione con impurità: maggiore mobilità (quindi velocità) e maggiore transconduttanza

18 Caratterizzazione degli amplificatori: guadagno n Guadagno di potenza (transducer power gain): rapporto tra potenza ceduta al carico e potenza disponibile dalla sorgente n Guadagno unilaterale (S 12 =0)

19 Caratterizzazione degli amplificatori: guadagno n Massimo Guadagno Unilaterale o massimo guadagno disponibile (MAG: Maximum Available Gain): è quello che si ottiene se si la rete è adattata al complesso coniugato del carico

20 Stabilità n TEOREMA: (Teorema del progettista) Quando si progetta un amplificatore si ottiene MOLTO PIU facilmente un oscillatore (ovviamente indesiderato) n Corollario Quando si progetta un oscillatore è maledettamente facile realizzare un eccellente amplificatore

21 Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n I coefficienti di riflessione allingresso e alluscita dellamplificatore sono

22 Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n Il circuito è INCONDIZIONATAMENTE STABILE se possiamo connettere carichi e sorgenti arbitrari. Questo è assicurato se Restringendo lattenzione a carichi per cui S e L sono in modulo <1, queste condizioni portano a definire n Coefficiente di Rollet o di stabilità

23 Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n Se K>1 possiamo ottenere il massimo guadagno risolvendo il sistema n Da cui si ottengono

24 Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità Se K 1occorre essere sicuri che per i carichi scelti in e out siano 1 Graficamente è possibile tracciare i luoghi con | in |=1 e | out |=1 sui piani complessi che rappresentano L e S (rispettivamente): CdS n Si tratta di cerchi con raggio e centro rispettivamente

25 Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n Lorigine corrisponde al caso in cui il carico (o la sorgente) è pari allimpedenza di normalizzazione. In tal caso (rispettivamente) sappiamo che in =S11 ( out =S22): quindi se il modulo di S11 (S22) è minore di uno lorigine rappresenta un punto stabile della carta del carico (Sorgente) n Altrimenti lorigine rappresenta un punto instabile. In tal modo possiamo capire se è larea INTERNA o larea ESTERNA del cerchio di stabilità a rappresentare i punti stabili

26 Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità Casi in cui lorigine è un punto stabile:

27 Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità Se lampli è incondizionatamente stabile, il MAG può essere riscritto in termini del coeff di Rollet: Altrimenti si definisce il MASSIMO GUADAGNO STABILE

28 Rumore n In uscita troviamo del segnale anche in assenza di segnale allingresso: il rumore n In generale quindi in uscita avremo il rumore del segnale in ingresso, amplificato con il segnale stesso, più il rumore generato dallamplificatore. Un figura di merito è la Figura di Rumore: F=rapporto tra il S/N allingresso ed il S/N alluscita n Quindi un dispositivo migliore ha figura di rumore più piccola

29 Rumore n Un due porte rumoroso può essere rappresentato come un due porte privo di rumore con allingresso generatori (tensione e corrente) di rumore n Se ci fosse solo un generatore di corrente, unimpedenza di sorgente minima ridurrebbe la corrente di rumore che entra nel due porte 2-porte senza rumore vnvn inin n Viceversa, se ci fosse solo il generatore di tensione, sarebbe auspicabile una impedenza di sorgente grande

30 Rumore n In generale esisterà una impedenza di sorgente ottima che minimizza la quantità di rumore che entra nel due porte n Possiamo pensare a questa come allimpedenza che rende disadattato il rumore, pur lasciando relativamente adattato il segnale utile I costruttori forniscono quindi di solito una opt n Quindi Zopt è il valore che dovrebbe avere limpedenza di sorgente per avere la minima figura di rumore

31 Rumore n Se limpedenza di sorgente non corrisponde alla ottima, si calcola la figura di rumore effettiva n Quindi il disegno per il minimo rumore consiste in: trasformare limpedenza di sorgente (tipicamente quella di sistema, 50 ) in Zopt u trasformare limpedenza di carico in modo tale che

32 Polarizzazione (Bias) n La polarizzazione determina la CLASSE dellamplificatore (A, AB, B, F, G ecc.). Un amplificatore lineare (A) è polarizzato in modo che il transistor sia accese durante tutto il ciclo del segnale di ingresso. n La polarizzazione va garantita influenzando il meno possibile le prestazioni a RF: le tensioni e correnti di polarizzazione vanno fornita attraverso induttori o stub che impediscano alla RF di vedere il circuito di alimentazione n Le considerazioni relative alla stabilità del punto di riposo (in temperatura, rispetto a variazioni dei parametri ecc.) sono comuni al progetto di ampli in bassa frequenza

33 Comportamento non lineare n Un amplificatore è considerato lineare se la potenza in uscita cresce linearmente con la potenza di ingresso n Quando la potenza di uscita si allontana dalla retta ideale di 1 dB si individua il punto di compressione ad 1dB n Quando il dispositivo cessa di essere lineare nascono i prodotti di intermodulazione, con potenza via via crescente n I prodotti più pericolosi sono di ordine 3 (m+n=3) n Quando la potenza dei prodotti di intermodulazione di ordine 3 uguaglia il segnale utile si ha lintercetta di 3 ordine: questa consente di ricavare con alcune semplici formule, il livello delle armoniche alle altre potenze, ed è perciò un parametro importante


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