Obiettivi dell’insegnamento
Scopo dell’insegnamento è quello di avviare gli allievi ad una conoscenza degli aspetti caratterizzanti le discipline dell’elettronica. L’insegnamento prende in considerazione i concetti fondamentali del trattamento elettronico dell’informazione, sia essa di tipo analogico che digitale, soffermandosi sull’esame del comportamento fisico dei dispositivi elettronici e dei circuiti analogici e digitali, cosicché l’allievo possa valutarne l’influenza sulle prestazioni reali del sistema: amplificazione, risposta in frequenza, velocità, dissipazione di potenza.
Risultati di apprendimento attesi
DdD1. Conoscenza e comprensione
- conoscere gli elementi di base di un sistema elettronico
- comprendere le proprietà dei materiali semiconduttori ed il funzionamento dei dispositivi base come la giunzione p-n e il transitore MOSFET
- conoscere le principali famiglie logiche a MOSFET e caratterizzare prestazioni statiche e dinamiche
- conoscere architettura di memorie statiche, dinamiche, flash
- comprendere funzionamento di circuiti a diodo e conoscere le principali applicazioni
- conoscere i principali circuiti ad amplificatori operazionali e comprendere l’impatto delle non-idealità dell’amplificatore sulle prestazioni del circuito
- conoscere le principali architetture di convertitori A/D e D/A e le diverse prestazioni raggiungibili
DdD2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- conoscenza e capacità di selezione delle tecniche di analisi e delle approssimazioni utili per lo studio del comportamento di circuiti analogici e digitali elementari.
- capacita’ di analizzare circuiti generici con R e C in regime transitorio.
- capacita’ di analizzare un circuito a diodi, una porta logica a MOSFET, un circuito ad amplificatori operazionali reali, o semplici catene di acquisizione impieganti convertitori analogico/digitali.
- capacita’ di affrontare il dimensionamento di stadi di amplificazione elementari e di catene di conversione analogico/digitali di base che soddisfino precise specifiche di prestazioni.
Argomenti trattati
Argomenti delle lezioni
- Sistemi e dispositivi elettronici: descrizione di un sistema elettronico. Sensori e trasduttori. Segnali e tipi di segnale. Analisi di transitori di circuiti del 1o ordine. Condizionamento e filtraggio. Proprietà dei semiconduttori, struttura cristallina, generazione coppie elettrone/lacuna, drogaggio tipo n e p, corrente di deriva nei semiconduttori. Giunzione p-n e corrente di diffusione. Principio di funzionamento del diodo a giunzione p-n, zona svuotata, polarizzazione diretta e inversa, breakdown, caratteristica I-V, dipendenza dalla temperatura. Diodi zener e fotodiodi. Transistori MOSFET canale p ed n ad arricchimento: simboli e struttura fisica, corrente in zona di saturazione, in zona triodo, capacità parassite.
- Circuiti digitali: circuiti logici, porte logiche CMOS (invertitore, NAND, NOR), sintesi di porte CMOS. Prestazioni statiche delle porte logiche: margini di rumore, soglia di commutazione, rigenerazione dei livelli. Prestazioni dinamiche: tempo di propagazione, tempo di salita e di discesa. Calcolo del tempo di propagazione e della potenza dissipata da una porta logica. Composizione di MOSFET in serie e parallelo. Fan-in e fan-out in logica CMOS. Architetture pseudo nMOS con carico attivo e passivo. Pass-transistor logic (PTL), PTL a transmission gate, complementary pass transistor logic (CPL). Invertitori tri-state. Circuiti di memoria: circuito bistabile o latch, flip-flop. Memorie RAM statiche (SRAM) e dinamiche (DRAM). Charge sharing. Organizzazione e struttura di una memoria. Memorie ROM e flash. Circuito oscillatore ad anello. Circuito monostabile a XOR.
