Ingegneria Meccanica

Introduzione all’elettronica Breve storia dell’elettronica. Evoluzione dei dispositivi elettronici. Livelli di integrazione. Rappresentazione di segnali nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. Trasformata di Fourier. Classificazione dei segnali e dei relativi circuiti: analogici e digitali. Campionamento e quantizzazione. Schema a blocchi di un convertitore analogico-digitale. Convenzioni sulle grandezze elettriche. Richiami di teoria dei circuiti Leggi di Ohm. Leggi di Kirchhoff. Teorema di Thevenin. Teorema di Norton. Teorema di sovrapposizione degli effetti. Regola del partitore di tensione. Regola del partitore di corrente. Generatori controllati. Caratterizzazione delle reti a due porte Rete lineare a due porte. Parametri y. Parametri z. Parametri h. Parametri g. Rappresentazione con circuiti equivalenti. Reti a singola costante di tempo Risposta in frequenza di un circuito. Diagrammi di Bode. Valutazione della costante di tempo. Risposta in frequenza dei circuiti a singola costante di tempo (STC). Classificazione delle reti STC. Risposta al gradino e risposta impulsiva delle reti STC. Concetti di base sugli amplificatori Concetto di amplificazione di un segnale. Simboli circuitali dell’amplificatore. Caratteristica di trasferimento. Guadagno di tensione. Guadagno di corrente. Guadagno di potenza. Espressione del guadagno in decibel. Alimentazioni negli amplificatori. Saturazione dell’amplificatore. Caratteristica di trasferimento non lineare e polarizzazione: punto di riposo. Modelli circuitali per gli amplificatori: amplificatori di tensione, di corrente, di transconduttanza e di transresistenza. Amplificatore composto da stadi in cascata. Risposta in frequenza dell’amplificatore e caratterizzazione degli amplificatori in base alla risposta in frequenza. Diodi Concetti di fisica dei semiconduttori: materiali per l’elettronica, semiconduttori intrinseci ed estrinseci, drogaggio di un semiconduttore di tipo n e di tipo p, cariche maggioritarie e minoritarie, donori e accettori. Corrente di diffusione e corrente di deriva. La giunzione pn a circuito aperto, in polarizzazione diretta e in polarizzazione inversa. Il diodo ideale. Il diodo reale: caratteristica i-v. Analisi grafica di circuiti con diodi. Modello lineare a tratti. Modello a tensione costante. Modello per piccoli segnali. Funzionamento nella regione di breakdown: diodi zener. Regolatore di tensione con zener. Diagramma a blocchi di un alimentatore in continua. Raddrizzatore a singola semionda. Raddrizzatore a doppia semionda. Raddrizzatore a ponte. Raddrizzatore con condensatore di filtro. Raddrizzatori di picco a singola e a doppia semionda. Circuiti limitatori. Circuiti di aggancio. Duplicatore di tensione. Amplificatori operazionali Amplificatore operazionale ideale. Massa virtuale. Il concetto di retroazione. Configurazione invertente con guadagno differenziale infinito e finito. Variante per ottenere Ri e Av indipendenti nella configurazione invertente. Configurazione non invertente con guadagno differenziale infinito e finito. Inseguitore di tensione a guadagno unitario. Rapporto di reiezione di modo comune. Amplificatori di differenza: amplificatore di differenza a singolo stadio e amplificatore per strumentazione. Circuiti classici con operazionali: integratore di Miller, derivatore, sommatore pesato invertente e non invertente, sommatore-sottrattore. Il modello interno dell’operazionale reale e le condizioni di non idealità. Non