Circuiti per la microelettronica

L. Capineri ha redatto il capitolo 9 "Risposta in Frequenza" . Ad eccezione di brevi commenti nei Paragrafi 4.6.8 e 5.6.8, Iil nostro studio degli amplificatori a transistore nei Capitoli da 4 a 7, ha assunto che il loro guadagno sia costante indipendentemente dalla frequenza del segnale di ingresso. Questo implicherebbe che la loro banda sia infinita, cosa ovviamente impossibile! Per illustrare ciò, mostriamo in Fig. 98.1 un diagramma dell’ampiezza del guadagno in funzione della frequenza del segnale di ingresso di un circuito amplificatore discreto a BJT o MOS. Si osservi che c’è infatti un ampio range di frequenze nel quale il guadagno è praticamente costante, ed è questo il range di frequenze di funzionamento utile per il particolare amplificatore. Finora, abbiamo supposto che i nostri amplificatori operino in questa banda, chiamata banda di frequenze intermedie o centro banda. L’amplificatore è progettato in modo tale che la sua banda intermedia coincida con lo spettro di frequenza del segnale da amplificare. Se questo non si verificasse, l’amplificatore distorcerebbe lo spettro di frequenza del segnale di ingresso, con le diverse componenti dello stesso amplificate in misura diversa. La Figura 98.1 evidenzia che a basse frequenze, l’ampiezza del guadagno dell’amplificatore si riduce. Questo accade perché i condensatori di accoppiamento e di bypass non presentano più basse impedenze. Si ricordi che abbiamo supposto che le loro impedenze fossero sufficientemente piccole per comportarsi come cortocircuiti. Anche se questo può essere vero alle frequenze intermedie, al diminuire della frequenza del segnale di ingresso la reattanza 1/jC di ognuna di queste capacità diventa significativa e, come sarà mostrato nella Sezione 98.1, questo comporta un decremento del guadagno di tensione totale dell’amplificatore. Nell’analisi della risposta in bassa frequenza degli amplificatori a circuiti discreti del Paragrafo 98.1, ci occuperemo in particolare della determinazione della frequenza fL, che definisce l’estremo inferiore della banda intermedia. Di solito, fL è la frequenza alla quale il guadagno si riduce di 3 dB al di sotto del suo valore in banda intermedia (di centro banda). I circuiti amplificatori integrati non utilizzano i condensatori di accoppiamento e di bypass, quindi la loro banda intermedia si estende fino alla frequenza zero (dc), come mostrato in Figura 9.2. Lea Figurea 98.1 e 9.2 indicano anche che il guadagno dell’amplificatore decade alle alte frequenze. Ciò è dovuto agli effetti delle capacità interne nel BJT e nel MOSFET. Studieremo questi effetti nel Paragrafo 98.2 e li modelleremo con capacità che aggiungeremo al modello a -ibrido del BJT e del MOSFET. I risultanti modelli in alta frequenza saranno utilizzati nel Paragrafo 98.3 nella analisi della risposta in alta frequenza degli amplificatori CS e CE, sia discreti che integrati. Ci occuperemo specificamente della determinazione della frequenza fH, che definisce il limite superiore della banda intermedia. Essa è definita come la frequenza alla quale il guadagno si riduce di 3 dB al di sotto del suo valore in banda intermedia. Perciò, la larghezza di banda dell’amplificatore è definita da fL e fH (0 e fH per gli amplificatori integratiCI). BW= fH - fL (valida per amplificatori a componenti discreti) BW= fH (valida per amplificatori integrati) Una cifra di merito per l’amplificatore è il prodotto guadagno-banda, definito come GB = |AM| BW Nel seguito sarà mostrato che nel progetto di un amplificatore, è normalmente possibile trovare un compromesso tra guadagno e larghezza di banda. Il resto del capitolo sarà dedicato all’analisi della risposta in frequenza di una varietà di configurazioni di amplificatori con diversi gradi di complessità. Di particolare interesse per noi sono le soluzioni per ampliare la larghezza di banda dell’amplificatore (cioé, aumentare fH) sia aggiungendo componenti circuitali specifici, come resistenze di degenerazione al source e all’emettitore, sia cambiando del tutto la configurazione. Prima di impegnarci nello studio di questo capitolo, può essere utile rivedere il Paragrafo 1.6, che introduce il tema della risposta in frequenza degli amplificatori e l’argomento estremamente importante dei circuiti a costante di tempo singola (STC). Altri dettagli sui circuiti STC si trovano nell’Appendice E. InoltreInoltre, l’Appendice F fornisce una sintesi di importanti risultati della teoria dei circuiti e dei sistemi: poli, zeri e diagrammi di Bode. Infine, una osservazione sulla notazione: poiché saranno utilizzate grandezze che dipendono dalla frequenza, oppure, equivalentemente, la variabile di Laplace s, sarà usata la notazione con lettere maiuscole e pedici con lettere minuscole per i simboli. Questa notazione è conforme con quella introdotta per i simboli nel capitolo 1.