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Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 – L2

LNA (low noise amplifier)

amplificatori di ingresso RX:

- basso rumore

- ampia dinamica

PA (power amplifier)

amplificatori di potenza TX:

- alto rendimento

- basso contenuto di armoniche

Circuiti con transistori

I circuiti a RF comprendono amplificatori accordati con richiesta di ampia dinamica e basso rumore (Rx) o alto rendimento e buona linearità (Tx).


Analisi di amplificatore con BJT

• Richiami sui transistori in linearità– Polarizzazione di uno stadio amplificatore e punto di lavoro– Guadagno di tensione– Dinamica di uscita– Banda passante– Polarizzazione in corrente

• Transistori fuori linearità• Come sfruttare le non linearità

» Compressore di dinamica.» Moltiplicatore di frequenza.


Circuito di riferimento per BJT

• Uno dei circuiti più utilizzati per la realizzazione di stadi amplificatori a BJT con un solo stadio è:


Modello di transistore bipolare

• Modello semplificato per la polarizzazione

• Modello semplificato per il segnale

B C

E

IB

hFE IB


Analisi del circuito di riferimento

• Punto di Lavoro– i parametri dipendono da IC e VCE– IC dipende dalla maglia BE; approssimativamente IC ≈ IE– VCE dipende dalla maglia CE

RE =ZE(0)


Stabilità del punto di lavoro

• A parità di altre condizioni, la stabilità del punto di

lavoro migliora

– rispetto alle variazioni di VBE all’aumentare del valore di VBB

(determinato dal partitore di ingresso)

– Rispetto alle variazioni di guadagno di corrente hFE rendendo

la caduta su RB trascurabile rispetto a VBB-VBE


Analisi del circuito di riferimento

• Circuito equivalente per il calcolo del guadagno con modello lineare

• vo = -iC ZC; iC = iB hfe; vi = iB hie + iB(1 + hfe) ZE


Risultato con modello lineare

• Guadagno con modello lineare

• Se hfe è >> 1


Espansione della ZE

Per poter controllare in modo indipendente punto di lavoro e guadagno, ZEè realizzata con un gruppo RC:

Il punto di lavoro dipende da RE1+RE2

• Il guadagno dipende da RE2

•Se RE2=0 il guadagno diventa: mCTfe

CfeC

ie

feCv gZ

VhIhZ

hhZA ⋅−=

⋅⋅⋅

−=⋅

−=


Dinamica di uscita

• Per valutare la dinamica disponibile all’uscita dell’amplificatore occorre considerare il funzionamento del transistore nelle due condizioni limite di interdizione e saturazione.

• Si calcola dapprima il ∆VOv a vuoto (unico carico la ZC(0) = RC.

• Da questa il calcolo con un carico esterno prevede l’applicazione della regola del partitore di tensione.

• La dinamica a vuoto è uguale a RC ∆IC (Rc è la resistenza di uscita), allora dobbiamo valutare la corrente di collettore Ic nelle due condizioni limite.


Dinamica di uscita

• In interdizione la corrente di collettore è nulla.• In saturazione la corrente IC vale:

• che è anche la massima escursione di corrente, quindi:

2

'

EC

ECESCCCS RR

VVVI+

−−=

( )'

2ECESCC

EC

CCSCov VVV

RRRIRV −−+

==∆


Dinamica di uscita

• Da ∆V0v è possibile ricavare la dinamica per un carico qualsiasi ∆V0L:


Banda passante

•Un amplificatore deve essere progettato in modo tale da limitare la banda passante alle sole frequenze di interesse, onde evitare l’introduzione di rumore e segnali fuori banda.

•La banda passante dipende dai componenti reattivi del circuito.

Nel caso di un amplificatore BJT ad E.C., i componenti che determinano la banda passante sono i condensatori di accoppiamento in ingresso ed in uscita, la CE ed

eventuali altre capacità.

Cella passa-alto

Cella passa-basso

Introduce un limite inferiore alla banda

Introduce un limite superiore alla banda


Banda passante


Altre tecniche di polarizzazione

SR

RSi

VV

Sii IIIeII T

BEi

⋅==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−−=

SR

RTBER

EEBERCCR

IIVV

RVVVI

ln

Essendo la VBE uguale per tutti:

• In realizzazioni integrate è bene ridurre il numero delle resistenze.

