We will now talk about synosuidal oscillators with quartz crystals widely used in radio transmitters. When high frequency stability is required, simple LC oscillators are not able to maintain a constant frequency, as they are subject to drift. This drift can be caused by slight variations in supply voltage and changes in temperature.

With the stabilized power supplies the changes in the elimentation voltage are attenuable, but not completely eliminated. Temperature changes are often not controllable and depend on conditions outside the electronic circuit.

Frequency stability of an oscillator ciruito

So variations in the supply voltage and temperature in which the oscillator circuit is located can cause significant variations in the frequency of the oscillator. The effects of the resistances and parasitic capabilities present in the circuit can also cause the oscillator to work at a slightly different frequency than the theoretical one calculated by considering only the values of L and C. In most cases, such drawbacks can be reduced by increasing as much as possible the Q-quality factor of the resonant circuit.

• However, with conventional inducers and capacitors it is difficult to overcome Q factors of the order of a few hundred;
• on the contrary, using quartz crystals it is possible to obtain Q factors that are significantly higher than 10,000.

The effects of the resistances and parasitic capabilities present in the circuit can also cause the oscillator to work at a slightly different frequency than the theoretical one calculated by considering only the values of L and C. In most cases, such drawbacks can be reduced by increasing as much as possible the Q-quality factor of the resonant circuit. However, with conventional inducers and capacitors it is difficult to overcome Q factors of the order of a few hundred; on the contrary, using quartz crystals it is possible to obtain Q factors that are significantly higher than 10,000.

The quartz crystals

Crystals can be used to increase frequency stability in RF oscillators such as those of Hartley and Colpitts. The crystal can be used both in parallel mode, for example as an inductor operating at a frequency between ƒ 1 and ƒ 2 as part of the resonant tuned circuit.

• In the Colpitts oscillator it can be controlled by a crystal connected in parallel with C1 and in series with C2 in the resonant circuit.
• In the Hartley oscillator, the first quartz terminal is inserted between L1 and L2, the second terminal is connected to the transistor emitter.
• In both oscillators the crystal acts as a highly selective low impedance in frequency in the feedback path.

The electronic component

Quartz crystal is a piezoelectric device where it can functionally be summarized as follows:

• when subjected to a mechanical deformation, even minimal (such as a slight flexion), it generates a potential difference to its garments;
• Conversely, if an electrical voltage is applied, the crystal undergoes a small deformation.

Consequently, the application of periodic voltage pulses causes the flexion of the crystal, which in turn generates voltage pulses in phase with those applied. This positive feedback mechanism strengthens the signal and gives rise to the oscillation. The frequency at which this reinforcement effect occurs coincides with the resonance frequency of the crystal. It is determined by its physical dimensions and the type of cutting carried out in relation to the atomic structure of the material. When a quartz crystal is cut and worked with precision, it is almost perfectly elastic: this implies that, once started, the oscillations are dampened very slowly.

Electrical characteristics of a quartz crystal

The circuit represents the schematic symbol of a quartz crystal and its equivalent circuit. It is evident that it incorporates all the typical characteristics of a resonant circuit, i.e. inductance (L), capacity (C) and resistance (R). For this reason, the crystal can be used as a replacement for both a resonant circuit in series and one in parallel. The frequency-dependent impedance (Z) diagram shows two resonance frequencies, ƒ1 and ƒ2. When the crystal operates in a series configuration, it has a very low impedance at the ƒ1 frequency; on the contrary, in parallel configuration it shows a very high impedance at the ƒ2 frequency. In practice, however, due to the extremely low bandwidth due to the crystal’s very high Q quality factor, these two frequencies are so close that they can be considered coincident for most applications.

Applications in oscillator circuits

Crystal oscillators can generate both sine and square wave output signals over a very wide frequency range. It generally ranges from 1 – 2 Mhz up to several hundred Mhz.

• Quartz crystals are made to resonate at well-defined frequencies, depending on the specific applications;
• however, the set of usable frequencies can be greatly expanded by different techniques.

One of these is the frequency division, in which the frequency of a crystal oscillator is repeatedly divided by 2 via digital dividers, thus obtaining progressively lower frequencies. Since any small frequency errors are reduced by the same division process, the final frequency is extremely accurate. In addition, crystals can be oscillated even to multiples higher than their fundamental frequency. These multiples, called overtones, can be selected by a conventional LC circuit. By combining the techniques of frequency division and operation in overtone, it is possible to cover a much more extensive crystalline frequency range.

Integrated crystal oscillators

In modern electronic circuits, the use of crystal oscillators made with discrete components is increasingly less frequent. Today, integrated crystal oscillators ready to use are widely available. Both square wave and sine wave oscillators are available. They are in the form of DIL (Dual In-Line) or SMT (Surface Mount Technology) modules. It has a wide range of frequencies and electrical characteristics. In sine wave oscillators for radio transmission applications, the oscillator is directly the source of the transmitted RF signal. As a result, accuracy and frequency stability are key. Radio bands are in fact generally congested by numerous transmitters operating in well-defined portions of spectrum, so it is essential that the transmission frequency remains stable and does not result, avoiding interference with adjacent channels. Similarly, receivers must be able to count on reliable and well-known reference frequencies for proper tuning.

Many crystal oscillators are able to maintain the nominal frequency within a few parts per million (ppm), typically with variations between ±5 and ±50 Hz for each MHz of the rated frequency. These performances are guaranteed over temperature ranges generally between 0 and 70 °C for consumer applications, and between −55 and +85 °C for certain military and aerospace applications.

Harmonic distortion

Another key aspect is the very low harmonic distortion. In other words, the oscillator must not generate harmonic spectral components of the nominal frequency. All this would result in unwanted emissions at additional frequencies. To minimize the harmonic distortion, the sinusoidal wave produced must be as pure as possible. To this end, oscillators are available characterized by a total total harmonic distortion (THD) extremely reduced, equal to just a few percentage points of the power of the fundamental.

Many oscillator modules have only three terminals:

• power (+Vdc)
• mass (GND)
• Output (OUT)

Some include additional pins for control functions. Typically, such modules are capable of piloting typical 50 Ω loads, providing an output signal of between about 500 mV and 1 V.

Since numerous characteristics of an oscillator depend on temperature, for the most critical applications, temperature-controlled crystal oscillators (OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillator) are used for the most critical applications. These devices enclose the crystal inside a heated and thermostatically regulated enclosure, so as to maintain the constant operating temperature. Thanks to this solution, it is possible to limit frequency changes to values typically below one part per million and reduce the harmonic distortion to less than 1%.

Conclusions

We have seen in this article the oscillator circuit with the quartz crystal component. We remember that we have dedicated preparatory sections for this topic and that there are specific articles on the operation of the individual components that characterize the circuits. In our section dedicated to the Laboratory of Electrical Engineering and Electronics there are specific articles on the operation of the individual components the Condenser and the Inductor.

Parleremo adesso degli oscillatori sinosuidali con cristalli di quarzo molto utilizzati nei trasmettitori radio. Quando è richiesta un’elevata stabilità di frequenza i semplici oscillatori LC non sono in grado di mantenere una frequenza costante, poiché sono soggetti a deriva. Questa deriva può essere provocata da lievi variazioni della tensione di alimentazione e dai cambiamenti di temperatura.

Con gli alimentatori stabilizzati le variazioni della tensione di elimentazione sono attenuabili, ma non completamente eliminate. Le variazioni di temperatura non sono spesso controllabili e dipendono da condizioni esterne al circuito elettronico.

Stabilità in frequenza di un ciruito oscillatore

Quindi le variazioni della tensione di alimentazione e della temperatura in cui si trova il circuito oscillatore possono causare delle variazioni significative della frequenza dell’oscillatore. Anche gli effetti delle resistenze e delle capacità parassite presenti nel circuito possono far sì che l’oscillatore lavori a una frequenza leggermente diversa da quella teorica calcolata considerando esclusivamente i valori di L e C. Nella maggior parte dei casi, tali inconvenienti possono essere ridotti aumentando il più possibile il fattore di qualità Q del circuito risonante. Tuttavia, con induttori e condensatori convenzionali è difficile superare fattori Q dell’ordine di alcune centinaia; al contrario, impiegando cristalli di quarzo è possibile ottenere fattori Q nettamente superiori a 10.000. Anche gli effetti delle resistenze e delle capacità parassite presenti nel circuito possono far sì che l’oscillatore lavori a una frequenza leggermente diversa da quella teorica calcolata considerando esclusivamente i valori di L e C. Nella maggior parte dei casi, tali inconvenienti possono essere ridotti aumentando il più possibile il fattore di qualità Q del circuito risonante. Tuttavia, con induttori e condensatori convenzionali è difficile superare fattori Q dell’ordine di alcune centinaia; al contrario, impiegando cristalli di quarzo è possibile ottenere fattori Q nettamente superiori a 10.000.

