ELETTRONICA M - Z

Il corso si prefigge di fornire conoscenze di base sulla modellistica dei dispositivi elettronici, sul funzionamento dei circuiti analogici e digitali in tecnologia CMOS e sulle più comuni configurazioni circuitali che fanno uso di amplificatori operazionali. Il corso prevede anche di fornire conoscenze sull’utilizzo di software CAD (ad esempio LTSPICE) di simulazione circuitale.

Alla fine del corso lo studente avrà una panoramica dei dispositivi elettronici e delle applicazioni in cui vengono utilizzati e sarà in grado di analizzare e progettare semplici circuiti analogici e digitali, anche mediante l’utilizzo di strumenti CAD.

L'insegnamento prevede sia lezioni frontali che esercitazioni numeriche e al simulatore (CAD), mirate a mettere in pratica, sviluppare e consolidare i contenuti teorici e le tecniche di analisi e progettazione sviluppate. Saranno inoltre organizzati dei seminari tenuti da ricercatori e progettisti provenienti da aziende operanti nel settore della microelettronica.

Conoscenza di studio di funzioni (Analisi matematica I), di nozioni di elettromagnetismo (Fisica II) e di elementi di teoria dei circuiti (Elettrotecnica).

La frequenza è obbligatoria in quanto vengono tenute e assegnate esercitazioni propedeutiche allo svolgimento della prova scritta. Per l’accesso all’esame è necessario aver acquisito una frequenza superiore al 70% delle ore totali del corso. È obbligatoria l’iscrizione alla piattaforma Studium che sarà utilizzata per tutte le comunicazioni inerenti lo svolgimento del corso.

1. Introduzione all’elettronica: Breve storia dell’elettronica. Classificazione dei segnali elettronici. Conversione A/D e D/A. Convenzioni sulle notazioni. Generatori dipendenti. Richiami di teoria dei circuiti (Leggi di Kirchhoff. Partitori. Circuiti equivalenti di Thevenin e Norton). Spettro di frequenza di segnali elettronici. Amplificatori. Esempio: Ricevitore FM.

2. Elettronica dello stato solido: Materiali dell’elettronica allo stato solido. Modello a legame covalente. Concentrazione intrinseca dei portatori. Legge dell’azione di massa. Correnti di deriva e mobilità nei semiconduttori. Saturazione della velocità di deriva. Resistività del silicio intrinseco. Semiconduttori drogati. Concentrazione di elettroni e lacune nei semiconduttori drogati. Corrente di diffusione. Corrente totale in un semiconduttore. Modello a bande di energia.

3. Diodi a stato solido e circuiti a diodi: Diodo a giunzione. Caratteristica I/V del diodo. Diodo in polarizzazione inversa, nulla e diretta. Coefficiente di temperatura del diodo. Breakdown e diodo Zener. Capacità del diodo in polarizzazione diretta ed inversa. Diodo in commutazione. Modello per ampio segnale. Modello SPICE del diodo. Analisi di circuiti a diodi. Analisi grafica con retta di carico. Analisi con il modello matematico del diodo ideale (resistenza di piccolo segnale). Analisi a caduta di tensione constante. Circuiti a più diodi. Raddrizzatore a semionda con carico R, C ed RC (Filtro capacitivo). Raddrizzatore a doppia semionda ed a ponte. Regolatore di tensione con diodo Zener. Fotodiodi, diodi Schottky, celle solari e diodi emettitori di luce.

4. Transistori MOS: Il condensatore MOS. Regione di accumulazione. Regione di svuotamento. Regione di inversione. MOSFET a canale n (NMOS). Analisi qualitativa del comportamento I/V del transistore NMOS. Regione di triodo del transistore NMOS. Resistenza di conduzione. Regione di saturazione del transistore NMOS. Modello matematico della regione di saturazione. Transconduttanza in saturazione. Modulazione della lunghezza di canale. Effetto body. MOSFET a canale p (PMOS). Simboli circuitali del MOSFET. Capacità del transistore NMOS nella regione di triodo. Capacità nella regione di saturazione. Capacità nella regione di interdizione. Polarizzazione del MOSFET. Polarizzazione con rete a 4 resistori. Analisi basata sul metodo della retta di carico. Modelli SPICE.

5. I circuiti digitali: Porte logiche ideali. Definizione dei livelli logici e dei margini di rumore. Livelli logici. Margini di rumore. Criteri di progetto per una porta logica. Risposta dinamica di una porta logica. Tempi di salita e di discesa. *Ritardo di propagazione. Prodotto ritardo-potenza. Richiami di algebra booleana. Circuiti logici CMOS. Caratteristiche statiche dell’invertitore CMOS. Caratteristica di trasferimento dell’invertitore CMOS. Porte logiche NOR e NAND CMOS, Porte logiche CMOS complesse. Circuiti di buffer. Ritardo di un circuito disaccoppiatore (buffer). Numero ottimo di stadi. Latch bistabile. Flip-flop SR. Flip-flop JK. Flip-flop T. Flip-Flop race condition. Il latch di tipo D a porte di trasmissione. Flip-flop master-slave. Flip-Flop edge-triggered. Registri e contatori. Memorie ad accesso casuale (RAM). La cella di memoria a sei transistori (6-T). Memorie dinamiche (DRAM). La cella di memoria a un transistore. Memorie a sola lettura (ROM). Memorie non volatili (EEPROM). Memorie flash.