• Si adottano quindi schemi di polarizzazione con generatori di corrente che permettono di polarizzare la base senza il partitore resistivo.

La corrente di riferimento è:


Altre tecniche di polarizzazione

E’ possibile generare correnti diverse a partire da un’unica corrente di riferimento dato che ISi dipende, a parità di processo e di altre condizioni, dall’area della giunzione BE.

Il valore effettivo della base è del tutto

irrilevante, purché il transistore sia

correttamente polarizzato.


Transistori fuori linearità

Analizziamo il funzionamento di stadi amplificatori a BJT rimuovendo l’ipotesi di piccolo segnale (non possiamo più usare modelli lineari per i dispositivi):

Facciamo riferimento al circuito:

• Ci rende indipendente dalla rete di polarizzazione (consente di mettere in evidenza il solo comportamento per i segnali)

• Qualsiasi rete di polarizzazione può essere ricondotta a questo circuito.


Transistori fuori linearità (Modello nonlineare)

• Segnale di ingresso sinusoidale– vi(t) = Vi cos ωi t– x = Vi / VT

– VBE = Vi + VE

• Equazione logaritmica della giunzione

• corrente di collettore:

twxVV

SVv

VV

SCiT

E

T

i

T

E

eeIeeIi cos==


Modello nonlineare

• Possiamo sviluppare excos ωt in serie di Fourier:

dove In(x): funzione di Bessel modificata di I specie, ordine n (Tabelle)

• La corrente di collettore con modello nonlineare sarà:


Modello nonlineare


Modello nonlineare

• Sostituendo questa espressione nella componente della tensione di uscita si ha:

Non consideriamo il segno di vo


Modello nonlineare

Uno stadio di questo genere può essere considerato in linearità per tensioni di ingresso massime di 2.6 mV di picco (x=0.1). In questo caso la distorsione di

II armonica è circa del 2.5%.

La distorsione del segnale di uscita dipende dal contenuto di armoniche

rispetto alla fondamentale


Ampiezza di fondamentale e armoniche

Ampiezza delle varie componenti del segnale vo

Ampiezza relativa delle armoniche nelsegnale vo


Esempio di spettro di uscita di un amplificatore

• Livelli delle armoniche per Vi pari a 13 mVp e 52 mVp


Comportamento per piccolo segnale


Trasconduttanza per ampio segnale

• Possiamo definire una relazione che lega la componente fondamentale in uscita con il segnale di ingresso (avente qualsiasi ampiezza):

• Gm è la transconduttanza per ampio segnale• dipende dal punto di lavoro del transistore (tramite gm)• Dipende dall’ampiezza del segnale di ingresso (tramite x)


Variazione del guadagno

• All’aumentare del segnale di ingresso diminuisce il guadagno


Effetti della non linearità

• Distorsione– segnale di ingresso sinusoidale– segnale di uscita non sinusoidale

» presenza di armoniche

• Variazione del guadagno– il guadagno per la fondamentale dipende dal livello del

segnale di ingresso– compressione:

» aumentando il segnale di ingresso il guadagno diminuisce


Come migliorare la linearità

• Per ridurre distorsione e compressione:

– RE o altra controreazione» viene ridotta l’ampiezza effettiva del segnale presente

sull’elemento non lineare (giunzione)

– circuito accordato in uscita» attenua le componenti armoniche

(non modifica l’effetto di compressione)


Controreazione sull’emettitore


Amplificatori accordati


Applicazioni fuori linearità

• Sfruttare la presenza di armoniche:– moltiplicatori di frequenza

» amplificatore accordato su una delle armoniche

• Sfruttare la variazione di guadagno:– compressori di dinamica

» lavorare nella zona di massima compressione(x tra 3 e 10 circa)


Moltiplicatori di frequenza

• Il segnale di ingresso ha pulsazione ωi.

• Nella ic sono presenti le armoniche della vi

• Un circuito accordatoestrae l’armonicadesiderata


Compressori di dinamica

Zona di compressione

Il guadagno varia rapidamente con l’ampiezza x del segnale

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