I cristalli di quarzo

I cristalli possono essere utilizzati per aumentare la stabilità della frequenza negli oscillatori RF come quelli di Hartley e Colpitts. Il cristallo può essere utilizzato sia in modalità parallela, ad esempio come induttore che opera a una frequenza tra ƒ 1 e ƒ 2 come parte del circuito sintonizzato risonante. Nell’oscillatore di Colpitts può essere controllato da un cristallo connessoin parallelo con C1 e in serie con C2 nel circuito risonante. Nell’oscillatore di Hartley il primo terminale del quarzo viene inserito tra L1 e L2, il secondo terminale viene connesso sull’emettitore del transistor. In entrambi gli oscillatori il cristallo agisce come un’impedenza bassa altamente selettiva in frequenza nel percorso di feedback.

Il componente elettronico

Il cristallo di quarzo è un dispositivo piezoelettrico il cui funzionamente può essere così riassunto:

• quando viene sottoposto a una deformazione meccanica, anche minima (come una lieve flessione), genera una differenza di potenziale ai suoi capi;
• viceversa, se viene applicata una tensione elettrica, il cristallo subisce una piccola deformazione.

Di conseguenza, l’applicazione di impulsi di tensione periodici provoca la flessione del cristallo, che a sua volta genera impulsi di tensione in fase con quelli applicati. Questo meccanismo di retroazione positiva rafforza il segnale e dà origine all’oscillazione. La frequenza alla quale avviene questo effetto di rinforzo coincide con la frequenza di risonanza del cristallo. Essa è determinata dalle sue dimensioni fisiche e dal tipo di taglio effettuato in relazione alla struttura atomica del materiale. Quando un cristallo di quarzo è tagliato e lavorato con precisione, esso risulta quasi perfettamente elastico: ciò implica che, una volta avviate, le oscillazioni si smorzano molto lentamente.

Caratteristiche elettriche di un cristallo di quarzo

Il circuito rappresenta il simbolo schematico di un cristallo di quarzo e il relativo circuito equivalente. È evidente come esso incorpori tutte le caratteristiche tipiche di un circuito risonante, ovvero induttanza (L), capacità (C) e resistenza (R). Per questo motivo, il cristallo può essere impiegato in sostituzione sia di un circuito risonante in serie sia di uno in parallelo. Il diagramma dell’impedenza (Z) in funzione della frequenza evidenzia due frequenze di risonanza, ƒ₁ e ƒ₂. Quando il cristallo opera in configurazione serie, esso presenta un’impedenza molto bassa alla frequenza ƒ₁; al contrario, in configurazione parallela mostra un’impedenza molto elevata alla frequenza ƒ₂. Nella pratica, tuttavia, a causa della larghezza di banda estremamente ridotta dovuta all’elevatissimo fattore di qualità Q del cristallo, queste due frequenze risultano così ravvicinate da poter essere considerate coincidenti per la maggior parte delle applicazioni.

Applicazioni nei circuiti oscillatori

Gli oscillatori a cristallo possono generare segnali di uscita sia sinusoidali sia a onda quadra su un intervallo di frequenze molto ampio. Generalmente va da 1 – 2 Mhz fino a diverse centinaia di Mhz. I cristalli di quarzo vengono realizzati per risuonare a frequenze ben definite, in funzione delle specifiche applicazioni; tuttavia, l’insieme delle frequenze utilizzabili può essere notevolmente ampliato mediante diverse tecniche. Una di queste è la divisione di frequenza, nella quale la frequenza di un oscillatore a cristallo viene ripetutamente divisa per 2 tramite divisori digitali, ottenendo così frequenze progressivamente più basse. Poiché eventuali piccoli errori di frequenza vengono ridotti dallo stesso processo di divisione, la frequenza finale risulta estremamente accurata. Inoltre, i cristalli possono essere fatti oscillare anche a multipli superiori della loro frequenza fondamentale. Tali multipli, detti overtones, possono essere selezionati mediante un circuito LC convenzionale. Combinando le tecniche di divisione di frequenza e di funzionamento in overtone, è possibile coprire un intervallo di frequenze cristalline molto più esteso.

Oscillatori a cristalli integrati

Nei circuiti elettronici moderni è sempre meno frequente l’impiego di oscillatori a cristallo realizzati con componenti discreti. Oggi sono ampiamente disponibili oscillatori a cristallo integrati già pronti all’uso. Sono reperibili sia oscillatori a onda quadra sia a onda sinusoidale. Si trovano sotto forma di moduli DIL (Dual In-Line) o SMT (Surface Mount Technology). Esso hanno un’ampia gamma di frequenze e caratteristiche elettriche. Negli oscillatori a onda sinusoidale destinati alle applicazioni di trasmissione radio, l’oscillatore costituisce direttamente la sorgente del segnale RF trasmesso. Di conseguenza, la precisione e la stabilità in frequenza risultano fondamentali. Le bande radio sono infatti generalmente congestionate da numerosi trasmettitori operanti in porzioni di spettro ben definite, per cui è essenziale che la frequenza di trasmissione rimanga stabile e non derivi, evitando interferenze con i canali adiacenti. Allo stesso modo, i ricevitori devono poter contare su frequenze di riferimento affidabili e ben note per una corretta sintonizzazione.

Molti oscillatori a cristallo sono in grado di mantenere la frequenza nominale entro poche parti per milione (ppm), tipicamente con variazioni comprese tra ±5 e ±50 Hz per ogni MHz della frequenza nominale. Tali prestazioni sono garantite su intervalli di temperatura generalmente compresi tra 0 e 70 °C per applicazioni consumer, e tra −55 e +85 °C per alcune applicazioni militari e aerospaziali.

Distorsione armonica

Un altro aspetto fondamentale è la bassissima distorsione armonica. In altre parole, l’oscillatore non deve generare componenti spettrali armoniche della frequenza nominale. Tutto questo darebbe luogo a emissioni indesiderate a frequenze aggiuntive. Per ridurre al minimo la distorsione armonica, l’onda sinusoidale prodotta deve essere il più possibile pura. A tal fine, sono disponibili oscillatori caratterizzati da una distorsione armonica totale (THD, Total Harmonic Distortion) estremamente ridotta, pari ad appena pochi punti percentuali della potenza della fondamentale.

Molti moduli oscillatori dispongono di soli tre terminali:

• alimentazione (+Vcc)
• massa (GND)
• uscita (OUT)

Alcuni includono pin aggiuntivi per funzioni di controllo. In genere, tali moduli sono in grado di pilotare carichi tipici da 50 Ω, fornendo un segnale di uscita compreso tra circa 500 mV e 1 V.

Poiché numerose caratteristiche di un oscillatore dipendono dalla temperatura, per le applicazioni più critiche vengono impiegati oscillatori a cristallo controllati in temperatura (OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillator). Questi dispositivi racchiudono il cristallo all’interno di un involucro riscaldato e regolato termostaticamente, così da mantenere la temperatura di funzionamento costante. Grazie a questa soluzione, è possibile limitare le variazioni di frequenza a valori tipicamente inferiori a una parte per milione e ridurre la distorsione armonica a meno dell’1%.

Conclusioni

Abbiamo visto in questo articolo il circuito oscillatore con il componente a cristallo di quarzo. Ricordiamo che abbiamo dedicato delle sezioni propedeutiche per questo argomento e che ci sono degli articoli articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti che caratterizzano i circuiti. Nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica ci sono articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti il Condensatore e l’Induttore.

Gli oscillatori elettronici

Gli oscillatori sono impiegati in tantissime applicazioni come:

• temporizzazione dei circuiti
• generazione di frequenze portanti per le telecomunicazioni
• strumenti di misura e test
• strumentazione del settore elettromedicale

Si definiscono oscillatori armonici quei circuiti elettronici in grado di generare un segnale a andamento sinusoidale. In sostanza, essi sono costituiti da un amplificatore la cui uscita viene riportata all’ingresso tramite una retroazione positiva, realizzata attraverso un filtro passa-banda.