6. Amplificatori operazionali: Esempio di sistema elettronico analogico. Amplificazione. Guadagni di tensione, di corrente e di potenza. Rappresentazione del guadagno in decibel. L’amplificatore differenziale. Caratteristica di trasferimento di tensione dell’amplificatore differenziale. Guadagno (di tensione) differenziale. Amplificazione dei segnali. Modello dell’amplificatore differenziale. L’amplificatore operazionale ideale. Ipotesi per l’analisi degli amplificatori operazionali ideali. L’amplificatore invertente. L’amplificatore di transresistenza. L’amplificatore non invertente. L’amplificatore a guadagno unitario o inseguitore di tensione (Buffer). Amplificatore sommatore. Amplificatore sottrattore. Integratore. Derivatore. Nonidealità. Guadagno di modo comune. CMRR. Resistenze di ingresso e di uscita. Offset. Prodotto banda-guadagno. Slew rate.

7. Modelli di piccolo segnale e amplificatori a singolo stadio: Il transistore come amplificatore. Condensatori di accoppiamento e di bypass. Utilizzo dei circuiti equivalenti DC e AC. Modello per piccolo segnale del diodo. Modello per piccolo segnale del transistore MOS. Guadagno di tensione intrinseco del MOSFET. L’amplificatore a source comune (CS) (guadagno di tensione a centro banda, resistenze di ingresso e di uscita). Dissipazione di potenza ed escursione del segnale. Classificazione degli amplificatori. Applicazione e prelievo del segnale (configurazioni CS, CD, CG). Configurazione CS con resistenza di degenerazione. Amplificatori multistadio accoppiati in AC.

8. Specchi di corrente: Analisi DC dello specchio di corrente MOS. Modifica del rapporto di riflessione per lo specchio di corrente MOS. Specchio di corrente cascode.

9. Risposta in frequenza: Risposta in frequenza degli amplificatori, guadagno a centro banda, frequenza di taglio inferiore, frequenza di taglio superiore. Stima della frequenza di taglio inferiore con il metodo delle costanti di tempo in cortocircuito. Stima della frequenza di taglio inferiore per le configurazioni di amplificatore CS, CG, CD. Modello in alta frequenza per il MOSFET. Frequenza di transizione f_T. Dipendenza di f_T dalla lunghezza di canale. Analisi ad alta frequenza dell’amplificatore source comune. L’effetto Miller. Stima della frequenza di taglio superiore con il metodo delle costanti di tempo a circuito aperto. Risposta in frequenza di un amplificatore CS.

10. Simulazione di circuiti elettronici: LTSPICE.

1. Jaeger-Blalock, Microelettronica Ed. Mc-Graw-Hill V Edizione.

2. Sedra-Smith, Circuiti per la Microelettronica, Edises.

Il materiale messo a disposizione è costituito da: lucidi delle lezioni, articoli di approfondimento, datasheets, modelli di dispositivi per il simulatore, e altro.

Esso è disponibile esclusivamente sul sito studium.unict.it.

https://studium.unict.it/dokeos/2020/courses/18584/

L’apprendimento viene verificato attraverso l'esame finale. Questo consiste in una prova scritta, della durata di 2 ore, e in un colloquio orale.

La prova scritta, la cui valutazione è espressa in decimi, è propedeutica al colloquio orale ed è incentrata sui seguenti argomenti:

1. Analisi di un circuito analogico in dc e in ac (valutazione massima 5/10)
2. Analisi di un circuito con amplificatori operazionali ideali (valutazione massima 2/10)
3. Analisi o sintesi di un circuito digitale (valutazione massima 2/10)
4. Stesura di un listato Spice (valutazione massima 1/10)

Per ogni punto, la valutazione della prova tiene conto anche della correttezza e coerenza del procedimento, della chiarezza espositiva, della correttezza dei calcoli numerici (ove richiesti) e di quanto lo studente sia riuscito a completare. Il risultato della prova scritta è pubblicato sulla piattaforma Studium (http://studium.unict.it). Il voto minimo per l’ammissione alla prova orale è 6/10.

Il colloquio orale è la parte conclusiva dell'esame e si svolge con tre domande incentrate su altrettanti argomenti del corso (tipicamente, una domanda sui dispositivi elettronici, una sui circuiti analogici e una sui circuiti digitali), sui quali lo studente deve dimostrare adeguata comprensione, padronanza degli argomenti discussi e chiarezza espositiva. La durata media del colloquio orale è di 30 minuti. Il voto finale terrà conto del risultato della prova scritta e, con maggior peso, dell’esito del colloquio orale.

Di seguito si elencano, a titolo di esempio e in maniera non esaustiva, alcuni argomenti che vengono chiesti nel corso del colloquio orale.

Equazione della corrente nel diodo

Modello di piccolo segnale del transistore PMOS

Circuiti raddrizzatori a singola o doppia semionda

Regolatore di tensione.

Cortocircuito virtuale

Applicazioni degli amplificatori operazionali

Frequenza di transizione del transistore MOS

Specchi di corrente

Risposta in frequenza di un CS

Porte logiche CMOS

Latch e flip-flop