Space and astronautical engineering - Ingegneria spaziale e astronautica

ANTONIO D'ALESSANDRO

Il modulo di elettronica intende fornire le conoscenze generali di un sistema
elettronico inteso come sistema di elaborazione di informazioni. In
particolare, partendo dai concetti di base relativi ai sistemi lineari, il
corso mira a fornire gli strumenti matematici per l’analisi dei segnali e le
conoscenze di base di elettronica analogica e digitale partendo dai componenti
fondamentali per arrivare ai circuiti elettronici e infine a sistemi
elettronici più complessi, focalizzando l’attenzione sui limiti applicativi
dovuti a banda passante, potenza e rumore per circuiti analogici e digitali.

Risultati
di apprendimento attesi: gli studenti saranno in grado di analizzare circuiti
elettronici analogici e digitali e sapranno progettare semplici sistemi
elettronici.

Il corso intende fornire le conoscenze generali di un sistema elettronico inteso come sistema di elaborazione di informazioni. In particolare, partendo dai concetti di base relativi ai sistemi lineari, il corso mira a fornire gli strumenti matematici per l’analisi dei segnali e le conoscenze di base di elettronica analogica e digitale partendo dai componenti fondamentali per arrivare ai circuiti elettronici e infine ai sistemi elettronici più complessi. Il corso mette a fuoco il legame tra banda in frequenza, consumo di potenza e rumore nei circuiti analogici e reti digitali per le applicazioni spaziali e satellitari nel contesto delle infrastrutture di trasporto, energetiche, telecomunicazioni.

Elementi di base di circuiti elettrici, Fondamenti di elettrostatica ed elettromagnetismo dagli insegnamenti di Fisica della Laurea triennale.

Elettronica
Introduzione ai segnali elettronici analogici e digitali. Teorema di Shannon. Campionamento e discretizzazione di segnali tempo-continui. Rappresentazione di segnali nel dominio della frequenza. Bande di frequenza e relative applicazioni elettroniche. Generalità sui sistemi elettronici. Richiami di componenti bipolari e reti lineari due porte. (1 CFU-ECTS)

Definizioni e caratteristiche degli amplificatori elettronici: concetti di saturazione, rumore, banda passante. Circuiti a singola costante di tempo (STC) e loro comportamento nel dominio del tempo in risposta a segnali canonici (gradini e impulsi). Risposta in frequenza di circuiti STC. Amplificatori operazionali (OP-AMP) e loro principali impieghi nelle configurazioni invertenti e non invertenti. Circuiti con OP-AMP: filtri attivi, derivatori, integratori, sommatori, amplificatori differenziali, convertitori tensione-corrente. Limitazioni di OP-AMP: slew rate, reiezione di modo comune, correnti di polarizzazione, tensione di offset. (2 CFU-ECTS)

Proprietà elettroniche dei semiconduttori e meccanismi di trasporto di carica. Correnti di diffusione, di trasporto, generazione e ricombinazione di portatori. Le giunzioni a semiconduttore: proprietà all’equilibrio e in polarizzazione. Struttura e principio di funzionamento di diodi, transistor bipolari (BJT) e transistori ad effetto di campo MOSFET. Principali circuiti a diodi e loro applicazioni: raddrizzatori a singola e doppia semionda. Regolatori di tensione con diodi Zener. Progetto di alimentatori in continua. Rivelatori di picco. Analisi e confronto di stadi di amplificazione a BJT: a emettitore comune, base comune e collettore comune. Analisi e confronto di stadi di amplificazione a MOSFET: source comune, gate comune, drain comune. Specchi di corrente. (2 CFU-ECTS)

Cenni introduttivi di elettronica digitale. Esperienze di laboratorio su circuiti didattici a diodi e OP-AMP su cui gli studenti effettuano misure mediante impiego di alimentatori stabilizzati, oscilloscopi digitali e generatori di segnali. (1 CFU-ECTS)

A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti
M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti
S. M. Sze, Dispositivi a semiconduttore, Hoepli (qualunque edizione)
A. d’Alessandro, Diapositive del corso, file pdf scaricabili al sito del corso su http://elearning2.uniroma1.it (registrazione richiesta) o accesso iscrivendosi al corso attraverso Classroom
Appunti di lezione su tutti gli argomenti

M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, APOGEO.
P. Horowitz, W. Hill, The art of electronics, Cambridge University Press, 2015.