Funzionamento e tipologie di oscillatori

Quando il circuito oscillatore viene alimentato, si verificano i seguenti fenomeni:

• l’amplificatore genera inevitabilmente del rumore in uscita;

• il circuito di retroazione riporta all’ingresso le componenti di rumore comprese nella banda di frequenza del filtro passa-banda, che vengono quindi amplificate;

• il processo si ripete fino al raggiungimento del regime di funzionamento stabile.

Gli oscillatori sinusoidali possono essere suddivisi in tre principali categorie, in base alle caratteristiche elettroniche dei rispettivi schemi circuitali:

• Oscillatori RC: utilizzano esclusivamente resistori e condensatori, oltre al componente attivo rappresentato dall’amplificatore. Tra i più noti si ricordano l’oscillatore a ponte di Wien, l’oscillatore a sfasamento, l’oscillatore a doppio T e l’oscillatore in quadratura.

• Oscillatori LC: impiegano resistori, induttori e condensatori insieme alla sezione amplificatrice. I circuiti RLC garantiscono oscillazioni più stabili e richiedono necessariamente l’uso di componenti elettronici aggiuntivi. Tra questi rientrano gli oscillatori di Hartley, di Meissner e di Colpitts, che verrà analizzato in dettaglio.

• Oscillatori al quarzo: sostituiscono il circuito LC con un cristallo di quarzo piezoelettrico. Grazie alle proprietà piezoelettriche del quarzo, questi oscillatori offrono un’elevata stabilità in frequenza e mantengono prestazioni costanti su un ampio intervallo di temperature. Uno dei più diffusi è l’oscillatore di Pierce.

L’oscillatore Hartley

L’oscillatore di Hartley è un circuito particolarmente adatto alla generazione di segnali sinusoidali di buona qualità nella banda RF, compresa approssimativamente tra 30 kHz e 30 MHz. Tuttavia, alle frequenze più elevate di questo intervallo, e oltre, si preferisce generalmente l’oscillatore Colpitts. L’oscillatore di Colpitts usa un partitore capacitivo, rendendolo più stabile e adatto alle alte frequenze rispetto alla bobina con presa centrale di Hartley. Sebbene entrambe le tipologie facciano uso di un circuito sintonizzato LC (detto circuito serbatoio) per determinare la frequenza di oscillazione, l’oscillatore di Hartley si distingue per la presenza di due induttori, indicati come L1 e L2.

Frequenza di oscillazione

• Reattanza induttiva: Xl = ωL o anche Xl = 2πf x L
• Reattanza capacitiva: Xc = 1/ωC o anche Xc = 1/2πf x C

dove L = L1+L2

Questa formula di base risulta valida quando l’induttanza mutua tra L1 e L2 può essere considerata trascurabile; al contrario, nel caso in cui tale induttanza sia significativa, la relazione deve essere opportunamente modificata.

Induttanza mutua nel caso reale analizzato

Nei circuiti che impiegano due piccoli induttori fissi, come quelli descritti in questo oscillatore, l’induttanza mutua risulta generalmente molto ridotta. Le prove sperimentali mostrano infatti che gli induttori devono essere quasi a contatto per produrre un effetto apprezzabile. Anche nel caso in cui l’induttanza mutua tra induttori di pochi microhenry si sommi o si sottragga al valore teorico della frequenza di oscillazione di un oscillatore RF di Hartley, la variazione ottenuta è solitamente paragonabile a quella dovuta alle tolleranze dei componenti impiegati nel circuito. Negli oscillatori di Hartley reali che utilizzano induttori avvolti su un nucleo comune, l’effetto della mutua induzione può invece diventare molto più rilevante. In questi casi esso dipende dal coefficiente di accoppiamento (k), il cui valore varia tra 0 e 1: k è prossimo a 1 quando l’accoppiamento magnetico è quasi totale, mentre assume valore nullo in assenza di accoppiamento tra i due induttori.

Il calcolo teorico del coefficiente k risulta piuttosto complesso, poiché l’accoppiamento reciproco è influenzato da numerosi fattori. Nella pratica, ci si limita spesso a stabilire se l’accoppiamento è debole o forte. Quando meno della metà del flusso magnetico generato da una bobina influenza l’altra, si assume che k sia inferiore a 0,5 e gli induttori vengono definiti debolmente accoppiati. Al contrario, se gli induttori condividono lo stesso nucleo senza spaziatura tra le avvolgimenti, essi sono considerati strettamente accoppiati e si presume che k assuma un valore compreso tra 0,5 e 1. Nella pratica, il nucleo comune di un induttore con presa utilizzato negli oscillatori RF è spesso regolabile. Questa soluzione consente di compensare eventuali variazioni di frequenza dovute all’induttanza mutua, intervenendo sulla posizione del nucleo e correggendo così con precisione la frequenza di oscillazione.

Il circuito LC

Il circuito LC che determina la frequenza di oscillazione è comunemente chiamato circuito serbatoio, poiché al suo interno circolano correnti molto più elevate rispetto a quelle che lo alimentano. Infatti in questa porzione di circuito circolano gli impulsi di corrente del collettore dell’amplificatore. Il suo principio di funzionamento è paragonabile a quello di un serbatoio, capace di fornire un flusso continuo anche quando l’alimentazione esterna è intermittente. Allo stesso modo, nel circuito del serbatoio dell’oscillatore circolano correnti elevate che vengono periodicamente reintegrate da piccole quantità di corrente provenienti dall’amplificatore.

Poiché la maggior parte della corrente dell’oscillatore circola all’interno del circuito di risonanza anziché attraversare la sezione amplificatrice, gli oscillatori LC sono in grado di:

• generare un’onda sinusoidale con una distorsione molto ridotta
• fornire la corretta quantità di feedback positivo necessaria a sostenere l’oscillazione.

Ciò si ottiene suddividendo il ramo induttivo in due sezioni con valori diversi: l’induttore si comporta quindi come un autotrasformatore, e il rapporto tra le due sezioni determina l’ampiezza del segnale di ritorno applicato all’ingresso dell’amplificatore.

La parte superiore di L1 è collegata a +Vcc ma, dal punto di vista dei segnali in corrente alternata, risulta connessa a massa tramite l’impedenza molto bassa del condensatore C5. Di conseguenza, la forma d’onda X su L1 e la forma d’onda Y sull’intero circuito risultano in fase. Poiché viene impiegato un amplificatore a base comune, anche i segnali di collettore ed emettitore sono in fase, consentendo al circuito del serbatoio di fornire feedback positivo. In altre configurazioni Hartley, ad esempio con amplificatori a emettitore comune, si utilizzano circuiti di risonanza analoghi ma con collegamenti differenti, in modo da garantire che il segnale di feedback sia sempre in fase con il segnale di ingresso, assicurando così il feedback positivo necessario al funzionamento dell’oscillatore.

Funzionamento dell’oscillatore

L’oscillatore analizzato in questo esempio utilizza un amplificatore a base comune. All’atto dell’alimentazione, l’amplificatore opera inizialmente in classe A con feedback positivo. Il circuito LC di risonanza riceve impulsi di corrente dal collettore e comincia a oscillare alla frequenza per cui è stato progettato. In questa fase iniziale:

1. il circuito del serbatoio ha un elevato guadagno di corrente, causando una rapida crescita dell’ampiezza del segnale di uscita.
2. quando oscillazioni si instaurano, una parte del segnale viene reinviata all’emettitore tramite il condensatore C2
3. Questo provoca l’accumulo di una tensione continua su R3, determinata principalmente dalla costante di tempo R3–C2, che è molto più grande del periodo dell’onda oscillante.
4. Con l’aumento della tensione sull’emettitore, il punto di lavoro dell’amplificatore si sposta gradualmente dalla classe A alla classe C.
5. Di conseguenza, la differenza di potenziale base-emettitore (V_BE) si riduce, poiché la tensione di base — fissata dal partitore R1/R2 — rimane pressoché costante mentre la tensione dell’emettitore cresce.
6. Questo restringe progressivamente la porzione della forma d’onda che può essere amplificata da TR1, fino a quando solo i picchi del segnale generano impulsi di corrente nel collettore.
7. Adesso, il guadagno complessivo dell’anello di retroazione si stabilizza a 1.
8. In questo stato di regime, il feedback positivo fornito dal circuito del serbatoio e il feedback negativo introdotto dalla rete C2–R3 risultano in equilibrio.

