CIRCUIT THEORY

OBIETTIVI FORMATIVI

L'obiettivo di questo corso è quello di fornire la conoscenza delle nozioni di base dei principali metodi di sintesi delle reti elettriche passive e attive a parametri concentrati, dei metodi di approssimazione delle maschere dei filtri, degli elementi di base del calcolo ad alte prestazioni, degli elementi di base delle linee di trasmissione.

CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Lo studente acquisirà la conoscenza delle principali dei principali metodi di sintesi delle reti elettriche passive e attive a parametri concentrati, nonché
delle tecniche di analisi e progettazionedei filtri analogici.

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di progettare e realizzare un filtro partendo dalle specifiche e analizzarne il comportamento tenendo in conto della variazione del valore dei componenti reali dovuti ai diversi fattori ambientali (temperatura, invecchiamento, umidità etc..). Tutto ciò sia mediante “carta e penna” sia attraverso l’ausilio del calcolatore (Matlab, Spice).

AUTONOMIA DI GIUDIZIO

Nella progettazione e realizzare un filtro partendo dalle specifiche lo studente sarà in grado di effettuare autonomamente le opportune scelte progettuali.
Tale capacità sarà ottenuta attraverso esercitazioni numeriche e simulazioni al calcolatore che metteranno in luce per ogni metodo di sintesi delle reti elettriche passive e attive e per ogni metodo di approssimazione delle maschere dei filtri punti di forza e limitazioni

ABILITÀ COMUNICATIVE

Lo studente rafforzerà il linguaggio tecnico relativamente agli argomenti del corso
e sarà in grado di interagire con i colleghi di lavoro perchè per superare l’esame finale è richiesta la presentazione e discussione di un’elaborato di corso da svolgere in gruppo. Ogni gruppo sarà composto da tre, quattro studenti. Poiché ogni elaborato deve avere la struttura di un progetto esecutivo, gli studenti saranno stimolati ad affinare la capacità di lavorare in gruppo la capacità comunicative

CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO

Lo studente sarà in grado di ampliare autonomamente le proprie conoscenze di teoria dei circuiti attraverso l’approfondimento dei testi di riferimento e tramite gli spunti offerti dalle slides preparate dal docente

L'insegnamento prevede sia lezioni frontali sia esercitazioni numeriche , mirate a mettere in pratica, sviluppare e consolidare i contenuti teorici e le tecniche presentate a lezione.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Sono raccomandate le nozioni base della matematica, della fisica e dell’elettrotecnica.

La frequenza non è obbligatoria ma fortemente consigliata in quanto vengono svolte e assegnate esercitazioni propedeutiche allo svolgimento dell'elaborato di corso.

Risposta in frequenza di bipoli passivi lineari: Bipoli risonanti: risonanza serie, risonanza parallelo; ricerca della risonanza; bipolo LC serie: risposta in frequenza, risonanza; bipolo LC parallelo: risposta in frequenza, risonanza; bipolo RLC serie: risposta in frequenza, pulsazioni di taglio, larghezza di banda, condizioni di risonanza, fattore di qualità, risposta in frequenza normalizzata; bipolo RLC parallelo.

Funzioni di Rete: Tipi di funzioni di rete: autoimpedenza, autoammettenza e funzioni di trasferimento; esempi di funzioni di rete; proprietà generali delle funzioni di rete; poli e zeri e risposta in frequenza; poli e zeri e risposta all’impulso; proprietà di simmetria delle funzioni di rete; legame tra la funzione di rete e la risposta in frequenza.

Sintesi delle reti passive: Proprietà delle immettenze di bipoli LPPC; funzioni reali positive; condizioni necessarie; proprietà delle funzioni reali positive; rimozione dei poli all'infinito. rimozione dei poli nell'origine; proprietà e sintesi di immettenze LC: metodi di Foster e Cauer; proprietà e sintesi delle immettenze RC; preambolo di Foster; proprietà e sintesi di immettenze RLC: metodi di Brune e di Bott e Duffin; rappresentazione delle reti due porte; proprietà delle matrici immettenza di reti due-porte; sintesi tipo-Foster di reti 2-porte LC. esempi di sintesi RC.

Sensibilità: Definizione; funzioni di sensibilità; sensibilità multiparametrica; sensibilità di filtri a scala senza perdite; sensibilità dei coefficienti; sensibilità dei poli; sensibilità rispetto agli elementi parassiti; calcolo della sensibilità con la rete aggiunta.

Approsimazione delle funzioni di rete: Specifiche di un filtro; maschera di attenuazione; ritardo di gruppo; approssimazione con funzioni razionali: funzioni di Butterworth, Chebychev, Chebychev inverso; trasformazioni: passa-basso/passa-alto, passa-basso/passa-banda; approssimazione di fase; funzioni di Thomson; reti passa-tutto.

