Elettronica_I



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ELETTRONICA I  - Scheda ECTS


Corso n. 1014 Elettronica I - (9 CFU) - (Corso di Laurea: Ing. Elettronica - Ing. delle Comunicazioni

Cod. Ateneo -152 c

 A.A.: - 2018-19

 Docente: Prof. Vincenzo Ferrara - vincenzo.ferrara@uniroma1.it

 Settore: ING-INF/01

 Obiettivi:

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. 

 CONOSCENZA E 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 APPLICATIVE: 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 DI COMUNICAZIONE: 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 APPRENDERE: 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:

Il programma dettagliato secondo un calendario giornaliero di lezioni è visionabile alla pagina web "Calendario delle lezioni" dedicata al corso.

Calendario_lezioni

ELETTRONICA E SEMICONDUTTORI

Realizzabilità dei sistemi di Comunicazione, Controllo e Calcolo per la disponibilità di tecnologie elettroniche: Analogica, Digitale, Wave Shaping.

Metodi di soluzione di circuiti non lineari: analitico, numerico al calcolatore (Spice), lineare a tratti, grafici. Curve di trasferimento e caratteristiche esterne di componenti elettronici (diodo, transistor): metodo grafico. Retta di carico.

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, …

(Sedra: Cap.1 Elettronica e Semiconduttori+ Appendice B-D; Jaeger Cap. 1 Introduzione all’elettronica)

Banda passante di uno stadio amplificatore. Diagrammi di Bode del modulo e della fase della funzione di trasferimento ingresso-uscita. Metodi per il calcolo delle frequenze di taglio a -3dB inferiore e superiore. Polo dominante. Tilt o sag, tempo di salita e loro legame con le frequenze di taglio.

(Sedra: Cap.1  Elettronica e Semiconduttori+ Appendice E-F; Jaeger Cap. 1 Introduzione all’elettronica + Cap. 6 Sistemi analogici)

  

TECNOLOGIE E BASI DI ELETTRONICA DELLO STATO SOLIDO

Tecnologie per la realizzazione integrata: tecnologia Planare. Tecnologia bipolare e unipolare.

Inadeguatezza dell’approccio classico per i sistemi a dimensioni microscopiche (strutture cristalline).

(Sedra: Cap.1 Elettronica e Semiconduttori+ Appendice A; Jaeger Cap.2  Elettronica dello stato solido)

 AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

Sistema analogico: l’amplificatore operazionale controreazionato. Configurazioni: invertente e non invertente, inseguitore di tensione. Applicazioni: sommatori, integratori, derivatori, NIC, differenziale, ADC e DAC, VCO. Limiti di un OP reale.

(Sedra: Cap.2 Amplificatori operazionali; Jaeger Cap.7 L’amplificatore operazionale ideale + Cap. 8 Caratteristiche e limitazioni degli amplificatori operazionali)

 DIODI ALLO STATO SOLIDO E CIRCUITI A DIODI

Diodo a giunzione. Equazione di Shockley. Caratteristica V-I di un diodo a giunzione e applicazioni. Circuiti con diodi: rettificatore a semionda e a doppia semionda, raddrizzatore a ponte, rivelatore di massimo positivo e negativo, limitatori, circuito di aggancio (clamp), moltiplicatore/raddoppiatore di tensione, rettificatore con filtro capacitivo, superdiodo e rettificatore di precisione. Diodo zener. Fotodiodo. Cella solare. Diodo led. Alimentatore. Alimentatore stabilizzato a zener. Porta logica AND a a diodi. Demodulatore di inviluppo asincrono per segnali modulati AM.

(Sedra: Cap.3 Diodi; Jaeger Cap.3 Diodi a stato solido e circuiti a diodi; dispense)

 TRANSISTORI BIPOLARI E UNIPOLARI

Transistori bipolari (BJT) e unipolari (JFET e MOSFET). Caratteristiche statiche V-I di ingresso e d’uscita dei transistor BJT e FET. Polarizzazione. Stabilità del punto di lavoro. (Sedra: Cap. 4 Il transistor bipolare a giunzione (BJT) + Cap. 5 Transistori ad effetto di campo MOS (MOSFET); Jaeger Cap.5 Il transistor bipolare a giunzione+ Cap. 4 Transistori a effetto di campo)

Stadi amplificatori BJT e MOS. Configurazioni base. Teorema di Miller. Stadi in cascata.  Configurazioni notevoli: Darlington, cascode, differenziale, generatori di corrente (specchi di corrente), carichi attivi. Stabilità termica degli amplificatori.

