Elettronica Analogica: Semiconduttori, Diodi, BJT e Amplificatori Operazionali

Flashcard di vocabolario tecnico per il corso di Elettronica, focalizzate sui dispositivi a semiconduttore (diodi, BJT), circuiti lineari e non lineari con amplificatori operazionali, filtri attivi, operatori dinamici e generatori di segnale.

Silicio intrinseco

Semiconduttore puro in cui ciascun atomo condivide i propri quattro elettroni di valenza mediante legami covalenti con gli atomi adiacenti; la rottura termica dei legami genera coppie formate da un elettrone mobile e una lacuna in ugual concentrazione.

Lacuna

Modalità descrittiva del trasporto di carica associata a una posizione vacante lasciata libera da un elettrone in un legame covalente; si comporta convenzionalmente come un portatore di carica mobile positivo che si sposta nel reticolo al muoversi degli elettroni adiacenti.

Drogaggio di tipo n

Introduzione intenzionale nel reticolo cristallino di atomi donatori aventi cinque elettroni di valenza (come il fosforo); il quinto elettrone è debolmente legato e diviene mobile, rendendo gli elettroni i portatori maggioritari e le lacune i portatori minoritari.

Drogaggio di tipo p

Introduzione controllata nel reticolo di silicio di atomi accettori aventi tre elettroni di valenza (come il boro); l'assenza di un quarto elettrone per completare i legami crea una lacuna, rendendo le lacune i portatori maggioritari e gli elettroni i minoritari.

Regione di svuotamento

Zona attorno all'interfaccia di una giunzione $p\text{-}n$ impoverita di portatori mobili a causa della ricombinazione; è caratterizzata da cariche fisse di donatori ionizzati positivi sul lato n e accettori ionizzati negativi sul lato p, che originano un campo elettrico interno opposto alla diffusione e una barriera di potenziale di circa $0.7\,V$ nel silicio.

Polarizzazione inversa (giunzione p-n)

Condizione in cui il polo positivo di un generatore esterno è applicato al lato n e quello negativo al lato p ($v_D < 0$); il campo applicato rafforza il campo interno, allargando la regione di svuotamento ed elevando la barriera, con il passaggio della sola debole corrente inversa di fuga fino all'eventuale tensione di breakdown.

Polarizzazione diretta (giunzione p-n)

Condizione in cui il polo positivo del generatore esterno è collegato alla regione p e quello negativo alla regione n ($v_D > 0$); la tensione esterna riduce la barriera di potenziale e assottiglia la regione di svuotamento, consentendo ai portatori maggioritari di fluire e determinando una corrente a crescita rapida.

Modello ideale del diodo

Modello a due stati in cui il diodo in interdizione agisce come un circuito aperto ($i_D = 0$ con $v_D \le 0$) e in conduzione agisce come un cortocircuito a caduta nulla ($v_D = 0$ con $i_D \ge 0$).

Modello a caduta di tensione costante del diodo

Rappresentazione circuitale che associa al diodo conduttore una caduta costante $V_D \approx 0.7\,V$ modellata con un generatore ideale in serie a un diodo ideale ($v_D = V_D$ con $i_D \ge 0$), mentre nello stato di interdizione prevede $i_D = 0$ per $v_D \le V_D$.

Raddrizzatore a semionda

Circuito formato da un diodo in serie a un generatore alternato e a un carico resistivo; conduce durante le semionde positive trasferendole al carico ($v_O = v_I$ per il modello ideale) e si interdice durante quelle negative ($v_O = 0$), convertendo una sinusoide a media nulla in un segnale unidirezionale a valore medio positivo.

Raddrizzatore a ponte con livellamento capacitivo

Ponte a quattro diodi che indirizza entrambe le semionde dell'alternata nello stesso verso sul carico attraverso percorsi che impegnano due diodi conduttivi per volta; il condensatore in parallelo al carico immagazzina carica sui picchi e si scarica lentamente nelle fasi di interdizione, riducendo l'escursione a un'ondulazione residua.

Transistor bipolare a giunzione (BJT)

Dispositivo a semiconduttore a tre terminali (emettitore E, base B, collettore C) e due giunzioni ($BE$ e $BC$), prodotto nelle strutture complementari npn e pnp, in cui il controllo della corrente nella giunzione base-emettitore pilota la corrente circolante nel collettore.