Qualsiasi variazione rispetto a questo equilibrio innesca automaticamente un meccanismo di correzione. Se l’ampiezza del segnale di uscita diminuisce, anche il feedback attraverso C2 si riduce, provocando una diminuzione della tensione sull’emettitore. Ciò rende V_BE meno negativo, aumentando la corrente di collettore e, di conseguenza, l’ampiezza dell’oscillazione nel circuito del serbatoio. L’aumento della corrente di collettore fa nuovamente crescere la tensione sull’emettitore e su R3, riportando il transistor in una condizione di conduzione più limitata. Questo processo di autoregolazione riduce nuovamente l’ampiezza dell’uscita, ristabilendo il guadagno dell’anello a valore unitario.

Un esempio pratico

Nello schema in figura un esempio pratico di oscillatore di Hartley che oscilla a frequenze che vanno dai 560kHz agli 1,7Mhz. Questo circuito oscillatore di Hartley produce un’onda sinusoidale in uscita superiore a 12 Vpp. La frequenza approssimativa viene impostata dai valori scelti per per il condensatore C3 del serbatoio. Funziona con una batteria da 9 V o con un alimentatore CC fino a 12 V. La corrente di alimentazione a 9 V è di circa 20 mA. Il circuito può essere costruito su una breadboard a scopo di test, dove si può verificare che il valore di R3, nello schema impostato a 470 ohm, è molto importante. Questa resistenza può essere sostituita con un valore leggermente inferiore per modificare il guadagno dell’amplificatore. Nel dettaglio l’elenco dei componenti:

Dopo aver eseguito su breadboard il circuito si possono eseguire le seguenti attività di verifica:

• Misurazioni con il circuito oscillante in classe C:

1. La corrente di alimentazione
2. La tensione di alimentazione
3. Tensione del collettore TR1
4. Tensione di base TR1
5. Tensione dell’emettitore TR1

• Bloccare temporaneamente le oscillazioni collegando un condensatore da 0,47 μF (non polarizzato) in R3 ed effettuare le seguenti misurazioni:

1. La corrente di alimentazione
2. Tensione del collettore TR1
3. Tensione di base TR1
4. Tensione dell’emettitore TR1

• Misurazione segnale in uscita

1. La tensione picco-picco
2. Livello DC dell’onda
3. Tempo periodico (T) dell’onda
4. Frequenza dell’onda (1/T)
5. Frequenza dell’onda calcolata da ƒ= 1/ 2π√(LC)

Conclusioni

Abbiamo visto in questo articolo il circuito oscillatore diHartley. Ricordiamo che abbiamo dedicato delle sezioni propedeuticche per questo argomento e che ci sono degli articoli articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti che caratterizzano il circuito. Nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica ci sono articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti il Condensatore e l’Induttore.

Gli oscillatori

Gli oscillatori sono impiegati in innumerevoli applicazioni come ad esempio:

• la temporizzazione di circuiti
• generazione di portanti per le telecomunicazioni
• strumenti elettromedicali
• strumenti di misura e test

Si definiscono oscillatori armonici quei circuiti elettronici che producono un segnale di andamento sinusoidale. Si tratta in pratica di un amplificatore in cui l’uscita è riportata all’ingresso con una retroazione positiva attraverso un filtro passa-banda.

Funzionamento e tipologie di oscillatori

Alimentando il circuito oscillatore si verificheranno i seguenti fenomeni:

• l’amplificatore produce inevitabilmente in uscita del rumore
• il circuito di reazione riporta in ingresso le componenti del rumore della frequenza del filtro passa-banda che verranno amplificate
• il ciclo si ripete fino a che si arriva al regime di funzionamento.

Gli oscillatori sinusoidali sono di tre principali categorie. Questa classificazione
emerge dalle caratteristiche elettroniche dei vari schemi circuitali. Possiamo quindi classificare gli oscillatori nelle seguenti categorie:

• Oscillatori RC. Nel circuito ci sono solo Resistori e Condensatori oltre al componente attivo che è l’amplificatore. Ricordiamo l’oscillatore a ponte di Wien, l’oscillatore a sfasamento, l’oscillatore a Doppio T, l’oscillatore in quadratura.
• Gli Oscillatori LC. Utilizzano Resistori, Induttori e Condensatori insieme alla parte amplificatore. Il circuito RLC ha oscillazioni più stabili e necessariamente deve utilizzare qualche componente elettronico aggiuntivo. Di questi oscillatori si ricordano quello di Hartley, quello di Messner e l’oscillatore di Colpitts che illustreremo nel dettaglio.
• Oscillatori con il quarzo. Questi oscillatori utilizzano un cristallo di quarzo piezoelettrico al posto del circuito LC. Grazie alle proprietà piezoelettriche dei cristalli di quarzo, questi oscillatori hanno una maggiore stabilità in frequenza e conservano le caratteristiche elettroniche lavorando con un insieme di temperature più ampio. Tra i più utilizzati ricordiamo l’oscillatore di Pierce.

L’oscillatore Colpitts

Questo circuito elettronico che prende il nome dal suo ideatore costituisce una soluzione semplice e affidabile per generare segnali di buona qualità. L’oscillatore è di tipo LC e la retroazione è di tipo ad accoppiamento induttivo. La retroazione avviene attraverso un trasformatore (Induttore L) scelto in modo opportuno. Ad esempio per frequenze levate si scelgono bobine avvolte in aria. Nel circuito di Colpitts ci sono due condensatori e la frequenza di risonanza può essere variata modificando il valore di uno dei due condensatori. Questo oscillatore ha un buon funzionamento per frequenze che raggiungono i 100 Mhz. Per realizzare oscillatori con frequenze inferiori ai 100 MHz si preferisce l’oscillatore di Hartley. L’oscillatore di Colpitts usa un partitore capacitivo, rendendolo più stabile e adatto alle alte frequenze rispetto alla bobina con presa centrale dell’oscillatore di Hartley.

Un esempio pratico

Nello schema in figura un esempio pratico di oscillatore di Colpitts che oscilla ad una frequenza di circa 31,6kHz. Questo circuito oscillatore di Colpitts produce un’onda sinusoidale in uscita superiore a 12 Vpp. La frequenza approssimativa viene impostata dai valori scelti per L1, C2 e C3. Funziona con una batteria da 9 V o con un alimentatore CC fino a 12 V. La corrente di alimentazione a 9 V è di circa 20 mA. Il circuito può essere costruito su una breadboard a scopo di test, dove si scoprirà che il valore di R3, nello schema impostato a 470 ohm, è piuttosto critico. Questa resistenza può essere sostituita con un valore leggermente inferiore per modificare il guadagno dell’amplificatore. Nel dettaglio l’elenco dei componenti:

Richiami teorici

• Reattanza induttiva: Xl = ωL o anche Xl = 2πf x L
• Reattanza capacitiva: Xc = 1/ωC o anche Xc = 1/2πf x C

Dopo aver eseguito su breadboard il circuito si possono eseguire le seguenti attività di verifica:

• Misurazioni con il circuito oscillante in classe C:

1. La corrente di alimentazione
2. La tensione di alimentazione
3. Tensione del collettore TR1
4. Tensione di base TR1
5. Tensione dell’emettitore TR1

• Bloccare temporaneamente le oscillazioni collegando un condensatore da 0,47 μF (non polarizzato) su L1 ed effettuare le seguenti misurazioni:

1. La corrente di alimentazione
2. Tensione del collettore TR1
3. Tensione di base TR1
4. Tensione dell’emettitore TR1

• Misurazione segnale in uscita

1. La tensione picco-picco
2. Livello DC dell’onda
3. Tempo periodico (T) dell’onda
4. Frequenza dell’onda (1/T)
5. Frequenza dell’onda calcolata da ƒ= 1/ 2π√(LC)

Le protezioni di iOS

Il sistema operativo iOS, adottato dagli iPhone, integra un’architettura di sicurezza avanzata basata su sandboxing, firma del codice e controllo rigoroso delle applicazioni. Tuttavia, tali meccanismi non rendono la piattaforma completamente immune da minacce informatiche. Anche su iPhone sono stati osservati casi di malware, sebbene con una diffusione inferiore rispetto ad altri sistemi operativi mobili.

