1001258 - ELETTRONICA A - L

Conoscenza e comprensione

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.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

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 attraverso l'utilizzo di strumenti CAD.

Autonomia di giudizio

Lo studente sarà in grado di progettare semplici circuiti analogici e digitali effettuando autonomamente le opportune scelte progettuali. Tale capacità è affinata attraverso l’uso di opportune esercitazioni numeriche e simulazioni al calcolatore. 

Abilità comunicative

Lo studente acquisirà il linguaggio tecnico dell’elettronica circuitale. Sarà inoltre in grado di comunicare le scelte progettuali effettuate nella risoluzione di un problema circuitale. L’esame orale consentirà agli studenti di affinare il linguaggio tecnico e le capacità comunicative.

Capacità di apprendimento

Lo studente sarà in grado di ampliare autonomamente le proprie conoscenze di elettronica attraverso l’approfondimento sui testi consigliati e tramite gli spunti offerti dalle attività seminariali organizzate all’interno dell’insegnamento. 

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

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 corso richiede che lo studente

1. sia in grado di effettuare lo studio di una funzione matematica (Analisi Matematica I)
2. conosca gli strumenti del calcolo infinitesimale (Analisi Matematica I)
3. conosca e sappia manipolare le grandezze fisiche legate ai fenomeni elettromagnetici (Fisica II)
4. conosca i fondamenti della teoria dei circuiti ivi compresi i suoi principali teoremi (Elettrotecnica)
5. conosca e abbia dimestichezza nel risolvere i circuiti elettrici lineari tempo-invarianti in regime stazionario, sinusoidale e transitorio anche attraverso l'uso della trasformata di Laplace (Elettrotecnica)

La frequenza è obbligatoria in quanto vengono tenute lezioni teoriche ed esercitazioni fondamentali per la corretta comprensione della materia. 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.

L’apprendimento viene verificato attraverso un colloquio orale. Il colloquio orale si svolge, generalmente, 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.  Nel corso del colloquio orale può essere chiesto di impostare lo svolgimento di un esercizio numerico riguardante l'analisi o la progettazione di un circuito elettronico. La durata media del colloquio orale è di 40 minuti. Il voto finale terrà conto della partecipazione dello studente a lezione (attraverso la presenza e le esercitazioni assegnate) 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.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento.

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

Fisica dei Dispositivi 

• Concentrazione di portatori
  
• Legge dell’azione di massa
  
• Corrente di deriva (mobilità, campo elettrico)
  
• Resistività dei Silicio
  
• Semiconduttori drogati
  
• Modello a bande di energia
  
• Equazione della corrente nel diodo
  
• Modello di piccolo segnale del transistore MOS
  

Diodi

• Barriera di potenziale nella giunzione pn
  
• Caratteristica I/V del diodo
  
• Regione di breakdown (Valanga e Zener)
  
• Effetti capacitivi (giunzione e diffusione)
  
• Diodo Schottky
  
• Modello di piccolo segnale del diodo
  
• Analisi di circuiti a diodi (retta di carico, modello del diodo ideale)
  
• Raddrizzatori a singola semionda
  
• Raddrizzatore a doppia semionda.
• Regolatore di tensione a diodo Zener

Transistori MOS

• Regioni di funzionamento del condensatore MOS
  
• Corrente in regione di triodo
  
• Corrente in regione di saturazione
  
• Modulazione di lunghezza di canale
  
• Capacità nella regione di triodo
  
• Capacità nella regione di saturazione
  
• Rete di polarizzazione a 3 resistori
  
• Rete di polarizzazione a 4 resistori
  
• Modello di piccolo segnale del transistore MOS
• Frequenza di transizione del transistore MOS

Amplificatori operazionali

• Amplificatore operazionale ideale
  
• Corto circuito virtuale
• Amplificatore operazionale in configurazione invertente
  
• Amplificatore operazionale in configurazione non invertente
  
• Circuito sommatore con amplificatore operazionale
  
• Circuito sottrattore con amplificatore operazionale
  
• Convertitore DAC con sommatore pesato
  
• Convertitore DAC con rete R-2R
  
• Integratore di Miller
  
• Integratore smorzato
  
• Amplificatore operazionale con guadagno finito
  
• Banda passante di un amplificatore operazionale

Elettronica Digitale

• Definizione dei livelli logici e dei margini di rumore.
  
• Tempi di salita e di discesa. 
  
• Ritardo di propagazione.  
  
• Dissipazione di potenza nei circuiti digitali CMOS
  
• Inverter CMOS
  
• Porte NOR CMOS 
  
• Porta NAND CMOS
  
• Porte logiche CMOS complesse. 
  
• Circuiti di buffer. Numero ottimo di stadi. 
  
• Latch SR.
  
• Flip-flop SR. 
  
• Flip-flop JK. 
  
• Flip-flop T. 
  
• Flip Flop D.
  
• Flip-flop master-slave. 
  
• Flip-Flop edge-triggered. 
  
• Registri 
  
• 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.

Amplificatori a singolo stadio

• Amplificatore Common Source 
  
• Amplificatore Common Drain
  
• Amplificatore Common Gate
  
• Metodo delle costanti di tempo di circuito aperto
  
• Metodo delle costanti di tempo di corto circuito