idealità in continua: tensione di offset, correnti di ingresso di polarizzazione e relativo offset. Effetto di Vos e Ios sul funzionamento dell'integratore invertente. Dipendenza dalla frequenza del guadagno ad anello aperto, risposta in frequenza degli amplificatori ad anello chiuso, limitazioni in banda ed effetti della retroazione sulla larghezza di banda. Funzionamento per grandi segnali degli operazionali: saturazione della corrente di uscita, limiti per la corrente di uscita, slew-rate, larghezza di banda a piena potenza, reiezione di modo comune. Schema di un operazionale commerciale (741). La retroazione positiva: multivibratori e generatori di funzione Multivibratore bistabile (trigger di Smith) invertente e non invertente. Comparatore con isteresi con trigger di Smith. Rivelatore di zero-crossing. Multivibratore astabile: generatore d'onda quadra e d'onda triangolare. Multivibratore monostabile: generatore di impulsi di durata controllata. Transistori ad effetto di campo (MOSFET) Classificazione dei transistori ad effetto di campo (FET). Struttura e funzionamento fisico del MOSFET ad arricchimento a canale p (PMOS) e a canale n (NMOS). Simboli circuitali. Caratteristiche corrente-tensione. Valore finito della resistenza di uscita in saturazione. Tecnologia MOS complementare (CMOS). Effetto body. Circuiti a MOSFET in continua. Il MOSFET come amplificatore e come interruttore: retta di carico e punto di polarizzazione, determinazione grafica e analitica della caratteristica di trasferimento. Polarizzazione degli amplificatori a MOSFET: polarizzazione a VGS fissa, polarizzazione a VG fissa e resistore RS, polarizzazione con resistore di retroazione tra drain e gate, polarizzazione con generatore di corrente costante. Utilizzo del MOSFET come amplificatore: punto di polarizzazione in continua, transconduttanza gm, guadagno di tensione. Modelli del MOSFET per piccoli segnali: modello a -ibrido e a T (con e senza resistenza di uscita ro). Configurazioni di amplificatori a MOSFET a singolo stadio: amplificatore a source comune, amplificatore a source comune con resistore di source, amplificatore a gate comune, amplificatore a drain comune o inseguitore di source. Amplificatore a guadagno unitario o inseguitore di corrente. Differenza tra le configurazioni. Amplificatore a source comune con carico attivo. Amplificatore a source comune CMOS. Specchio di corrente a MOSFET. Circuiti digitali Tecnologie digitali e famiglie logiche, l'invertitore ideale, l'invertitore reale: definizione dei livelli logici, margini di rumore, risposta dinamica di una porta logica, tempi di salita e tempi di discesa, ritardo di propagazione, prodotto ritardo-potenza dissipata, fan-in e fan-out. Porte logiche elementari con tabella della verità, porte logiche elementari realizzate con interruttori ideali, equivalenza tra porte logiche per effetto dei teoremi di De Morgan. Forme canoniche delle funzioni binarie. Espressione di una funzione logica come prodotto di mintermini. OR-esclusivo. Circuiti digitali in tecnologia CMOS Processo tecnologico CMOS. Invertitore a CMOS: funzionamento statico, caratteristica di trasferimento, funzionamento dinamico. Corrente e potenza dissipata dell’invertitore a CMOS. Diagramma a blocchi di una porta logica CMOS a tre ingressi. Simboli circuitali alternativi per i MOSFET. Porte logiche NOR e NAND a CMOS: realizzazione e dimensionamento. Realizzazione della funzione OR-esclusiva. Esercitazioni di laboratorio sui temi del corso