- Circuiti a diodi: Modello del diodo in polarizzazione diretta, in polarizzazione inversa e in zona di breakdown. Analisi di circuiti con diodi. Circuiti limitatori di tensione. Raddrizzatore a diodo e calcolo del ripple. Rivelatore di picco a diodo. Regolatore di tensione a diodo zener. Progetto di un alimentatore dc. Circuiti di aggancio a diodo.
- Elettronica analogica: segnali analogici, sistemi di acquisizione ed elaborazione analogici, amplificatori lineari. Amplificatore operazionale: simbolo e modello, guadagno differenziale, modo comune e CMRR, amplificatore in configurazione invertente con guadagno dell’operazionale infinito e finito. Sistemi retroazionati: guadagno, guadagno d’anello. Circuiti con amplificatori operazionali: configurazione non invertente, circuito sommatore, amplificatore di differenza, integratore e filtri. Non-Idealità degli amplificatori operazionali: offset di tensione, corrente di polarizzazione, offset di corrente, prodotto guadagno-banda finito, limiti di tensione, corrente, slew rate. Circuiti reazionati negativamente, stabilità, margine di fase. Circuiti reazionati positivamente: trigger di Schmitt (invertente e non-invertente). Multivibratori astabili per generazione di onda quadra e triangolare.
- Convertitori analogico/digitale (A/D) e digitale/analogico D/A: caratteristica di trasferimento di un convertitore A/D, errore di offset, di guadagno, di nonlinearità, INL e DNL, errore di quantizzazione. Circuito sample-and-hold (S&H). Frequenza di campionamento. Tempo di sample e di hold. Errori di assestamento, errore di guadagno. Circuiti sample-and-hold: droop, errore di offset, errore di piedistallo per iniezione di carica. Strutture migliorate di S&H. Caratteristica di trasferimento di un convertitore D/A, errori di nonlinearità. Topologie di convertitori A/D: flash, a gradinata, tracking, ad approssimazioni successive. Topologie di convertitori D/A: resistenze pesate, rete a scala R-2R, stringa di resistenze.
Argomenti delle esercitazioni
- Richiami di elettrotecnica e analisi di circuiti lineari
- Analisi e dimensionamento di circuiti digitali a transistori MOSFET
- Analisi di circuiti a diodi
- Analisi di circuiti ad amplificatori operazionali con caratteristiche ideali e reali
- Analisi di circuiti convertitori A/D e D/A
- Dimensionamento di catene di acquisizione con circuiti amplificatori, filtri e convertitori
Prerequisiti
Nozioni di base di risoluzione dei circuiti elettrici, funzioni di trasferimento e loro rappresentazione (reperibili presso gli insegnamenti Elettrotecnica e Fondamenti di Automatica o equivalenti)
Modalità di valutazione
L’esame è scritto e prevede la risoluzione di esercizi numerici senza la possibilità di consultare testi. Il tema d’esame è generalmente costituito da 10 quesiti con peso omogeneo sul voto finale. In particolare, l’esame prevede:
- Risoluzione di problemi numerici sulle tipologie di circuiti trattati nel corso (ad es. analisi di circuiti a diodo, analisi di circuiti ad amplificatori operazionali, analisi di circuiti logici a transistore MOSFET) con eventuale scelta di opportune tecniche di approssimazione (DdD1, DdD2).
- Dimensionamento di componenti che consentano il raggiungimento di specifiche prestazioni di un circuito (DdD1, DdD2).
- Calcolo dell’impatto delle proprieta’ reali dei componenti sulle prestazioni di un sistema elettronico (ad es. uno stadio di amplificazione, una porta logica, una catena di conversione A/D) (DdD1, DdD2).
È possibile sostenere una prova in itinere che verterà sulla prima parte degli argomenti dell’insegnamento (argomenti 1., 2., 3.). Gli studenti con prova in itinere sufficiente, in occasione del primo appello successivo alla fine delle lezioni, potranno sostenere una seconda prova che verterà sulla sola seconda parte dell’insegnamento (argomenti 4., 5.).