Linee di trasmissione: Linee di trasmissione senza perdite: generalità; modello circuitale di linea di trasmissione; equazioni d'onda e loro soluzione; equazioni delle linee nel dominio della frequenza. esempi di linee di trasmissione: cavo coassiale; linea bifilare; linea bifilare schermata; linea a striscia (stripline); microstriscia; Circuiti contenenti linee di trasmissione: Definizione di impedenza locale; Coefficienti di riflessione; Diagrammi di tensione, corrente e impedenza sulla linea; La Carta di Smith; Analisi di semplici circuiti; Fenomeni dissipativi nelle linee di trasmissione: Perdite nel dielettrico; Perdite nei conduttori; Parametri di perdita di alcune linee di trasmissione; Linee di trasmissione con piccole perdite; Espressioni approssimate di costante di propagazione e impedenza caratteristica; Soluzione delle equazioni delle line con piccole perdite; Circuiti di adattamento: Tipi di adattamento di impedenza; Celle a L con elementi reattivi concentrate; Adattatori a stub singoli ; Adattatore a P (doppio stub); Adattatori a l/4.

Matrice di Scattering: La matrice Scattering: Definizione dei parametri di scattering; Proprietà della matrice scattering [S] di un dispositivo; Relazione tra le matrici [S] e [Z]; Cambiamento delle impedenze di riferimento; Spostamento dei piani di riferimento; Connessione di strutture.

Elementi di calcolo ad alte prestazioni: Calcolo ad alte prestazioni (HPC): Architetture Computazionali, Hardware ad alte Prestazioni, Legge di Moore's, Calcolo parallelo, Threading, Pile di Memoria, SISD - SIMD – MISD – MIMD, MPI – OpenMP – Grid, Memoria condivisa, paradigmi computazionali; Calcolo General Pourpose su GPU (GPGPU): schede Grafiche e GPU, NAND, ADD, Adder, dispositive GPU, GPU schematics, CUDA – STREAM; Compute Unified Device Architecture (CUDA): Host e dispositivi, memoria, passaggio dati, threading, GPU threading, calcolo parallelo, barriere, deadlocks, istruzioni cuda, funzioni, kernels, copia di memoria, array, indexing, allocazioni; Esempi di programmazione in CUDA: Cuda toolkit, debugger, profilers, compilatori, addizione tra vettori, threads e blocchi, CUFFT, programmazione Multi-GPU.

Elementi di Pspice: Avviare l’editor degli schematics (capture), creazione di un nuovo progetto: uso della libreria di Pspice, ricerca e inserimento di un componente, collegamento dei componenti, selezione e inserimento dei marker; utilizzazione di sorgenti di segnale appropriati per: analisi in transitorio, analisi della risposta in frequenza, analisi in continua; eseguire la simulazione del circuito: Analisi in transitorio, analisi della risposta in frequenza, analisi in continua; come modificare i parametri dei modelli.

1. S. P. Ghosh, A.K. Chakraborty, “Network Analysis and Synthesis”, Tata McGraw Hill.

2. G. Hager and G. Wellein, “Introduction to High Perfomance Computing for Scientist and Engineering”, CRC Press.

3. Rob Faber, “CUDA Application Design and Development”, Morgan Kaufmann.

4. Steve Winder, “Analog and Digital Filter Design”, Newnes Elsevier Science.

5. Omar Wing, “Classical Circuit Theory”, Springer.

Il materiale messo a disposizione è costituito da: lucidi delle lezioni, articoli di approfondimento, e altro. Esso sarà reso disponibile prima dell'inizio del corso sulla piattaforma Team.

L'esame consiste in una prova orale preceduta dalla presentazione di un elaborato di corso.

L'elaborato viene svolto tipicamente in gruppo (di 2-4 studenti). L'elaborato verte sulla progettazione e simulazione di filtri passivi.

La prova orale consta tipicamente di 3 domande.

Ciascuna domanda viene valutata con un voto che va da 1 a 9. Il voto complessivo della prova, in trentesimi, consiste nella somma dei voti delle tre domande e dal punteggio assegnato all'elaborato di corso. La durata media della prova è di 35 min.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Approsimazione di Chebychev e di Butterworth;

Sintesi di immettenze LC: metodi di Foster e Cauer;

Sintesi di immettenze RLC: metodi di Brune e di Bott e Duffin;

Carta di Smith;

Architetture Computazionali;

Sensibilità;

(CUDA): Host e dispositivi, memoria, passaggio dati, threading;

Linee di trasmissione;

Matrice di Scattering;