ELETTRONICA

L’insegnamento si prefigge di fornire le conoscenze e le abilità fondamentali relative all’impiego dei dispositivi a semiconduttore in tecnologia CMOS e Bipolare nei circuiti analogici e digitali e alle relative metodologie di analisi e progettazione.

Conoscenza e comprensione. Lo studente approfondirà il ruolo dell'elettronica nelle applicazioni moderne e in previsione di quelle future. Conoscerà le principali configurazioni circuitali che impiegano diodi e transitori utilizzati nell'elettronica analogica e digitale. Conoscerà le tecniche di analisi e i primi elementi di progettazione. Conoscerà i principali parametri di prestazione circuitali, un ambiente di simulazione e di caratterizzazione sperimentale.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Lo studente sarà in grado di comprendere, analizzare e simulare i parametri prestazionali delle principali configurazioni circuitali dell'elettronica analogia e digitale. Sarà inoltre in grado di scegliere il dispositivo e la configurazione circuitale più appropriati per la risoluzione di problemi elementari di progettazione. Infine, grazie alle attività di laboratorio, lo studente migliorerà le sue capacità di lavorare in gruppo e di problem-solving.

Autonomia di giudizio. La formazione teorica è accompagnata da esempi, applicazioni, esercitazioni, sia pratiche che teoriche, che abituano lo studente a prendere decisioni e a riuscire a giudicare e prevedere l’effetto delle proprie scelte.

Abilità comunicative. A completamento del corso ci si attende che lo studente acquisirà la capacità di veicolare ai propri interlocutori, in modo chiaro e compiuto, le conoscenze acquisite.

Capacità di apprendimento. A completamento del corso ci si attende che lo studente sarà anche in grado di rielaborare le conoscenze per estenderle a situazioni non esplicitamente trattate, essendo anche in grado di apprendere in autonomia.

L'insegnamento prevede lezioni frontali teoriche, esercitazioni numeriche, esercitazioni al simulatore (CAD) ed esperienze di laboratorio attraverso la progettazione, implementazione e caratterizzazione sperimentale di topologie studiate, mirate a mettere in pratica, sviluppare e consolidare i contenuti teorici e le tecniche di analisi e progettazione presentati. Saranno inoltre organizzati dei seminari tenuti da ricercatori e progettisti provenienti da aziende operanti nel settore della microelettronica per fornire una panoramica sullo stato dell’arte. Le lezioni/esercitazioni di laboratorio verranno svolte con l'ausilio di un Tutor. 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.

Il docente è disponibile anche a incontri di ricevimento in modalità telematica, previo appuntamento

Conoscenza di elementi di teoria dei circuiti (legge di Ohm, Generatori equivalenti di Thevenin e Norton, Leggi di Kirchhoff, principio di sovrapposizione, circuiti in regime sinusoidale), di elettromagnetismo (carica elettrica, materiali conduttori e isolanti, campo elettromagnetico), di teoria dei sistemi (funzione di trasferimento nella variabile di Laplace, diagrammi di Bode, retroazione negativa), teoria dei segnali (segnali analogici e segnali digitali) e dispositivi elettronici (materiali semiconduttori, diodo, transistore Bipolare e MOS). Ad ogni modo i concetti principali degli argomenti citati verranno riepilogati ad inizio del corso e ove necessario.

La frequenza non è obbligatoria ma fortemente consigliata in quanto vengono svolte esercitazioni propedeutiche allo svolgimento delle prove di esame e vengono anche svolte attività di laboratorio.

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. 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. Filtri attivi passa-basso e passa-alto. *Integratore di Miller. *Derivatore. Nonidealità. Guadagno di modo comune. CMRR. Resistenze di ingresso e di uscita. Offset. Prodotto banda-guadagno. Slew rate.
3. Circuiti a diodi: Diodo a giunzione. Richiami sulla caratteristica I/V del diodo. *Diodo in polarizzazione inversa, nulla e diretta. Modello per ampio segnale. Modello SPICE del diodo. Tempi di commutazione. *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 e a ponte. *Regolatore di tensione con diodo Zener. Fotodiodi, diodi Schottky, celle solari e diodi emettitori di luce.
4. Richiami sui transistori ad effetto di campo: MOSFET a canale n (NMOS) e a canale p (PMOS) transistore bipolare NPN e PNP. Simboli circuitali ed equazioni di funzionamento nelle diverse regioni operative. *Polarizzazione del MOSFET. *Polarizzazione con rete a 4 resistori. Analisi basata sul metodo della retta di carico. Modelli SPICE.
5. Richiami sui Transistori bipolare: BJT npn e pnp. Simboli circuitali ed equazioni di funzionamento nelle diverse regioni operative. *Modello di Ebers Moll. *Polarizzazione del BJT *Polarizzazione con rete a 4 resistori. Analisi basata sul metodo della retta di carico. Modelli SPICE.
6. 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 ad effetto di campo e del BJT. *Guadagno di tensione intrinseco del MOSFET e del BJT. *L’amplificatore a source comune (CS) e ad emettitore comune (CE) (guadagno di tensione a centro banda, resistenze di ingresso e di uscita). Dissipazione di potenza ed escursione del segnale. *Configurazioni a drain/collettore comune e gate/base comune (CD/CC, CG/CB). *Configurazione CS/CE con resistenza di degenerazione. Amplificatori multistadio accoppiati in AC.
7. Specchi di corrente: *Analisi DC dello specchio di corrente MOS. *Modifica del rapporto di riflessione per lo specchio di corrente MOS e BJT. Specchio di corrente MOS cascode.
8. Coppia differenziale: *Segnale differenziale e di modo comune. *Analisi per ampi segnali della coppia differenziale a BJT. *Analisi per piccoli segnali del guadagno differenziale e di modo comune e CMRR per coppia differenziale a BJT e MOS.
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. *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, CD e CG (CE,CC, CB) e CS/CE con degenerazione.
10. 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.
11. Simulazione di circuiti elettronici: LTSPICE
12. Seminari di approfondimento: seminari tenuti da esperti dell’industria microelettronica.

1. Jaeger-Blalock, Microelettronica Ed. Mc-Graw-Hill, V Edizione, 2018.

2. Sedra - Smith, Circuiti per la Microelettronica, EDISES 2013.

3. Millman-Grabel-Terreni, Elettronica di Millman, Ed. Mc-Graw-Hill 2008.

4. LTSPICE Manual

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 sul sito studium.unict.it.

L’apprendimento viene verificato attraverso l'esame finale. Questo consiste in una prova scritta, della durata di 1,5 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 e che può includere diodi e amplificatori operazionali ideali. Calcolo delle frequenze di taglio.

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 4/10.

Il colloquio orale è la parte conclusiva dell'esame e si svolge con tre domande incentrate su altrettanti argomenti del corso (tipicamente, due domande 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.

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

Learning Assesment may also be carried out online, should the conditions require it.

Circuiti raddrizzatori a singola o doppia semionda

Regolatore di tensione serie e parallelo

Cortocircuito virtuale

Applicazioni degli applicatori operazionali

Frequenza di transizione del transistore MOS

Specchi di corrente

Risposta in frequenza di uno stadio CS

Amplificatore cascode

Porte logiche CMOS

BJT in saturazione

Porte NAND e NOR CMOS

Latch e flip-flop

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