(Sedra: Cap. 6 Blocchi circuitali fondamentali degli amplificatori per circuiti integrati+ Cap. 7 Amplificatori differenziali e multistadio; Jaeger Cap. 9 Modelli a piccolo segnale e amplificazione lineare+ Cap. 10 Amplificatori a singolo stadio transistore e multistadio accoppiati in ac+ Cap. 11 Amplificatori differenziali e operazionali)

 RISPOSTA IN FREQUENZA

Analisi in frequenza degli stadi amplificatori. Confronto fra le configurazioni base e notevoli.

(Sedra: Cap.8 Risposta in frequenza; Jaeger Cap.12 Risposta in frequenza)

 RETROAZIONE NEGATIVA

Proprietà della retroazione negativa. Le quattro topologie fondamentali degli amplificatori retroazionati. Caso ideale e caso e reale.

(Sedra: Cap.9 La retroazione; Jaeger Cap.13 Retroazione stabilità e oscillatori)

 RETROAZIONE POSITIVA, MULTIVIBRATORI E OSCILLATORI.

Retroazione positiva. Oscillatori e multivibratori. Oscillatore a ponte di Wien. Bistabile, astabile, monostabile, generatori di funzioni. Esempi di implementazione di un sistema con oscillatore controllato in tensione (VCO). Schemi elettronici per le comunicazioni: mixer, modulazione AM, modulazione FM, demodulazione sincrona AM, demodulazione FM.

(Sedra: Cap.9 La retroazione+ Cap. 12 Circuiti generatori di segnale e formatori d’onda; Jaeger Cap.13 Retroazione stabilità e oscillatori; dispense-Slides )

 ATTIVITA’  DI LABORATORIO

E’ prevista un’attività di laboratorio (esercitazione assistita) costituita da due ore settimanali di attività di simulazione software (Cadence/PSPICE) 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)

o   BJT (Caratteristica statica di trasferimento ingresso uscita di una configurazione CE. Amplificatore in configurazione CE, effetti sull'amplificazione di un carico a basso valore resistivo; cascata CE-CC; bootstrap. Amplificatore differenziale BJT, generatore di corrente: Widlar, specchio di corrente).

·        Attività di progettazione con schede della Texas Instruments: Analog system Lab kit PRO. 

 Bibliografia:

Testi consigliati:

1) Sedra Adel S. - Smith Kenneth C.- Circuiti per la microelettronica – Ed. EdiSES 2013 – quarta edizione

2) Jaeger R. C., Travis T. N. – Microelettronica – Ed. Mc Graw Hill 2013 – quarta edizione

 Materiale integrativo

Dispense, schemi PSPICE ed esercizi distribuiti in aula e disponibili sul sito web

https://elearning.uniroma1.it/course/view.php?id=7167


 Modalita`: 

·        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

 Modalita` esame: 

Esame con votazione in trentesimi.

 Sono previste delle prove in itinere con attività di laboratorio (Simulazione CAD/banchi di misura, esercizi circuitali) con valutazione complessiva che tiene conto della progressione di apprendimento.

Le attività di laboratorio sono orientate alla valutazione dell’acquisita capacità di applicare metodologie di analisi e progetto nel settore dell’elettronica analogica. La modalità di svolgimento permette anche di sondare la capacità dei singoli studenti di interagire in attività di gruppo, prevedendo prove di laboratorio con generalmente tre studenti per banco, favorendo in alcuni casi la parcellizzazione dell’attività di un problema più complesso e in altri la dialettica critica fra i componenti per la migliore soluzione. Il risultato determinate di una performance di gruppo è stimato in un incremento della valutazione pari a max 15%.

La frequenza, la partecipazione attiva e la capacità di ragionamento sono presi in considerazione per la valutazione. Un numero minimo di test deve essere superato per una valutazione positiva. La partecipazione a tutti i test viene generalmente premiata con un aumento del voto (max 10%). Poiché le soluzioni dei test spesso non sono uniche, nel senso che le scelte delle soluzioni possono essere diverse per numero e qualità, i risultati vengono discussi in classe con gli stessi studenti per un successivo confronto e analisi critica, permettendo di sondare ulteriormente la partecipazione abilità attiva e di ragionamento. Quest'ultima pratica consente di modulare la valutazione per un restante 10-20%. La correzione asettica degli elaborati / esperimenti rappresenta il 55-70% del voto finale.

 In alternativa la valutazione è fatta con una prova scritta di 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.



ORARIO





(L'iscrizione all'area e-learning consente di effettuare il download del materiale didattico)




Vincenzo Ferrara