ELETTRONICA I Canale unico
Docente coordinatore e verbalizzante: PASQUALE TOMMASINO
Obiettivi formativi
GENERALI
Il modulo fornisce: le basi delle tecnologie bipolare e unipolare per realizzare circuiti integrati allo stato solido; la caratterizzazione elettronica di dispositivi e sistemi elettronici; i metodi analitici e l’apprendimento di tecniche CAE per lo studio di configurazioni base e di circuiti utilizzati nei sistemi di comunicazione.
SPECIFICI
• Conoscenza e capacità di comprensione: conoscere metodi analitici per la risoluzione di circuiti, comprendere le modalità di funzionamento di specifici circuiti adottati in telecomunicazione, nonché conoscere la tecnologia di base dell’elettronica dello stato solido.
• Capacità di applicare conoscenza e comprensione: applicare metodologie di analisi e progetto nella tecnologia analogica, mediante attività: di simulazione PSPICE e sperimentali in laboratorio.
• Capacità critiche e di giudizio: sono svolte prove di laboratorio ai banchi di misura su schede didattiche realizzate dal docente e/o commerciali, per es. Analog System Lab Kit PRO della Texas Instruments. Sono svolte prove di simulazione al calcolatore con applicativo software CAE PSPICE per analisi di circuiti elettronici.
• Abilità comunicative: saper descrivere le soluzioni circuitali adottate per risolvere problemi di trattamento di segnali: dai problemi di alimentazione a quelli di adattamento, amplificazione, filtraggio e in generale di modifica dei parametri costitutivi. L’abilità comunicativa è realizzata affrontando alcuni temi fondamentali con la richiesta di partecipazione attiva alla soluzione dei problemi, sulla base delle conoscenze acquisite dalle precedenti lezioni o da corsi già superati.
• Capacità di proseguire lo studio in modo autonomo nel corso della vita: capacità di proseguire gli studi successivi riguardanti tematiche avanzate di elettronica, fondate sulle metodologie di analisi e progetto acquisite.
Risultati di apprendimento attesi
• Conoscenza e capacità di comprensione: conoscere metodi analitici per la risoluzione di circuiti, comprendere le modalità di funzionamento di specifici circuiti adottati in telecomunicazione, nonché conoscere la tecnologia di base dell’elettronica dello stato solido.
• Capacità di applicare conoscenza e comprensione: applicare metodologie di analisi e progetto nella tecnologia analogica, mediante attività: di simulazione PSPICE e sperimentali in laboratorio.
• Autonomia di giudizio: sono svolte prove di laboratorio ai banchi di misura su schede didattiche realizzate dal docente e/o commerciali, per es. Analog System Lab Kit PRO della Texas Instruments. Sono svolte prove di simulazione al calcolatore con applicativo software CAE PSPICE per analisi di circuiti elettronici.
• Abilità comunicative: saper descrivere le soluzioni circuitali adottate per risolvere problemi di trattamento di segnali: dai problemi di alimentazione a quelli di adattamento, amplificazione, filtraggio e in generale di modifica dei parametri costitutivi. L’abilità comunicativa è realizzata affrontando alcuni temi fondamentali con la richiesta di partecipazione attiva alla soluzione dei problemi, sulla base delle conoscenze acquisite dalle precedenti lezioni o da corsi già superati.
• Capacità di apprendimento: capacità di proseguire gli studi successivi riguardanti tematiche avanzate di elettronica, fondate sulle metodologie di analisi e progetto acquisite.
Prerequisiti
• Analisi Matematica, numeri complessi, indispensabile.
• Analisi Matematica, Trasformate di Fourier e di Laplace, importante.
