Ingegneria Informatica e Automatica

AUGUSTO NASCETTI
AUGUSTO NASCETTI

Il corso intende fornire le conoscenze generali di un sistema
elettronico inteso come sistema di elaborazione di informazioni,
focalizzando l’attenzione sul concetto di guadagno per i vari tipi di
amplificatori, e 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 sistemi elettronici semplici individuandone il comportamento
anche in presenza di elementi capacitivi sia in circuiti analogici che
digitali.

Al termine del corso lo studente sarà in grado di comprendere e modellare un sistema elettronico come sistema per l’elaborazione dell’informazione, analizzandone le specifiche e le principali grandezze caratteristiche (guadagno, impedenza, dinamica, risposta in frequenza, stabilità).
Lo studente acquisirà la capacità di analizzare circuiti lineari nel dominio del tempo e della frequenza, utilizzare strumenti quali diagrammi di Bode e modelli equivalenti, e applicare i principi della retroazione per valutarne stabilità e prestazioni.
Sarà inoltre in grado di descrivere il funzionamento e modellare i principali dispositivi elettronici (diodi, MOSFET, amplificatori operazionali), analizzare e progettare semplici circuiti analogici lineari e non lineari, e comprendere i fondamenti dei sistemi digitali, inclusi i principi di conversione analogico-digitale e digitale-analogica.
Complessivamente, lo studente maturerà le competenze di base necessarie per affrontare insegnamenti avanzati e applicazioni ingegneristiche nell’ambito dell’elettronica e dei sistemi per l’informatica e l’automazione.

Per seguire con profitto il corso sono richieste conoscenze di base di analisi matematica (funzioni, derivate, integrali, numeri complessi) e di algebra lineare, nonché elementi di fisica generale.
È richiesta familiarità con i concetti fondamentali di segnali e sistemi lineari. Costituisce elemento utile, ma non indispensabile, una conoscenza preliminare dei principi di base dell’elettrotecnica e dell’analisi dei circuiti elettrici (leggi di Kirchhoff).

Programma sintetico

Introduzione ai sistemi elettronici e al loro ruolo nell’elaborazione dell’informazione. Segnali e loro classificazione. Circuiti elettrici di base e sistemi lineari. Modellazione di circuiti elettronici. Teoria della retroazione. Principali dispositivi elettronici (amplificatore operazionale, diodo, MOSFET). Circuiti analogici lineari e non lineari. Fondamenti di elettronica digitale. Cenni di conversione analogico-digitale e digitale-analogica.

Programma dettagliato

Introduzione ai sistemi elettronici: specifiche di sistema e modello generale.

Segnali come vettori di informazione: classificazione dei segnali.

Componenti passivi fondamentali (R, L, C). Circuiti a singola costante di tempo (STC). Analisi nel dominio del tempo e della frequenza. Diagrammi di Bode.

Modellazione dei circuiti elettronici. Reti a due porte. Teoremi di Thevenin e Norton.

L’amplificatore come sistema elettronico: guadagno, impedenza di ingresso e uscita, risposta in frequenza, dinamica, linearità, massimo trasferimento di potenza.

Teoria della retroazione: retroazione negativa e positiva, effetti sulla stabilità e sulle prestazioni.

Amplificatori operazionali: modello ideale, applicazioni lineari e non lineari, principali non idealità.

Diodo a giunzione: caratteristica corrente-tensione, breakdown, modelli a grandi e piccoli segnali, circuiti con diodi.

MOSFET: struttura e principio di funzionamento, regioni operative, punto di lavoro, modelli a grandi e piccoli segnali, configurazioni fondamentali (common-source, common-drain, common-gate).

Sistemi digitali: logica combinatoria e sequenziale, logica programmabile, FPGA, microcontrollori, microprocessori, DSP. Cenni di filtri digitali.

Cenni di conversione A/D e D/A: teorema del campionamento, quantizzazione, rapporto segnale/rumore di quantizzazione, convertitori analogico-digitali e digitale-analogici.

Fondamenti di Elettronica
F. Centurelli, A. Ferrari

oppure

Circuiti per la microelettronica
A. Sedra, K. Smith

L’insegnamento è erogato mediante didattica frontale in aula, con lezioni teoriche supportate da esempi applicativi ed esercizi svolti alla lavagna. Durante il corso vengono sviluppati e discussi casi studio ed esercizi numerici finalizzati a consolidare la comprensione dei modelli circuitali e dei dispositivi elettronici.

Le lezioni sono orientate a integrare formalismo matematico, interpretazione fisica dei fenomeni e applicazioni progettuali di base, al fine di fornire agli studenti una visione organica dei sistemi elettronici analogici e digitali.

In presenza

L’esame verrà svolto IN PRESENZA, diviso in due parti:
Prova scritta: analisi di un circuito elettronico e una domanda di teoria
Prova orale: una domanda di teoria su argomenti del programma del corso
La prova scritta deve essere superata con un voto superiore a 18/30 per essere ammessi alla prova orale 

La prova scritta prevede tipicamente l’analisi completa di un circuito elettronico analogico basato su transistor MOS e/o amplificatore operazionale. Agli studenti può essere richiesto di:

calcolare il punto di lavoro in continua di un transistor MOS;

determinare la tensione continua di uscita;

ricavare il guadagno di tensione per piccoli segnali;

verificare le condizioni di validità del modello utilizzato.

La domanda di teoria (sia nella prova scritta sia nella prova orale) riguarda uno specifico argomento del programma. Esempi frequenti includono:

teoria della retroazione e suoi effetti su guadagno, banda e impedenze;

parametri ideali e reali dell’amplificatore operazionale (offset, CMRR, ecc.);

circuiti con amplificatori operazionali (invertente, non invertente, integratore, derivatore, sommatore, filtri attivi);

modelli a grandi e piccoli segnali di diodo e MOSFET;

analisi e caratteristiche di inverter e porte logiche CMOS;

circuiti rettificatori e convertitori AC/DC;

amplificatori MOS nelle configurazioni fondamentali (source comune, gate comune, drain comune).

Le domande sono finalizzate a verificare la capacità dello studente di collegare modellazione teorica, analisi circuitale e interpretazione fisica del funzionamento dei dispositivi.