Principali minacce per gli iphone

Le principali categorie di minacce includono spyware (come Pegasus), in grado di intercettare comunicazioni e dati personali; adware, responsabili della visualizzazione di contenuti pubblicitari invasivi; trojan (come GoldDigger, distribuito tramite TestFlight e capace di sottrarre anche dati biometrici); oltre a numerosi attacchi di phishing e social engineering. Queste minacce sfruttano vulnerabilità del sistema operativo, errori di configurazione o pratiche non sicure, quali l’installazione di applicazioni non ufficiali mediante sideloading o jailbreak, con l’obiettivo di compromettere informazioni sensibili, dati bancari e credenziali di autenticazione.

Tipologie di malware e minacce

Riassumiamo le principali tipologie di minacce e codice malevolo che possono compromettere la funzionalità del nostro iphone. Possiamo riassumerle essenzialmente in cinque grosse categorie:

• Spyware: software malevoli progettati per operare in modo occulto, capaci di raccogliere messaggi (iMessage, WhatsApp), contatti, fotografie, dati di localizzazione e, in alcuni casi, credenziali di applicazioni bancarie, trasmettendo tali informazioni a infrastrutture di comando e controllo esterne.
• Trojan (es. GoldDigger): malware sofisticati, difficili da rilevare, in grado di acquisire dati biometrici (Face ID), accedere a servizi finanziari e impiegare tecniche avanzate, come deepfake, per eludere i meccanismi di sicurezza. Sono spesso veicolati tramite applicazioni compromesse o distribuite al di fuori dei canali ufficiali.
• Adware: componenti software che generano pubblicità indesiderata sotto forma di pop-up, banner o reindirizzamenti, compromettendo l’esperienza utente e, in alcuni casi, la sicurezza del dispositivo.
• Ransomware: minaccia meno diffusa su iOS, ma potenzialmente in grado di limitare o bloccare l’accesso al dispositivo, richiedendo un riscatto per il ripristino della funzionalità.
• Phishing e Social Engineering: tecniche di attacco basate sull’ingegneria sociale, volte a indurre l’utente a interagire con link malevoli o a divulgare informazioni sensibili, sfruttando la fiducia o l’urgenza percepita.

Vettori di diffusione delle minacce su iPhone

Gli utenti dei dispositivi elettronici sono spesso i primi responsabili di attacchi malware e malfunzionamenti. Gli iphone non ne sono indenni specie se i possessori effettuano delle cattive pratiche di utilizzo. Anche in questo caso elenchiamo una serie di operazioni che è assolutamente necessario non fare. Quindi consigliamo nel modo più assuluto di evitare:

• Jailbreak: una pratica che rimuove le protezioni native di iOS, come il controllo della firma del codice, aumentando significativamente la superficie di attacco del dispositivo.
• Sideloading: l’installazione di applicazioni al di fuori dell’App Store ufficiale può introdurre software malevolo, soprattutto in seguito all’introduzione del sideloading in Europa a partire da iOS 17.4.
• Siti web dannosi: la navigazione su siti compromessi può innescare l’esecuzione di codice malevolo o facilitare l’installazione di spyware tramite exploit del browser o del sistema.
• App compromesse: anche applicazioni distribuite tramite App Store o TestFlight possono, in rari casi, presentare comportamenti malevoli o essere state compromesse dopo l’approvazione iniziale.

Misure di mitigazione e protezione del proprio smartphone

Non bisogna sottovalutare la sicurezza del proprio smartphone. Il suo funzionamento negli ultimi anni è diventato essenziale per tantissimi motivi. Transazioni finanziarie, pagamenti, rapporti con la pubblica amministrazione, smart working e chi più ne ha più ne metta. Tutto gestito da uno smarphone, e gli utenti di un iphone lo scelgono per la sua potenza ed efficienza. Per prevenire problemi le cose che bisogna sempre fare con regolarità sono le seguenti:

• Evitare il jailbreak: preservare l’integrità dei meccanismi di sicurezza nativi di iOS.
• Aggiornamenti regolari: mantenere iOS e le applicazioni costantemente aggiornati per correggere vulnerabilità note.
• Utilizzo esclusivo dell’App Store ufficiale: limitare l’installazione di app a fonti verificate e ufficiali.
• Gestione delle autorizzazioni: analizzare e limitare i permessi concessi alle applicazioni, applicando il principio del minimo privilegio.
• Prevenzione del phishing: evitare l’interazione con link sospetti ricevuti tramite SMS, email o messaggi istantanei.
• Soluzioni di sicurezza: valutare l’adozione di strumenti antivirus o anti-malware affidabili come ulteriore livello di difesa.

Conclusioni

Abbiamo visto come il sistema operativo iOS su iPhone non è immune da malware. Abbiamo premesso che è indispensabile che l’utente si deve mettere al riparo utilizzando in modo corretto il proprio iphone. Spesso i proprietari di un iphone sono convinti di possedere un dispositivo esente da minacce. Questa convinzione li distrae e a volte compiono con disinvoltura delle azioni vivamente sconsigliate. Abbiamo illustrato cosa evitare nell’utilizzo dello smartphone della Apple, la stessa logica è bene adottarla anche se si possiede uno smartphone con sistema operativo Android.

Le minacce informatiche

Secondo un recentstudi, gli attacchi che sfruttano la tecnologia NFC sono aumentati dell’87%. Il dato conferma come le frodi digitali stiano evolvendo rapidamente, passando dalla semplice clonazione “fisica” delle carte a attacchi ibridi sempre più sofisticati, basati su ingegneria sociale e malware di nuova generazione. Applicazioni malevoli sono oggi in grado di sottrarre i contatti presenti in rubrica per organizzare truffe telefoniche mirate. Un’altra minaccia particolarmente avanzata, combina la clonazione NFC con il controllo remoto del dispositivo, consentendo ai criminali di disattivare le protezioni biometriche e agire all’insaputa delle vittime. Vediamo più da vicino queste minacce e le possibili contromisure.

Tre elementari regole di buon senso

Dopo ogni evoluzione tecnologica, emerge un cambiamento profondo nel modo in cui i cybercriminali sfruttano le nuove tecnologie. Se in passato l’intelligenza artificiale veniva utilizzata soprattutto per creare e-mail di phishing più credibili, oggi assistiamo alla comparsa di pericolosi script che si installano a nostra insaputa sui nostri dispositivi. A tale proposito si sottolinea che non bisogna mai:

• aprire messaggi sospetti
• cliccare su link contenuti in messaggi sospetti
• scaricare software non verificato o immagini da siti non sicuri

Le minacce sui dispositivi mobili

È però nel mondo mobile che si osservano gli sviluppi più rilevanti per gli utenti comuni. I malware che abusano del chip NFC hanno registrato una crescita vertiginosa. Un aumento che  indica una stabilizzazione verso attacchi più mirati e qualitativamente più pericolosi. Vediamo alcuni esempi di malware pericolosi:

• Un esempio è NGate, che non si limita più a clonare i dati delle carte per consentire prelievi fraudolenti, ma è stato aggiornato per esfiltrare l’intera rubrica della vittima. Questo consente agli attaccanti di conoscere nomi reali di amici e familiari, informazioni poi utilizzate per telefonate ingannevoli in cui si fingono operatori bancari, aumentando notevolmente l’efficacia delle truffe. Dinamiche simili sono state osservate in diverse campagne che hanno colpito la Polonia, spesso avviate tramite false e-mail di sicurezza. Questo malware è specifico per i dispositivi mobili Android.
• PhantomCard è una variante di NGate distribuita tramite siti che imitano in modo quasi perfetto il Google Play Store. Gli utenti vengono indotti a scaricare un’app apparentemente affidabile grazie a recensioni positive generate artificialmente. In realtà, l’app installa il malware che clona dati finanziari e PIN non appena la vittima avvicina la carta allo smartphone per una finta procedura di autenticazione. Anche questo malware è specifico per i dispositivi mobili Android.
• Molto pericoloso è RatOn, un malware che rappresenta un vero salto di qualità nell’evoluzione delle minacce digitali. RatOn unisce le frodi NFC alle capacità tipiche dei RAT (Remote Access Trojan), consentendo il controllo completo del dispositivo a distanza. Diffuso tramite pubblicità ingannevoli o falsi servizi di identificazione bancaria. Questo malware sfrutta i permessi di accessibilità di Android per interagire autonomamente con lo schermo, installare ulteriori componenti dannosi e, soprattutto, disattivare l’autenticazione biometrica. In questo modo gli attaccanti possono intercettare i PIN e utilizzare sistemi di trasferimento automatico (ATS) per svuotare i conti. Anche questo malware è specifico per i dispositivi mobili Android.