• Fisica, Elettrostatica e Elettromagnetismo, importante
• Teoria dei Circuiti, leggi e regole di risoluzione circuitale (legge di Ohm, equiv. Thevenin, Norton), importante
Programma dell’insegnamento
Il programma del corso prevede una prima fase di presentazione dei segnali e la loro trattazione analitica finalizzata alla risoluzione di circuiti, con l’individuazione degli intervalli operativi di frequenza e ampiezza, mediante filtri e limitazioni da saturazione dei livelli. Partendo dai metodi di caratterizzazione elettrica di specifici bipoli, vengono introdotte le reti due porte, specificatamente le quattro tipologie di amplificatori e in particolare l’operazionale. Con quest’ultimo è prima implicitamente e poi successivamente in modo esplicito evidenziata la base metodologica della tecnica della retroazione negativa e dei suoi effetti sui parametri caratterizzanti l’amplificatore senza retroazione. Vengono esaminati vari circuiti con OP che conducono lo studente alle possibili applicazioni di elaborazione dei segnali (integrazione, derivazione, somma, differenza, mixaggio, tosatura, …). L’introduzione della retroazione positiva amplia la panoramica dei circuiti agli oscillatori, multivibratori e generatori di funzioni. Segue una fase di dettaglio elettronico, che si cala nella descrizione dei componenti che realizzano gli OP e in generale i circuiti integrati. Dopo una breve introduzione della fisica dello stato solido, volta a identificare la specificità nei semiconduttori della presenza di due tipi di cariche elettriche mobili (elettroni e lacune) e a poter introdurre le due differenti correnti di trasporto e diffusione, sono presentati i componenti base: diodi a giunzione e transistori unipolari. La parte finale del corso esamina le differenti configurazioni dei transistori e la descrizione di alcune configurazioni notevoli di stadi in cascata di transistori, volti a esaltare/migliorare i parametri di amplificazione del singolo stadio (differenziale, cascode, …).
Testi di riferimento
Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Circuiti per la Microelettronica, Ed. EdiSES Università, V Edizione, 2019.
Materiale integrativo
Dispense, schemi PSPICE ed esercizi distribuiti in aula e disponibili sul sito web dedicato Moodle E-learning.
Modalità di svolgimento
• Lezioni frontali
• Esercitazioni con ausilio di programmi di simulazione circuitale CAE PSPICE
• Attività di laboratorio con utilizzo di strumentazione (oscilloscopi, generatori, di funzione, …) per le misure elettroniche.
• Utilizzo di piattaforma e-learning per distribuzione di materiale didattico
La modalità di svolgimento è in presenza. Il ricevimento è in presenza.
Frequenza
La frequenza è facoltativa
Modalità di esame
Esame con votazione in trentesimi
La valutazione è fatta con una prova scritta di durata massima due ore riguardante la risoluzione di circuiti elettronici e con una prova orale di verifica dell’apprendimento e della capacità di ragionamento.
La prova scritta permette di valutare quanto lo studente abbia approfondito la conoscenza dei metodi di risoluzione di circuiti elettronici. Le prove generalmente sono esercizi circuitali che contengono al loro interno degli schemi di base e circuiti standard utilizzati nella progettazione di sistemi di telecomunicazione. Essa è volta in particolar modo ad accertare quanto lo studente abbia maturato le conoscenze nel settore dell’elettronica analogica con un’analisi critica che ne dimostra la propria qualità di apprendere. La valutazione della prova scritta incide per il 50% della prova complessiva. Il restante 50% è valutato con la prova orale volta ad accertare soprattutto la capacità di comprensione, esplicata principalmente nella descrizione del funzionamento di circuiti di base, quali parte integrante di sistemi, specificatamente orientati al settore delle telecomunicazioni.
Per lo studente è possibile scegliere di svolgere une parte dell’esame tramite una prova di laboratorio con progetti sulle tematiche del corso incidendo per il 50% della prova complessiva
Esempi di domande
Nel circuito il transistore NMOS ha una |Vt|=0.6 V e una VA=50 V
a) Nel caso di generatore di corrente che eroga una I=0.6 mA e di tensione di polarizzazione al drain misurata pari a VD=1.1 V, qual è il guadagno di tensione Av=vo/vi ?
b) Quanto diventano la tensione di polarizzazione al drain (VD) e il guadagno Av se la corrente generata dal generatore di corrente aumenta al valore I=1.2 mA ?
c) In questo secondo caso (I=1.2 mA) valutare la frequenza di taglio a -3dB inferiore fbL?
Altri dati del problema:
VDD=5 V, C1=C2=1e-6F, RG=10 MOhm RL=10kOhm
Programmazione delle attività didattiche
- Presentazione
del corso. I segnali: analogici, digitali, spettro di frequenza. Richiami sui
segnali periodici: sviluppo in serie, analisi spettrale del segnale,
trasformata di Laplace, trasformata di Fourier.
Realizzabilità
dei sistemi di comunicazione, controllo e calcolo per la disponibilità di
tecnologie elettroniche.
Metodi
di soluzione di circuiti non lineari: analitico, numerico al calcolatore (Spice),
lineare a tratti, grafico.
Presentazione
del programma di simulazione di circuiti elettronici Spice-Capture. Altri
prodotti di simulazione: LTSpice, Fritzing. Progettazione hardware e software:
esempi prototipi Arduino. Esercitazione introduttiva SPICE-Capture, analisi:
statica (punto di lavoro di un componente non lineare), soluzioni nel dominio
del tempo (transient), soluzioni nel dominio della frequenza (AC).
