Linee di trasmissione

Laboratorio di Elettronica Dispositivi elettronici e circuiti Linee di trasmissione.

Misure su linee di trasmissione.

Amplificatore operazionale e reazione.

Applicazioni dell'amplificatore operazionale.

Realizzazione di circuiti con operazionali e misura  delle caratteristiche.

Trasporto di carica nei semiconduttori.

Dispositivi a semiconduttore: diodo a giunzione,  transistor bjt, jfet e mosfet.

Modelli lineari e non lineari di diodi e transistor.

Misure dei comportamenti dinamici di un diodo.

Esempi di circuiti di impiego di diodi e transistor.

Elettronica digitale:

   * porte logiche    * algebra di Boole

   * famiglie logiche (CMOS e TTL)

   * reti logiche combinatorie e sequenziali

Costruzione e collaudo di un contatore modulo N.

Prerequisiti

Leggi dei circuiti elettrici: 

       Ohm, Kirchhoff, Thevenin, Norton Elementi lineari dei circuiti:

       resistenze, condensatori, induttanze, generatori Analisi di Fourier

Testi di riferimento

J. Millman & A. Grabel – Microelectronics      (McGraw­Hill, 1987)

R.C. Jaeger – Microelectronic Circuit Design       (McGraw­Hill, 1997)

P. Horowitz & W. Hill – The Art of Electronics       (Cambridge University Press, 1989)

Appunti on line

Marcello Carla'  ­  carla@ fi.infn.it Dip. di Fisica – lab. 22 ­ studio 126 tel. 055 457 2055 / 2013 / 2060

http://studenti.fisica.unifi.it/~carla/appunti

Elettronica Analogica

Le variabili elettriche di un circuito (tensioni e  correnti) sono funzioni, per lo piu' continue, ma  non necessariamente lineari, dei segnali.

Segnale: grandezza fisica che interessa conoscere o  misurare (perche' contiene informazione)

Elettronica Digitale

Le  variabili  elettriche  hanno  solo  due  valori  discreti, indicati convenzionalmente con 0 ed 1. 

Codici di 0 e 1 rappresentano numericamente i  segnali.

Elaborazione Elettronica Analogica dei segnali

●Amplificazione (o attenuazione)

●Filtraggio

●Trasformazioni non lineari

Lo strumento di misura ha un suo campo (range) di lavoro  ottimale. I valori del segnale possono essere fuori di questo  campo perche' troppo piccoli o troppo grandi.

Ogni segnale ed ogni strumento di misura sono affetti da  rumore. Rendere il piu' alto possibile il rapporto 

segnale/rumore significa ridurre l'errore di misura.

L'informazione che interessa puo' essere contenuta in una  funzione non lineare del segnale. Ad esempio: l'intensita' del  segnale supera o no un certo valore di soglia?

Elaborazione Elettronica Digitale dei segnali

● Operazioni logiche elementari

● Operazioni logiche combinatorie

● Operazioni logiche sequenziali

Gli  elementi  di  base  dell'elettronica  digitale  sono  le  porte  logiche,  circuiti  che  eseguono  le  operazioni  logiche  AND,  OR,  NOT tra le variabili logiche.

Utilizzando le porte logiche si possono realizzare reti capaci  di  eseguire  operazioni  logiche  e  matematiche  che  sono  funzioni  complesse  dei  valori  delle  variabili  logiche  di  ingresso.

Reti logiche in cui il valore delle variabili di uscita dipende  dal valore delle variabili di ingresso e dalla storia precedente  della rete (reti dotate di memoria).

Linee di trasmissione

Un  sistema  di  conduttori  paralleli,  a  sezione  uniforme  e  caratteristiche costanti sulla lunghezza e' una linea di trasmissione.

Linea di trasmissione bifilare (piattina)

Linea di trasmissione coassiale

Linee di trasmissione

In una linea di trasmissione resistenza, capacita', induttanza e  conduttanza sono distribuiti su tutta la lunghezza della linea

C   capacita'          L   induttanza       R   resistenza       

G   conduttanza   

}

Z = R + jL    impedenza

Y = G + jC   ammettenza

}

Linea di trasmissione coassiale per grosse  potenze, con dielettrico aria.