Regione attiva diretta (BJT)

Stato operativo del transistor bipolare caratterizzato dalla giunzione base-emettitore polarizzata direttamente ($V_{BE} \approx 0.7\,V$) e dalla giunzione base-collettore polarizzata inversamente ($V_C > V_B$ per transistor npn); la corrente di collettore è controllata linearmente dalla corrente di base secondo la relazione $I_C = \beta I_B$.

Saturazione (BJT)

Regione di funzionamento in cui entrambe le giunzioni ($BE$ e $BC$) sono polarizzate direttamente ($V_C < V_B$ per npn); il percorso collettore-emettitore offre una bassa resistenza con caduta residua limitata a $V_{CE,sat} \approx 0.2\,V$, assimilabile a un interruttore chiuso la cui corrente è imposta dal circuito esterno.

Interdizione (BJT)

Regione operativa in cui la tensione base-emettitore non è sufficiente ad accendere la giunzione e la giunzione $BC$ è inversa; le correnti nei terminali sono trascurabili e il percorso collettore-emettitore si comporta come un interruttore aperto, lasciando il collettore al potenziale imposto dal circuito di alimentazione.

Guadagno di corrente a emettitore comune ($\beta$)

Parametro adimensionale caratteristico del transistor bipolare in regione attiva diretta ($\beta \gg 1$), che definisce il fattore di proporzionalità tra la corrente di collettore e la corrente di base: $I_C = \beta I_B$.

Guadagno ad anello chiuso ($A_{CL}$)

Rapporto complessivo di trasferimento tra l'uscita e l'ingresso in un sistema retroazionato negativamente, calcolato mediante la formula $A_{CL} = \frac{A}{1 + A\beta}$; per guadagni ad anello aperto molto grandi ($A\beta \gg 1$), il valore si riduce a $A_{CL} \approx \frac{1}{\beta}$, risultando indipendente dalle non-idealità dell'amplificatore interno.

Amplificatore operazionale ideale

Modello teorico di amplificatore differenziale integrato avente guadagno ad anello aperto infinito ($a \rightarrow \infty$), resistenza d'ingresso infinita con correnti d'ingresso nulle ($i_P = i_N = 0$), resistenza d'uscita nulla e banda passante priva di limitazioni in frequenza.

Cortocircuito virtuale

Proprietà dei circuiti lineari a retroazione negativa stabile con amplificatore operazionale ideale, per cui l'elevato guadagno interno forza la tensione differenziale a zero ($v_D = v_P - v_N \approx 0$ ovvero $v_P \approx v_N$), senza che via sia una connessione fisica o scambio di corrente tra i due terminali.

Massa virtuale

Condizione che si instaura sul terminale invertente ($v_N$) quando il terminale non invertente ($v_P$) è collegato al riferimento di massa ($0\,V$) in una configurazione lineare a retroazione negativa; il nodo invertente viene mantenuto a potenziale nullo pur rimanendo isolato galvanicamente dalla massa reale.

Amplificatore non invertente

Configurazione lineare con segnale applicato al terminale non invertente ($v_P = v_I$) e rete di retroazione costituita da un partitore resistivo ($R_1$, $R_2$); presenta guadagno di tensione $v_O = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)v_I$, fase concorde con l'ingresso e resistenza d'ingresso idealmente infinita.

Inseguitore di tensione (buffer)

Configurazione a retroazione negativa totale ottenuta connettendo direttamente l'uscita al morsetto invertente; fornisce guadagno unitario ($v_O = v_I$) con impedenza d'ingresso infinita e impedenza d'uscita nulla, impiegata per disaccoppiare stadi circuitali ed evitare l'effetto di carico.

Amplificatore invertente

Configurazione lineare in cui il segnale d'ingresso pilota il nodo invertente tramite un resistore $R_1$, il nodo non invertente è posto a massa ($v_P = 0$) e l'anello si chiude con $R_2$; la tensione d'uscita vale $v_O = -\left(\frac{R_2}{R_1}\right)v_I$ e la resistenza d'ingresso vista dalla sorgente è pari a $R_1$.