Lezioni frontali, esercitazioni numeriche in classe, verifiche in classe di assegnazioni da svolgere a casa, esperienza di laboratorio (solo in presenza)

Fortemente consigliata per avere una comprensione diretta ed immediata degli argomenti.

L'esame si articola su una prova scritta obbligatoria ed una orale facoltativa. Nella prova scritta della durata di un paio d'ore viene assegnato un quesito di progettazione elettronica di base con valutazioni quantitative al fine di testare la capacità dello studente di effettuare dimensionamento di semplici sistemi elettronici. Sono previste esercitazioni assegnate per casa durante l'anno, la cui valutazione contribuisce a quella finale per un 20%. La prova orale consiste in un colloquio per testare le conoscenze teoriche che può contribuire per un 10% della valutazione finale .

Semplici circuiti amplificatori a transistor bipolari o MOSFET o con amplificatori operazionali.

• Argomento 1. Introduzione ai segnali elettronici analogici e digitali. Teorema di Shannon. Campionamento e discretizzazione di segnali tempo-continui. 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedentiM. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 2. Rappresentazione di segnali nel dominio della frequenza. Bande di frequenza e relative applicazioni elettroniche. 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 3. Generalità sui sistemi elettronici. Richiami di componenti bipolari e reti lineari due porte. Definizioni e caratteristiche degli amplificatori elettronici: concetti di saturazione, rumore, banda passante.
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 4, Circuiti a singola costante di tempo (STC) e loro comportamento nel dominio del tempo in risposta a segnali canonici (gradini e impulsi). Risposta in frequenza di circuiti STC. 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 5. Amplificatori operazionali (OP-AMP) e loro principali impieghi nelle configurazioni invertenti e non invertenti. 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 6. Circuiti con OP-AMP: filtri attivi, derivatori, integratori, sommatori, amplificatori differenziali, convertitori tensione-corrente. 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 7. Limitazioni di OP-AMP: slew rate, reiezione di modo comune, correnti di polarizzazione, tensione di offset. 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 8. Proprietà elettroniche dei semiconduttori e meccanismi di trasporto di carica. Correnti di diffusione, di trasporto, generazione e ricombinazione di portatori. 
  • Testi di riferimento: S. M. Sze, Dispositivi a semiconduttore, Hoepli (qualunque edizione) 


• Argomento 9. Le giunzioni a semiconduttore: proprietà all’equilibrio e in polarizzazione. 
  • Testi di riferimento: S. M. Sze, Dispositivi a semiconduttore, Hoepli (qualunque edizione) 


• Argomento 10. Struttura e principio di funzionamento di diodi. Principali circuiti a diodi e loro applicazioni: raddrizzatori a singola e doppia semionda. Regolatori di tensione con diodi Zener. Rivelatori di picco. Progetto di alimentatori in continua.
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 11. Struttura e principio di funzionamento di diodi, transistor bipolari a giunzione (BJT) 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 12.  Analisi e confronto di stadi di amplificazione a  BJT: a emettitore comune, base comune e collettore comune.  Specchi di corrente con BJT.
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 13. Struttura e principio di funzionamento di transistori ad effetto di campo MOSFET.  
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 14. Analisi e confronto di stadi di amplificazione a MOSFET: source comune, gate comune, drain comune.  Specchi di corrente. 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 15. Circuiti CMOS Cenni introduttivi di elettronica digitale. Invertitori CMOS: pricipio di fuinzionamento e caratteristiche ingresso-uscita e consumo e dissipazione di potenza statica e dinamica. 
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti


• Argomento 16. Celle solari: principio di funzionamento, materiali e caratteristiche di pannelli fotovoltaici. 
  • Testi di riferimento: S. M. Sze, Dispositivi a semiconduttore, Hoepli (qualunque edizione)  e articoli scientifici aggiornati forniti dal docente.


• Argomento 17. Esperienze di laboratorio su circuiti didattici a diodi e OP-AMP su cui gli studenti effettuano misure mediante impiego di alimentatori stabilizzati, oscilloscopi digitali e generatori di segnali.
  • Testi di riferimento: A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, 4a Ed. Italiana (6a Inglese) EdiSES, o precedenti M. H. Rashid, Fondamenti di Elettronica, Pearson IV edizione 2010 o edizioni precedenti. Texas Instruments boards educational kit