Nozioni
e metodi di base per la soluzione di circuiti elettronici: bipoli, reti due
porte, reti due porte sbilanciate, caratteristiche statiche I-V, resistenze,
generatori di tensione e corrente indipendenti, componenti passivi e attivi,
resistenze serie, resistenze parallelo. Quadranti e potenza dissipata/erogata.
Metodo grafico: bipoli in serie e parallelo. Applicazione del principio di
sovrapposizione degli effetti. Equazioni alle maglie e ai nodi.
Circuiti
equivalenti di Thevenin e Norton. Regola del partitore di tensione. Regola del
partitore di corrente. Teorema dell’assorbimento
Esercitazione: esempi di sviluppo in serie,
analisi spettrale del segnale, trasformata di Laplace, trasformata di Fourier
con ausilio anche di Spice. Primi esempi di soluzione grafica da
caratteristiche I-V dei componenti. Soluzioni di circuiti utilizzando circuiti
equivalenti e teoremi. - Caratteristiche
V-I di componenti elettronici e relativi modelli.
Modelli lineari a tratti della caratteristica V-I di un
bipolo. Esempi: caratteristica V-I di diodi, diodi zener, fotodiodi, cella
solare, diodo tunnel. Modelli per grandi segnali del diodo. Modelli
approssimati del diodo. Punto di lavoro. Sovrapposizione di un segnale di
piccole dimensioni, limitazioni delle distorsioni, linearità. Separazione delle
analisi: statica e di piccolo segnale. Sistemi lineari e non lineari: linearità
locale e sovrapposizione degli effetti.
Esempi di retta di carico statica e dinamica.
Spice:
Estrazione
della caratteristica statica di un componente (DC sweep, impostazioni del
Plot), misura mediante cursori, esempio di estrazione della caratteristica
statica V-I di un bipolo (diodo 1N4002).
Rete
due porte con generatore controllato di tensione (Av_E) ad anello aperto e con
retroazione.
Componenti
reattivi (C, L).
Esempi
di filtri RC. Introduzione alla risposta in frequenza degli amplificatori:
Banda passante e definizione delle frequenze di taglio a -3dB inferiore e
superiore. Richiamo di poli e zeri della funzione di trasferimento nel dominio
di Laplace e nel dominio della frequenza (diagrammi di Bode).
Amplificatori: reti due porte. Tipi di amplificatori: AV,
AI, GM, RM.
Guadagno espresso in decibel. Legame tra dB di potenza e
dB di tensione e corrente. Amplificatori in cascata. Relazioni tra i quattro
modelli di amplificatori. Modelli unilaterali e retroazionati.
Esercizi circuitali. - Partitore
compensato. Circuito RC con applicazione di un segnale a gradino; evoluzione
nel tempo: costante di tempo. STC: relazione tra costante di tempo, frequenza
di taglio a -3dB superiore e tempo di salita; relazione tra tilt (sag) e
frequenza di taglio a -3dB inferiore. Calcolo della frequenza di taglio
mediante il metodo delle costanti di tempo: approssimazione relativa agli zeri
della funzione di trasferimento (Esercizi applicativi)
Introduzione
all'operazionale ideale, realizzazione di una massa virtuale e sua valutazione
analitica. Guadagno ad anello aperto di OP ideale e reale. Segnali
differenziali e di modo comune.
Interpretazione
mediante la teoria delle controreazioni. Retroazione ideale. Amplificatore con
retroazione negativa. Configurazione invertente, non invertente. Calcolo
dell’amplificazione con guadagno ad anello aperto finito dell’OP. Resistenze di
ingresso e d’uscita dell’OP ed effetto della retroazione. Circuiti con OP:
somma pesata, circuiti somma-differenza, inseguitore di tensione, DAC, NIC.
Esercizi
circuitali con OP.
Circuiti
con OP: differenziale (modo comune e CMRR), derivatore, differenziale da
laboratorio, differenziale con due OP. Teorema di Miller. Circuiti con OP:
integratore di Miller, derivatore.
Esercizi circuitali. - Struttura
interna OP (cascata amplificatore differenziale, amplificatore di tensione e
buffer d'uscita). Dipendenza dai parametri interni dell'amplificazione Ado
e della frequenza di taglio a -3 dB ad anello aperto.
OP:
non idealità in continua (VOS, IOS, IBIAS), effetti del guadagno e banda di
valore finito. Risposta in frequenza degli amplificatori ad anello chiuso.