Anche gli iPhone possono essere infettati da malware

Finora abbiamo analizzato diversi esempi di script malevoli diffusi attraverso vari canali e rivolti principalmente al sistema operativo Android. Tuttavia, anche iOS, il sistema operativo degli iPhone, non è immune da minacce informatiche. Sebbene iOS sia generalmente considerato più sicuro rispetto ad altri sistemi operativi, i malware esistono anche su iPhone. Le principali minacce includono spyware (come Pegasus), capaci di intercettare messaggi e dati personali; adware, che inondano l’utente di pop-up e pubblicità invasive; trojan (come GoldDigger, che sfrutta TestFlight e può sottrarre anche dati biometrici); oltre a numerosi attacchi di phishing e social engineering. Queste minacce sfruttano spesso vulnerabilità del sistema o comportamenti rischiosi, come l’installazione di app non ufficiali tramite sideloading o jailbreak, con l’obiettivo di rubare informazioni sensibili, dati bancari e credenziali di accesso agli account.

Le buone pratiche per difendersi

Se in passato l’intelligenza artificiale veniva utilizzata soprattutto per creare e-mail di phishing più credibili, oggi assistiamo alla comparsa di minacce come PromptLock, un ransomware interamente potenziato dall’IA, capace di generare script di attacco in tempo reale e adattarsi al comportamento della vittima. Di fronte a minacce sempre più sofisticate, le regole di difesa restano semplici ma cruciali:

• scaricare applicazioni solo da store ufficiali;

• controllare attentamente le autorizzazioni richieste, evitando app che chiedono accessi non necessari;

• disattivare l’NFC quando non è in uso.

Seguire queste buone pratiche può ridurre in modo significativo l’esposizione a rischi in continua evoluzione. Sebbene esperti di sicurezza, istituti finanziari ed emittenti di carte stiano monitorando e contrastando queste minacce, una parte importante della responsabilità ricade ancora sugli utenti. Per questo, la consapevolezza in materia di sicurezza digitale resta la prima linea di difesa.

Conclusioni

In questo approfondimento abbiamo visto perchè è utile Spegnere l’NFC dello smartphone per ridurre il furti di dati. Abbiamo visto dei sitemi per proteggersi dal rischio del furto dei nostri dati personali. Tra i consigli quello di disattivare l’NFC quando non serve. Scaricare applicazioni esclusivamente da fonti ufficiali e verificare con attenzione le autorizzazioni richieste sono comportamenti fondamentali per limitare i rischi legati agli attacchi informatici che combinano NFC e intelligenza artificiale.

La tecnologia NFC

L’NFC è progettata per funzionare a distanze estremamente ridotte: il pagamento viene autorizzato solo avvicinando la carta a pochi centimetri dal POS. La distanza ideale è entro i 4 cm; oltre i 10 cm la comunicazione diventa impossibile. Questa limitazione non è casuale: serve a garantire maggiore sicurezza, perché avviciniamo la carta al lettore solo quando siamo certi di voler effettuare la transazione. La tecnologia NFC deriva dall’evoluzione dei sistemi di identificazione a radiofrequenza (RFID) e di altre tecnologie di connettività. A differenza dei RFID più semplici, l’NFC consente una comunicazione bidirezionale: quando due dispositivi compatibili (initiator e target) si trovano entro il raggio di circa 4 cm, si crea una connessione peer-to-peer che permette a entrambi di inviare e ricevere dati. L’NFC opera alla frequenza di 13,56 MHz e può raggiungere una velocità massima di 424 kbit/s. Può essere integrata direttamente in un chip oppure implementata tramite schede esterne, come SD o microSD.

La sicurezza del sistema NFC

Questa tecnologia ha progressivamente sostituito le carte con banda magnetica. In passato, i dati erano memorizzati sulla banda e potevano essere facilmente copiati per clonare la carta. Oggi, invece, le informazioni vengono trasmesse via radio e protette da sistemi avanzati di crittografia, che rendono praticamente impossibile intercettarle o riutilizzarle in modo fraudolento. Ma cosa succede nel caso del cosiddetto “POS pirata”, ovvero un lettore improvvisato utilizzato per avvicinarsi ai portafogli delle persone? Anche in questo scenario entrano in gioco ulteriori livelli di sicurezza. Il sistema prevede, ad esempio, la richiesta del PIN quando si superano determinate soglie (di solito 50 €), quando si effettuano molti piccoli pagamenti in poco tempo, oppure al raggiungimento di un importo cumulativo prestabilito. Il PIN viene richiesto anche dopo un certo numero di transazioni consecutive (generalmente cinque) o quando la somma totale dei pagamenti supera rapidamente una cifra come 150 €. Tutte queste misure sono pensate per limitare i danni e dare al titolare il tempo necessario per bloccare la carta e segnalare eventuali abusi.

Riconoscimento biometrico e Token

In conclusione, i pagamenti cardless (senza carta fisica) ereditano tutti i sistemi di sicurezza delle carte tradizionali, ma aggiungono ulteriori protezioni. Tra queste troviamo l’autenticazione biometrica (impronta digitale o riconoscimento facciale) e la tokenizzazione, grazie alla quale il numero reale della carta non viene mai trasmesso. Al suo posto viaggia un token usa e getta, un codice temporaneo legato esclusivamente al dispositivo, rendendo il furto dei dati ancora più difficile.

Conclusioni

Abbiamo visto in questo articolo la sicurezza della tecnologia contactless con la crittografia e il sistema NFC. Ne abbiamo analizzato il funzionamento e perché è considerato uno dei sistemi più sicuri, grazie all’uso combinato di NFC, crittografia e tokenizzazione. Abbiamo visto cosa accade nel momento in cui avviciniamo la carta o lo smartphone al POS. Alla base abbiamo dato gli wlwmnri minimi della tecnologia NFC (Near Field Communication). Questa comunicazione a onde radio coinvolge un lettore attivo – il POS – e un dispositivo passivo, come la carta o il telefono.

I transistor CFET l’innovazione delle nuove CPU

Con la continua riduzione delle dimensioni dei transistor, le prestazioni dei chip hanno registrato un salto di qualità. Tuttavia, questo progresso ha portato con sé sfide come effetti quantistici e problemi termici. In risposta a queste sfide, gli scienziati hanno aggiornato la tradizionale struttura planare a strutture tridimensionali, introducendo FinFET e GAAFET. Tuttavia, con l’avvicinarsi delle dimensioni dei transistor all’era dei 2 nm, FinFET e GAAFET hanno gradualmente rivelato i loro limiti nell’affrontare queste sfide. Pertanto, è emersa una nuova tecnologia per affrontare questi problemi: il transistor a effetto di campo complementare (CFET), considerato un elemento chiave per i processi al di sotto di 1 nm. Parlare di misure in piano come i nano-metri non è più realistico dal momento che siamo in presenza di PMOS e NMOS impilati in verticale. Difatti Intel non utilizzerà più la dicitura nanometri del processo produttivo per indicare il numero e la densità di transistor contenuti nelle nuove CPU. Comunque alla fine del 2025 siamo dinanzi a quantità di transistor che superano le decine di miliardi di transistor. I cambiamenti dell’introduzione delle strutture dei transistor CFET delle nuove CPU sono sotto gli occhi di tutti.

Cos’è il transistor CFET e le sue potenzialità

La progettazione di transistor planari consente di aumentare la densità di transistor sui chip riducendone proporzionalmente le dimensioni. Tuttavia, quando le dimensioni si riducono a 28 nanometri, l’effetto canale corto diventa più evidente, portando allo sviluppo di FinFET e GAAFET. FinFET: una struttura di transistor tridimensionale in cui il gate circonda un sottile canale a forma di aletta. GAAFET: un’ulteriore innovazione prevede che il gate circondi completamente il canale, non limitandosi alla parte inferiore e ai lati. Il cosiddetto CFET è, in effetti, un miglioramento basato sulla struttura a nanostrati. Il nanostrati è una variante del GAAFET, in cui il canale del transistor è costituito da più strati sottili di materiale e il gate circonda questi strati. Nella tecnologia CFET, un FET a nanostrati di tipo p è impilato verticalmente sopra un FET a nanostrati di tipo n, formando un circuito tridimensionale. Secondo TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), l’adozione della struttura di impilamento verticale CFET ha ridotto l’area dei chip del 50% rispetto al GAAFET Nanosheet. In questo modo negli stassi spazi delle vecchie CPU si è arrivati a miniaturizzare diverse decine di miliardi di transistor.