Sommatore invertente

Circuito lineare a operazionale in cui più ingressi di tensione indipendenti convogliano le rispettive correnti verso il medesimo nodo di massa virtuale attraverso resistori distinti $R_k$, producendo una tensione d'uscita proporzionale alla somma pesata invertita: $v_O = -\sum_k \left(\frac{R_F}{R_k}\right)v_k$.

Frequenza di taglio a -3 dB

Frequenza $f_c$ alla quale il modulo della funzione di trasferimento diminuisce di un fattore $1/\sqrt{2} \approx 0.707$ rispetto al valore nella banda passante, determinando un calo del guadagno quantificato esattamente in circa $-3\,dB$.

Decibel (dB)

Scala logaritmica utilizzata per descrivere rapporti di tensione secondo l'equazione $|A|_{dB} = 20\log_{10}(|A|)$, dove $0\,dB$ indica ampiezza invariata ($1$), $-20\,dB$ ampiezza ridotta a un decimo ($0.1$), $-40\,dB$ ridotta a un centesimo ($0.01$) e $+20\,dB$ amplificata di un fattore dieci ($10$).

Prodotto Guadagno-Banda (GBW)

Grandezza costante $GBW = a_0 f_c = f_t$ che esprime il vincolo dinamico in un operazionale reale compensato a polo dominante, dove $a_0$ è il guadagno a bassa frequenza, $f_c$ è la frequenza di taglio ad anello aperto e $f_t$ è la frequenza di transito a guadagno unitario.

Filtro passa-basso attivo invertente

Circuito del primo ordine in cui la rete di retroazione è formata dal parallelo di $R_2$ e un condensatore $C$, mentre l'ingresso è connesso tramite $R_1$; presenta guadagno in banda passante $H_0 = -R_2/R_1$, frequenza di taglio $f_c = \frac{1}{2\pi R_2 C}$ e pendenza asintotica di attenuazione pari a $-20\,dB/\text{decade}$.

Filtro passa-alto attivo invertente

Filtro del primo ordine avente all'ingresso la serie di un resistore $R_1$ con un condensatore $C$ e una resistenza $R_2$ in retroazione; blocca la continua e attenua le basse frequenze con pendenza asintotica $+20\,dB/\text{decade}$, attestandosi sopra la frequenza di taglio $f_c = \frac{1}{2\pi R_1 C}$ al guadagno di banda ideale $-R_2/R_1$.

Integratore invertente

Operatore analogico lineare con resistore $R$ in ingresso e condensatore $C$ nel ramo di retroazione; genera un'uscita proporzionale all'integrale temporale dell'ingresso ($v_O(t) = v_O(t_0) - \frac{1}{RC}\int_{t_0}^t v_I(\tau)\,d\tau$), caratterizzato nel dominio della frequenza da una pendenza di attenuazione costante pari a $-20\,dB/\text{decade}$.

Derivatore invertente

Operatore analogico realizzato con un condensatore $C$ all'ingresso e un resistore $R$ in retroazione; la tensione d'uscita è proporzionale alla derivata nel tempo dell'ingresso ($v_O(t) = -RC \frac{dv_I(t)}{dt}$) con risposta in ampiezza crescente a $+20\,dB/\text{decade}$, proprietà che accentua i disturbi e il rumore ad alta frequenza.

Trigger di Schmitt invertente

Comparatore con retroazione positiva applicata al morsetto non invertente mediante un partitore ($\beta = \frac{R_1}{R_1 + R_2}$); introduce due soglie di scatto distinte, superiore $V_{TH} = \beta V_{OH}$ e inferiore $V_{TL} = \beta V_{OL}$, garantendo un ciclo di isteresi che elimina false commutazioni provocate da oscillazioni o rumore sul segnale d'ingresso.

Oscillatore a rilassamento

Generatore autonomo di forme d'onda che combina un trigger di Schmitt a retroazione positiva e una rete passiva $RC$ connessa al morsetto invertente; l'uscita commuta periodicamente tra i livelli di saturazione $\pm V_{sat}$ con periodo dipendente dalla carica/scarica esponenziale del condensatore: $T = 2RC\ln\left(\frac{1+\beta}{1-\beta}\right)$.