Diametro conduttore interno: 32 mm

Diametro conduttore esterno: 76 mm

Potenza massima: 300 kW a 2 MHz

Linee di trasmissione – trasformazione di impedenza

Linea di trasmissione in cortocircuito con R₀ = 50 .

Linea di trasmissione aperta con R₀ = 50 . Linea con perdite senza perdite

 Segnali a banda larga e a banda stretta

Segnale audio:       20 Hz – 20 kHz Impulsi da fotomoltiplicatore:       20 kHz – 500 MHz Segnale televisivo in banda UHF, canale 61:       790 – 798 MHz

 Propagazione di un segnale a banda larga 

Riflessione di un segnale

a banda larga 

Riflessione di un segnale a gradino

Oscilloscopio Tektronix 2245A

Generatore di funzioni hp8111A

1) Misurare, in trasmissione o in riflessione, la lunghezza elettrica T_L della linea.

2) Dal valore di T_L e dalla lunghezza geometrica calcolare la velocita' di propagazione dei segnali lungo la  linea e la costante dielettrica dell'isolante interno.

3)  Terminare  la  linea  con  una  resistenza  variabile  (0  ...  100  );  dalla  condizione  di  riflessione  nulla  verificare l'impedenza caratteristica.

4) Misurare l'impedenza complessa della linea aperta per alcune frequenze, comprese tra 0 e  1 / T_L .  Tra la  tensione  V₀  che  si  ha  all'oscilloscopio  con  la  linea non  collegata e  la  tensione  V₁  che  si  ha  con  la linea  collegata vale la relazione:

      V₁ = V₀  Z_L / (50  + Z_L)

Dai  valori  complessi  (modulo  e  fase)  di  V₀  e  V₁  calcolare  il  valore  (complesso)  di  Z_L  (sincronizzare  oscilloscopio e generatore tramite trigger.

Misure su una linea di trasmissione

Misura della lunghezza elettrica di una linea di trasmissione

Il  generatore  ha  una  resistenza di uscita di  50 

Linea a 50 

L'oscilloscopio ha una impedenza di ingresso di 1 M

(e  20  pF)  e  permette  di  “osservare”  il  segnale  al  passaggio senza interferire

Terminazione della linea  Segnale inviato 

dal generatore Segnale riflesso  con linea aperta

Segnale riflesso con  linea in cortocircuito

t t V V

2 T 2 T

generatore di impulsi

oscilloscopio

fig:lunghezza_elettrica

Misura in riflessione

Linea a 50  Segnale all'inizio 

della linea

t t V V

T T

Segnale alla fine  della linea

Terminazione

fig:lunghezza_trasmissione

Misura in trasmissione

 1) Misurare, in trasmissione o in riflessione, la lunghezza elettrica T_L della linea.

 2) Dal valore di T_L e dalla lunghezza geometrica calcolare la velocita' di propagazione dei segnali lungo la linea  e la costante dielettrica dell'isolante interno.

Misura della  impedenza caratteristica di una linea di trasmissione

Linea a 50 

Segnale inviato 

dal generatore Segnale riflesso  con linea aperta

Segnale riflesso con  linea in cortocircuito

t t V V

2 T 2 T

Terminazione della linea

Linea di  impedenza Z

3) Terminare la linea con una resistenza variabile  (0 ... 100 ); dalla condizione di riflessione nulla  verificare l'impedenza caratteristica.

Linea aperta trigger

Misura dell'impedenza trasformata da una linea di trasmissione generatore di segnale sinusoidale

a frequenza variabile oscilloscopio

V

V

= Z

50 Z

V₀   tensione all'oscilloscopio con linea non collegata V₁   tensione all'oscilloscopio con linea collegata Z_L  Impedenza equivalente della linea

4) Misurare l'impedenza complessa della linea aperta per alcune frequenze, comprese tra 0 e  1 / T_L 

V

, V

 e Z

 sono 

quantita complesse