Sfide del transistor CFET

Dopo aver analizzato i vantaggi della struttura CFET, gli effetti delle nuove CPU nello sviluppo dell’informatica e dell’elettronica sono dinanzi a tutti. Intelligenza artificiale, ambienti di simulazione sempre più realistici, computer e dispositivi sempre più potenti. Ci sono voluti più di dieci anni per arrivare allo sviluppo e alla produzione in serie dei microchip con transistor CFET. I costi e i problemi per l’impilamento nelle strutture multistrato di dispositivi PFET e NFET sono aumentati. Infatti la complessità della produzione dei nuovi dispositivi è aumentata poiché la maggior parte dei metodi di processo efficaci utilizzati in FinFET e GAAFET non sono più applicabili. Ad esempio, nel modulo source-drain del FET, i processi di impiantazione ionica non possono essere utilizzati per drogare il source-drain; invece, gli elementi droganti devono essere introdotti in prossimità del source-drain tramite epitassia on-line, ottenuta tramite una specifica tecnica di incisione. Questi cambiamenti hanno richiesto lo sviluppo di processi completamente nuovi, e linee di produzione industriali completamente rinnovate. Nel nuovo processo CFET, un elemento cruciale è la ricottura termica dell’impilamento multistrato. I semiconduttori possono presentare difetti strutturali per vari motivi durante la crescita dei cristalli e i processi di produzione, e la ricottura termica può riparare il materiale, migliorandone la conduttività e le prestazioni elettriche. Rispetto alle strutture non impilabili, quelle impilabili richiedono la ricottura termica per ogni strato, e anche la stabilità delle connessioni metalliche ad alte temperature ha richiesto nuove soluzioni produttive. L’uso della ricottura locale laser ha risolto questi problemi ma aumentato la complessità dei processi e, ovviamente, dei costi di produzione dei nuovi microchip.

Dimensioni e peso

Prestazioni

Il notebook con i 32GB di RAM DDR5 a 5600 MHz garantisce reattività immediata, mentre l’SSD NVMe Gen4 da 1TB offre un’ampia capacità di archiviazione con tempi di accesso e avvio estremamente rapidi. Si passare da un’applicazione all’altra con fluidità, senza rallentamenti. Il vero punto di forza è la scheda grafica NVIDIA GeForce RTX 5070 da 8GB. La scheda ha una GPU che alza le prestazioni visive e sfrutta l’intelligenza artificiale per ottimizzare ulteriormente l’esperienza grafica. Buono il display da 16 pollici con risoluzione 2K (1920×1200 px) con refresh rate fino a 144Hz e finitura antiriflesso. Le immagini sono nitide e brillanti. Un plus è la ridotta emissione di luce blu che contribuisce a minimizzare l’affaticamento visivo. Due ventole scaricano l’aria nella parte posteriore per tenere bassa la temperatura. Per quanto riguarda la connettività, l’OMEN 16 offre un set di porte abbastanza completo. Include una USB Type-C da 10Gbps, due USB Type-A, un’uscita HDMI 2.1, una porta Ethernet RJ-45 per connessioni cablate ad alta velocità e un jack combinato cuffie/microfono. Windows 11 Home offre una buona esperienza d’uso. Il peso che è di 2,43 Kg non proprio ideale per chi cerca la massima portabilità.

Caratteristiche tecniche

È un notebook di fascia alta, le dimensioni sono sostanzialmente quelle di tutti i concorrenti che offrono prestazioni simili. Il notobook HP Omen 16 sfrutta la produttività dall’IA con prestazioni ottimizzate soprattutto per la grafica. Le tecnologie di rendering neurale utilizzano l’AI per aumentare gli FPS, ridurre la latenza e migliorare la qualità dell’immagine. Riassumiamo in sintesi le caratteristiche tecniche del notobook HP Omen 16 am0008nl:

Funzionamento

Prima di affrontare i problemi della manutenzione è necessario analizzare il funzionamento della fibra ottica. Esso si basa sul fenomeno della riflessione totale interna: quando un raggio di luce raggiunge il confine tra due materiali con indici di rifrazione diversi con un angolo adeguato, viene completamente riflesso all’interno del nucleo. Questo permette alla luce di propagarsi lungo la fibra, seguendone anche le eventuali curvature, senza disperdersi all’esterno.

Caratteristiche di una fibra ottica

Un cavo in fibra ottica è formato da diversi elementi, ognuno con una funzione specifica:

• Nucleo (Core) – È la parte centrale della fibra, responsabile della trasmissione degli impulsi luminosi. Può essere realizzato in vetro o in materiale plastico.
• Guaina (Cladding) – Avvolge il nucleo ed è caratterizzata da un indice di rifrazione leggermente inferiore. Questa differenza permette il fenomeno della riflessione totale interna, indispensabile per guidare la luce lungo la fibra.
• Rivestimento (Coating) – Uno strato protettivo in materiale plastico che circonda la guaina e protegge la fibra da urti, piegamenti e umidità.
• Armatura – In alcune tipologie di cavi, soprattutto quelli destinati ad ambienti esterni o condizioni difficili, sono presenti uno o più strati di armatura, che offrono una protezione meccanica aggiuntiva.

Le fibre ottiche si distinguono principalmente in due categorie, determinate dal modo in cui la luce si propaga al loro interno:

• Fibra multimodale – È caratterizzata da un nucleo di dimensioni maggiori, che consente il passaggio di molteplici raggi (o modi) di luce. Viene utilizzata soprattutto per collegamenti a breve distanza, come nelle reti LAN o nei data center, dove sono richieste elevate velocità di trasmissione ma non grandi estensioni.
• Fibra monomodale – Ha un nucleo estremamente sottile, progettato per far propagare un unico modo di luce. Questo minimizza la dispersione del segnale e permette comunicazioni su lunghe distanze, rendendo la fibra monomodale ideale per reti di telecomunicazione estese e collegamenti intercontinentali. La fibra monomodale, grazie al fatto che trasporta un solo modo di luce, limita notevolmente la dispersione rispetto alla fibra multimodale, garantendo una trasmissione più stabile ed efficiente.

Come funziona la fibra ottica

• Trasmissione della luce all’interno della fibra: La fibra ottica opera trasportando impulsi luminosi attraverso il nucleo. Questi impulsi, generati da sorgenti come LED o diodi laser, rappresentano i dati digitali da inviare. La luce, modulata in sequenze che codificano le informazioni, percorre l’intera fibra fino al dispositivo di destinazione.
• Riflessione totale interna e fenomeni di dispersione: Il principio che permette alla luce di restare confinata nel nucleo è la riflessione totale interna. Quando un raggio luminoso passa da un materiale con indice di rifrazione più alto (il nucleo) a uno con indice più basso (la guaina) e incide sull’interfaccia con un angolo superiore all’angolo critico, non attraversa il confine ma viene completamente riflesso verso l’interno. In questo modo la luce prosegue il suo percorso lungo la fibra, anche attraverso eventuali curve.

Durante la propagazione, però, una parte del segnale può degradarsi. Imperfezioni del materiale, microcurvature o variazioni strutturali possono provocare dispersione, ovvero una diminuzione dell’intensità del segnale che diventa più evidente sulle lunghe distanze.