Limiti di funzionamento per grandi segnali (Saturazione della tensione
d’uscita, corrente d’uscita, Slew rate, larghezza di banda a piena potenza).
Approfondimento
sulle tecniche di retroazione. Retroazione negativa. Guadagno d’anello. Fattore
di retroazione. Proprietà della retroazione negativa. Le quattro tipologie di
retroazione serie-parallelo, serie-serie, parallelo-serie, parallelo-parallelo.
Effetti della retroazione sui parametri di amplificazione.
Retroazione
ideale e analisi sistematica. Uso del guadagno d’anello. Approccio alternativo: analisi utilizzando il
“return ratio” (Rosenstark).
Casi
reali e tecniche di risoluzione. Effetto della retroazione sui poli della
risposta in frequenza di un amplificatore: caso dell’OP. Effetti sulle
resistenze d’ingresso e d’uscita.
Il
problema della stabilità dei sistemi controreazionati (cenni di analisi della
stabilità con i diagrammi di Bode. Cenni su margine di fase e margine di
guadagno).
Esercizi di circuiti con retroazione. - Esercitazione
di Laboratorio ai banchi di misura: Presentazione degli strumenti in
laboratorio e prime misure: partitore, partitore compensato, circuiti RC.
Circuiti con OP - scheda TI. Inseguitore di tensione ed effetti dei poli dell’OP,
configurazioni invertente e non invertente.
Introduzione
alla retroazione positiva. Oscillatori sinusoidali e non lineari. Criterio di
Barkhausen. Esempio di oscillatore sinusoidale: oscillatore a ponte Wien.
Multivibratori bistabili. Generatori di forme d’onda quadre e triangolari.
Multivibratore monostabile.
Continuazione
multivibratori: generatori di forme d’onda quadre e triangolari. Multivibratore
monostabile.
Oscillatore
controllato in tensione (VCO) dell’esperienza con schede TI (laboratorio).
Esercizi circuitali con multivibratori e oscillatori. Esercitazione
di Laboratorio ai banchi di misura: Misure su circuiti con OP - scheda TI - Cenni
di fisica dei dispositivi: semiconduttori intrinseci, estrinseci e degeneri.
Bande
di energia, equazione di continuità, correnti di deriva e di diffusione.
La
giunzione p-n, equazione di Shockley del diodo. Capacità di giunzione e di
svuotamento.
Richiamo
di bipoli con caratteristiche V-I non lineari: diodi.
Diodo
ideale: caratteristica e prime applicazioni (raddrizzatore, limitatori o
tosatori con diodi. porte logiche OR e AND con diodi, rivelatore di massimo e
di minimo, circuito di aggancio (clamp), moltiplicatore di tensione continua,
demodulatore di inviluppo).
Circuiti
con diodi: analisi grafica, procedura iterativa di soluzione circuitale con
modello esponenziale dei diodi. Effetto della frequenza sul circuito
raddrizzatore: tempo di recupero inverso.
Diodo
come regolatore di tensione. Completamento regione inversa del diodo:
breakdown, diodo zener. Coefficienti termici.
Completamento
effetto fotoelettrico: diodo led, laser, fotodiodo, cella solare. Diodi
particolari: diodo a barriera, varactor. Moltiplicatore di tensione continua,
superdiodo, rettificatore di precisione.
Commutazione
veloce: tempo di recupero inverso. Circuiti elettronici per le
telecomunicazioni, principi di funzionamento: Porta di campionamento a diodi, demodulatore
di inviluppo, mixer a diodo e mixer a diodi doppiamente bilanciato. - Concetti
base dell'architettura di un sistema elettronico: trasduttori, alimentatori,
sincronizzatori, amplificazione, conversione, elaborazione, adattamento
ingresso-uscita... Caratterizzazione di un sistema elettronico:
analogico/digitale, banda di frequenza, dinamica, dissipazione, rumore
endogenerato,...
Il
problema dell'alimentazione (richiamo del concetto "punto di
lavoro"). Accenno sui sistemi di conversione AC-DC e DC-DC.
Introduzione
ai transistori unipolari. Fisica del transistore JFET. Fisica e caratteristiche
di un MOSFET a canale n e p. Caratteristiche ID-VDS e transcaratteristica
ID-VGS in zona di saturazione. Resistenza d’uscita di valore finito in regione
di saturazione. La tecnologia complementare CMOS.
Esercitazione
su circuiti MOS in continua: connessione a diodo, generatore di corrente,
circuiti CMOS.