Conoscenza di base della lingua italiana, approfondita conoscenza dei metodi per l’analisi delle reti elettriche e capacità di ragionamento analitico e sintetico.

Sedra Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES, 2019 oppure Sedra Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES, 2012 oppure Sedra Smith, Microelectronic circuits – 7th ed., Oxford Press Inc., New York, 2015 oppure Sedra Smith, Microelectronic circuits – 6th ed., Oxford Press Inc., New York, 2010

Il Corso di Elettronica Applicata si svolge attraverso lezioni frontali in aula con supporto di proiezioni di materiale didattico e spiegazioni con l'ausilio della lavagna sui temi del corso riportati nel programma dell'insegnamento. Ogni argomento trattato prevede la spiegazione della teoria seguita da esempi ed esercizi che vengono svolti in aula dal docente, e/o assegnati per lo studio individuale. Nella parte finale del corso vengono svolte due esercitazioni (8 ore) organizzate in Laboratorio con banchi attrezzati e micro-controllori che permettono agli studenti, suddivisi in piccoli gruppi, di realizzare progetti di elettronica applicata a coronamento della acquisizione dei concetti del corso. Il corso ha un sito sulla piattaforma Moodle e-learning Sapienza al quale gli studenti si iscrivono per accedere al materiale didattico preparato dal docente, per le informazioni del corso e per un Forum di comunicazione. Il corso è composto da didattica in aula, studio individuale degli argomenti di teoria, e lo svolgimento di esercizi e progetti di elettronica. - Modalità di frequenza: la frequenza dell'insegnamento è facoltativa ma fortemente consigliata. - Modalità di erogazione: lezioni frontali, esercitazioni e laboratorio. - Utilizzo della piattaforma e-learning Sapienza per distribuzione di materiale didattico e Forum.

La frequenza al corso è facoltativa ma fortemente raccomandata.

La valutazione è volta alla verifica dei risultati di apprendimento ottenuti da parte dello studente, consistenti nell'analisi e nell'utilizzo dei principali dispositivi elettronici da utilizzare per l’implementazione e il progetto di elementari circuiti elettronici. La valutazione si basa su una prova scritta e su una discussione del compito scritto con eventuale prova orale. La prova scritta della durata di 1.5 ore prevede: - un esercizio di progettazione elettronica con dispositivi e metodologie di analisi appresi nel corso (punteggio massimo 14/30); - due domande di teoria a risposta aperta sugli argomenti del corso (punteggio massimo 8/30 per domanda). Gli elaborati vengono corretti dal docente che assegna un voto in trentesimi alla prova scritta e lo comunica agli studenti sul sito del corso convocandoli per la discussione del compito e l'eventuale prova orale. Per superare lo scritto bisogna ottenere un voto di almeno 15/30, dimostrando una adeguata preparazione sia nella progettazione elettronica che nella teoria. La discussione del compito prevede l'analisi dell'elaborato con lo studente che può accettare il voto della prova scritta se maggiore o uguale a 18/30, oppure sostenere una prova orale (che può variare il voto in positivo o in negativo). Nel caso in cui il risultato della prova scritta è compreso tra 15/30 e 18/30, lo studente deve obbligatoriamente sostenere l'orale. Sono previste 5 sessioni di esami di profitto regolari e 2 due sessioni straordinarie di esami riservate agli studenti iscritti come fuori corso, ripetenti o part-time, secondo il calendario stilato ogni anno dal Consiglio d'Area di Ingegneria Meccanica. La sessione straordinaria autunnale è consentita anche agli studenti iscritti al terzo anno della Laurea.

Jaeger Blalock, “Microelettronica”, McGraw-Hill. Trasparenti delle lezioni sul sito del corso della piattaforma e-learning Sapienza. Appunti di lezione.

Il Corso di Elettronica Applicata si svolge attraverso lezioni frontali in aula con supporto di proiezioni di materiale didattico e spiegazioni con l'ausilio della lavagna sui temi del corso riportati nel programma dell'insegnamento. Ogni argomento trattato prevede la spiegazione della teoria seguita da esempi ed esercizi che vengono svolti in aula dal docente, e/o assegnati per lo studio individuale. Nella parte finale del corso vengono svolte due esercitazioni (8 ore) organizzate in Laboratorio con banchi attrezzati e micro-controllori che permettono agli studenti, suddivisi in piccoli gruppi, di realizzare progetti di elettronica applicata a coronamento della acquisizione dei concetti del corso. Il corso ha un sito sulla piattaforma Moodle e-learning Sapienza al quale gli studenti si iscrivono per accedere al materiale didattico preparato dal docente, per le informazioni del corso e per un Forum di comunicazione. Il corso è composto da didattica in aula, studio individuale degli argomenti di teoria, e lo svolgimento di esercizi e progetti di elettronica. - Modalità di frequenza: la frequenza dell'insegnamento è facoltativa ma fortemente consigliata. - Modalità di erogazione: lezioni frontali, esercitazioni e laboratorio. - Utilizzo della piattaforma e-learning Sapienza per distribuzione di materiale didattico e Forum.