Vantaggi della fibra ottica

Riassumiamo in tre punti fondamentali i vantaggi che offrono le connessioni realizzate con cavi in fibra ottica:

• Velocità e ampia larghezza di banda. 
Uno dei principali punti di forza della fibra ottica è la capacità di garantire velocità di trasmissione nettamente superiori rispetto ai tradizionali cavi in rame. Ciò permette di gestire volumi di dati molto elevati in tempi ridotti, un aspetto cruciale nell’attuale era digitale, dove rapidità e affidabilità dell’accesso alle informazioni sono fondamentali. Inoltre, grazie alla sua ampia larghezza di banda, la fibra ottica può supportare contemporaneamente diversi servizi — telefonia, TV e connessioni internet ad alta velocità — utilizzando un unico cavo.
• Elevata resistenza alle interferenze elettromagnetiche. 
A differenza dei cavi in rame, che possono risentire di disturbi causati da interferenze elettromagnetiche esterne, la fibra ottica è totalmente immune a questo tipo di problematiche. Poiché il trasferimento dei dati avviene tramite impulsi luminosi e non segnali elettrici, la trasmissione risulta più stabile, costante e affidabile.
Questa caratteristica la rende ideale in ambienti con forti campi elettromagnetici, come in prossimità di linee elettriche ad alta tensione o di pesanti apparecchiature industriali.
• Distanze maggiori e minore attenuazione del segnale. 
Le fibre ottiche presentano una bassissima attenuazione del segnale, consentendo la trasmissione dei dati su distanze molto più lunghe rispetto ai cavi in rame, senza necessità di rigeneratori o amplificatori intermedi. Mentre il rame raggiunge solo pochi chilometri di portata, la fibra ottica può estendersi per centinaia di chilometri senza perdita di qualità.
Per questo motivo rappresenta la soluzione ideale per reti di comunicazione a lunga distanza, come le infrastrutture di backhaul delle telecomunicazioni e le reti di trasporto Internet.

Principali applicazioni delle connessioni con cavi in fibra ottica

• Telecomunicazioni e trasmissione dati
. L’impiego più diffuso e rappresentativo della fibra ottica è nel settore delle telecomunicazioni. Le reti in fibra costituiscono la struttura portante delle moderne infrastrutture di comunicazione, permettendo di trasferire enormi quantità di dati su grandi distanze in modo rapido e affidabile.
• Backbone e reti di trasporto Internet. 
Sebbene molti associno la fibra ottica alle connessioni domestiche ad alta velocità, il suo ruolo è molto più ampio. I backbone di Internet — le dorsali principali su cui si regge la rete mondiale — sono composti quasi interamente da cavi in fibra ottica. Queste reti collegano i principali punti di interscambio del traffico dati (Internet Exchange Point, IXP) e i data center globali, costituendo l’infrastruttura fondamentale che permette a Internet di funzionare.
• Applicazioni mediche, militari e industriali. 
Oltre alle telecomunicazioni, la fibra ottica trova impiego in diversi altri settori:
  – Medicina: Gli endoscopi a fibra ottica consentono la visualizzazione di aree interne del corpo difficili da raggiungere, offrendo immagini ad alta definizione utili per diagnosi e interventi.
  – Ambito militare: Grazie all’elevata resistenza alle interferenze e alla capacità di garantire comunicazioni sicure, la fibra ottica è impiegata in sistemi di comunicazione e sensori avanzati.
  – Produzione Industriale: In campo industriale viene utilizzata in molte soluzioni di sensoristica — ad esempio per monitorare temperatura, pressione e deformazioni — risultando ideale in ambienti ostili o soggetti a forti interferenze.

Installazione e manutenzione delle reti con cavi in fibra ottica

Così come viene fatto per le reti di cavi in rame o con altri conduttori classici anche l’installazione di una rete in fibra ottica richiede una pianificazione attenta. Come sempre è necessario rispettare alcune buone pratiche fondamentali per garantirne le migliori prestazioni:

• Pianificazione del percorso: Prima di procedere, è necessario definire con precisione la tratta del cavo, valutando eventuali ostacoli come strade, fiumi, edifici o infrastrutture esistenti.
• Rispetto del raggio di curvatura: Ogni cavo in fibra ottica ha un raggio di curvatura minimo da rispettare per evitare danneggiamenti e attenuazioni del segnale.
• Controllo della tensione: Durante la posa, i cavi non devono essere sottoposti a trazioni eccessive. Ogni tipologia dispone di un valore massimo di tensione da non superare.
• Protezione dagli agenti esterni: È importante proteggere i cavi da fattori ambientali come umidità, temperature estreme e radiazioni UV, che potrebbero comprometterne l’integrità e il funzionamento.

Dispositivi per la giunzione e la connessione delle fibre ottiche

La giunzione delle fibre ottiche è un’operazione essenziale sia per l’ampliamento delle reti sia per la riparazione di cavi danneggiati. I principali strumenti e metodi utilizzati sono:

• Giunzioni permanenti: Consentono di unire due fibre in modo stabile e duraturo, assicurando una perdita di segnale minima.
• Cassette di giunzione: Forniscono un ambiente protetto in cui realizzare e alloggiare le giunzioni di più fibre, garantendo ordine e sicurezza.
• Patch panel e ripartitori ottici: Permettono di organizzare, distribuire e gestire le connessioni dei cavi ottici in maniera strutturata ed efficiente.

Connettori e componenti per la fibra ottica

Per collegare e interconnettere correttamente i cavi in fibra ottica si utilizzano connettori specifici, progettati per garantire precisione e stabilità nella trasmissione del segnale. Ne esistono diversi tipi, ciascuno con caratteristiche e ambiti di utilizzo distinti. Tra i più diffusi troviamo:

• SC (Square/Standard Connector): Tra i connettori più usati nelle telecomunicazioni, offre prestazioni affidabili e utilizza un meccanismo a baionetta che facilita inserimento e rimozione.
• LC (Lucent Connector): Caratterizzato da dimensioni ridotte, è ideale per applicazioni ad alta densità, come data center e reti di storage (SAN).
• ST (Straight Tip Connector): Dotato di un attacco a baionetta, è comunemente impiegato nelle reti LAN e in applicazioni analogiche.
• FC (Ferrule Connector): Progettato per resistere alle vibrazioni, viene utilizzato in ambienti particolarmente impegnativi, come contesti industriali e militari.

Oltre a questi, sono disponibili anche connettori come gli MTP/MPO, pensati per soluzioni ad altissima densità di connessioni.

Risoluzione dei problemi e riparazione delle reti in fibra ottica

Sebbene le reti in fibra ottica siano note per la loro elevata affidabilità, possono comunque verificarsi guasti o anomalie. In tali situazioni è necessario seguire procedure adeguate per l’individuazione e la riparazione dei problemi:

• Individuazione del guasto: Attraverso strumenti come gli OTDR è possibile localizzare con precisione interruzioni, attenuazioni anomale o punti di perdita lungo la tratta ottica.
• Ripristino delle fibre: In presenza di rotture o danni, si può intervenire con giunzioni oppure sostituendo la sezione compromessa per ristabilire il corretto funzionamento della linea.
• Sostituzione dei componenti difettosi: Connettori, cassette di giunzione o altri elementi deteriorati devono essere rimossi e rimpiazzati con componenti nuovi e compatibili.
• Verifica e certificazione: Una volta completate le riparazioni, è indispensabile effettuare test approfonditi per accertare che la rete rispetti gli standard di qualità e le prestazioni richieste.

Strumenti e dispositivi di misura per la fibra ottica

Per garantire il corretto funzionamento di una rete in fibra ottica è fondamentale disporre degli strumenti adeguati per eseguire test, controlli e monitoraggi:

• OTDR (Riflettometri ottici a dominio temporale): Sono tra gli strumenti più utilizzati per l’analisi delle fibre ottiche. Permettono di ottenere informazioni sulla lunghezza del cavo, sulle perdite di segnale e sull’eventuale presenza di guasti o anomalie lungo la tratta.
• Misuratori di potenza ottica: Servono a misurare la potenza del segnale trasmesso, aiutando a individuare attenuazioni anomale e problemi di performance.
• Sorgenti luminose: Generano un segnale ottico che viene inviato attraverso la fibra per effettuare vari tipi di test, spesso in combinazione con i misuratori di potenza.
• Microscopi per l’ispezione delle terminazioni: Consentono di esaminare le estremità delle fibre ottiche per verificare la qualità della terminazione e rilevare eventuali difetti, graffi o contaminazioni.

Conclusioni

Abbiamo visto in questo articolo il funzionamento e della manutenzione della fibra ottica. Abbiamo analizzato gli aspetti fondamentali del funzionamento, della progettazione di reti di trasmissione dati e la manutenzione con gli strumenti di misura. Questo articolo è ospitato nella sezione dedicata al Laboratorio di Elettronica. Nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica troverete ulteriori articoli di approfondimento.