Circuiti
in continua e polarizzazione dei transistori MOS.
Continuazione
esercitazione su circuiti MOS in continua: connessione a diodo, generatore di
corrente, circuiti CMOS. Circuiti di
polarizzazione per transistori MOS.
Effetto
body, effetti della temperatura, breakdown. MOSFET a svuotamento.
Esercizi
con configurazioni di generatori di corrente utilizzanti MOS. - Caratteristica
di trasferimento in tensione VTC. Limiti dell’amplificazione Av=f(VDD,Vov).
Amplificazione e punto di lavoro.
Modelli
per piccoli segnali di transistori MOS e parametri di amplificazione.
Condizioni per modelli semplificati dei modelli per piccoli segnali. Modellizzazione dell’effetto body.
Configurazioni base per MOS: CS, CD, CG. Retroazione stabilizzante con
resistenza di source e Drain-Gate.
Circuiti
di polarizzazione dei transistori.
Esercitazione
con circuiti MOS. Svolgimento dell’analisi per piccoli segnali direttamente
sullo schema circuitale.
Continuazione dell’esercitazione polarizzazione e
calcolo di amplificazione per piccoli segnali con MOS. - Retroazione
stabilizzante del punto di lavoro, effetti sul segnale. Eliminazione della
retroazione per il segnale. Amplificatori in cascata con separazione mediante
condensatori di blocco e uso di condensatori di bypass. Criteri per la scelta
della configurazione in un problema di adattamento e amplificazione di una
grandezza elettrica.
Risposta
in frequenza degli amplificatori, in bassa e alta frequenza. Modelli ad alta
frequenza. Metodo delle costanti di tempo.
MOSFET:
Componenti discreti e componenti integrati. Limiti imposti dalla tecnologia:
guadagno intrinseco. Blocchi circuitali fondamentali degli amplificatori
integrati: generatori d corrente, circuiti di pilotaggio in corrente. Tecniche
di polarizzazione: polarizzazione con generatori di corrente.
Esercitazione calcolo dei parametri di amplificazione
(guadagno, larghezza di banda,…) di amplificatori con MOS - Esercitazione
di Laboratorio ai banchi di misura: Misure su circuiti con OP - scheda TI -
Multivibratore astabile. Progetto individuale.
MOSFET:
Cella di guadagno elementare. Amplificatori a source comune con generatore di corrente
di carico. Tecnologia CMOS. Amplificatore CG.
Amplificatore
cascode e sue caratteristiche. Specchi a prestazioni elevate: cascode , Wilson.
Coppie notevoli di stadi a transistori. Bootstrap
Esercitazione su temi d’esame - Esercitazione di Laboratorio ai banchi di
misura: Misure su circuiti con diodi: rettificatore a semionda, onda intera,
demodulatore di inviluppo, clamp, rettificatore di precisione.Coppie
notevoli di stadi a transistori. Amplificatore differenziale a MOS. Reiezione
di modo comune. Offset di tensione di ingresso.Amplificatore
differenziale a MOS con carico attivo. Guadagno di modo comune e CMRR.Esercitazione:
circuiti con transistori.
Esercitazioni su temi d’esame - ATTIVITA’ DI LABORATORIO
E’
prevista un’attività di laboratorio costituita da due ore settimanali (10/12 ore totali) di attività di simulazione
software (Cadence/PSPICE) (Appendice B) e da 8/10 ore totali di esperienze ai
banchi di misura.
In
particolare le esperienze ai banchi di misura riguardano:
•Esperienze
su schede elettroniche riconfigurabili realizzate in Dipartimento e contenenti:
o OP (Configurazioni invertente e non
invertente, integratore di Miller, Slew-rate e settling time, VCO)
o Diodi (Rettificatore a semionda, onda
intera, demodulatore di inviluppo, clamp, rettificatore di precisione)
•Attività
di progettazione con schede della Texas Instruments: Analog system Lab kit PRO.
Obiettivi per lo sviluppo sostenibile - Agenda ONU 2030
- Anno accademico2025/2026
- Corso di studio a cui afferisce l’insegnamentoIngegneria delle Telecomunicazioni
- Codice insegnamento1021955
- Anno e semestre2º anno - 2º semestre
- TipologiaAttività formative caratterizzanti
- AmbitoIngegneria elettronica
- SSDING-INF/01
- Presenza obbligatoriaNo
- Linguaita
- CFU9 CFU
- Durata complessiva90 ore
- Distribuzione delle ore54 classroom hours, 36 training hours