Elettronica_I



https://sites.google.com/a/uniroma1.it/vincenzoferrara-eng/insegnamenti/electronics-i-1



ELETTRONICA I  - Scheda ECTS


AVVISO!

Dopo i test eseguiti in questa settimana (9-14 marzo 2020), di cui uno, svolto il 9 marzo 2020, che usava Meet Google e che ha visto la partecipazione degli studenti, da lunedì 16 marzo l’attività didattica proseguirà sostituendo la lezione frontale con una in modalità a distanza in tempo reale.

Le lezioni in diretta si svolgeranno negli orari ufficiali del corso:

Lunedi ore 8:00-10:00

Martedì ore 8:00-10:00

Mercoledì ore 8:00-10:00

Giovedì ore 16:00-18:00

utilizzando l’app Teams Microsoft e consisteranno in:

a) Presentazione Power Point della lezione;

b)Utilizzo di una lavagna elettronica per aumentare l’interattività;

c) Chat per scambio di domande e risposte durante la lezione;

d)Utilizzo di programmi di simulazione di circuiti elettronici CAD PSpice ed eventualmente di simulazione di strumentazione da banco.

La lezione, dopo il consenso di tutti gli studenti, potrebbe essere registrata e messa a disposizione insieme alla documentazione standard.

Il sito Moodle e-Learning rimane, come nei precedenti anni, l’area documentale del corso. Chi non avesse ancora la chiave di accesso al corso “Elettronica I 2019-20” su Moodle, può scrivermi una e-mail.

Si invitano pertanto gli studenti a:

1) attivare sui propri computer Team Microsoft

2) collegarsi con Teams alla riunione cui verrete invitati nelle singole lezioni




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

Cod. Ateneo -152 c

A.A.: - 2019-20

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


I riferimenti ai capitoli e alle appendici sono da intendersi quelli relativi al testo:
Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Circuiti per la Microelettronica, Ed. EdiSES Università, V Edizione, 2019.
Le dispense sono fornite nella sezione del corso e-learning di Sapienza.

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. (Cap. 1.1, Cap. 1.2, Cap. 1.3)

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 (Esercizi applicativi) (Appendici C e D)

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. Utilizzo dei modelli lineari a tratti per analisi circuitale e rappresentazione grafica della caratteristica ingresso-uscita.   (Cap. 3.3+Cap. 3.4+Appendice della Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf” )

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. (Cap. 1.4 e 1.5)

Componenti reattivi (C, L). Esempi di filtri RC. 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. Reti a singola costante di tempo STC.  Soluzioni nel dominio del tempo. Soluzioni nel dominio di Laplace e di Fourier.  Metodo analitico di valutazione dei diagrammi di Bode di Ampiezza e Fase. (Cap. 1.6, Cap. 9.1: calcolo della frequenza di taglio inferiore+9.1.2+9.4, Appendice E, Appendice F)

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).  (Appendice E, Appendice F, Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”)

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. (Cap. 2.1, Cap 2.2, Cap 2.3)

 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.    (Cap. 2.4. Cap. 2.5, Cap. 9.3.3)

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).   (Cap. 2.6, Cap. 2.7, Cap. 2.8)

 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. (Cap. 10.1, Cap. 10.2, Cap. 10.3)

 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).  (Cap. 10.4, Cap. 10.5, Cap. 10.6, Cap 10.8.1÷10.8.4)

 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. Oscillatore controllato in tensione (VCO).  (Cap. 14.1, Cap. 14.2.1, Cap. 14.4, Cap. 14.5)

 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. (Cap. 1.7, Cap. 1.8, Cap. 1.9, Cap. 1.10, Cap.1.11, Cap. 1.12, per approfondimenti Dispensa “Complementi di Elettronica dello Stato solido”)

 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).  (Cap. 3.1, Cap. 3.2, Cap. 3.6)

 Equazione di Shockley del diodo. Modelli per il diodo: esponenziale, lineare a tratti, per piccoli segnali. Analisi grafica, procedura iterativa di soluzione circuitale con modello esponenziale dei diodi. Effetto della frequenza sul circuito raddrizzatore: tempo di recupero inverso. (Cap. 3.2, Cap. 3.3, Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”)

 Diodo come regolatore di tensione. Completamento regione inversa del diodo: breakdown, diodo zener, diodo tunnel. Coefficienti termici. Completamento effetto fotoelettrico: diodo led, laser, fotodiodo, cella solare. Diodi particolari: diodo a barriera, varactor. (Cap. 3.3, Cap. 3.4, Cap. 3.7)

 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. Circuiti raddrizzatori a diodi: a semionda, a doppia semionda, con filtro capacitivo, raddrizzatore di precisione. Concetti di regolazione e stabilizzazione. Sottosistema alimentatore. Alimentatore stabilizzato a zener e regolazione. (Cap. 3.5, Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”)

 Introduzione ai transistor unipolari. Fisica del transistor 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. (Cap. 5.1, Cap. 5.2)                            

 Circuiti MOS in continua: connessione a diodo, generatore di corrente. Circuiti di polarizzazione per transistori MOS. Effetto body, effetti della temperatura, breakdown. MOSFET a svuotamento.  (Cap. 5.3, Cap. 5.4)

 Introduzione ai transistor BJT. Struttura fisica. Transistori npn e pnp. Funzionamento e modelli nelle regioni attiva, saturazione e interdizione. Caratteristiche IC-VCE, IB-VBE.  (Cap. 4.1, Cap. 4.2)

 Circuiti a BJT in continua. Breakdown e dipendenza dalla temperatura. Modelli per piccoli segnali di transistor MOS e BJT e parametri di amplificazione. VTC. Limiti dell’amplificazione Av=f(VDD,Vov). Modellizzazione dell’effetto body. Amplificazione e punto di lavoro.   (Cap. 4.3, Cap. 6.1, parte di Cap. 6.2)

 Configurazioni base per MOS e BJT: CS, CD, CG, CB,CB,CE. Condizioni per modelli semplificati dei modelli per piccoli segnali Circuiti di polarizzazione dei transistori. Esercitazione con circuiti BJT e MOS. Svolgimento dell’analisi per piccoli segnali direttamente sullo schema circuitale.  (parte di Cap. 6.2, Cap. 6.3, parte di Cap. 6.4, parte di Cap. 6.5)

 Retroazione stabilizzante con resistenza di source e Drain-Gate. 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. Metodo delle costanti di tempo. (parte di Cap. 6.4, parte di Cap. 6.5, Cap. 9.1, Cap. 9.2, Cap. 9.3, Cap. 9.4.3)

 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. Cella di guadagno elementare: Gli amplificatori a source comune e ad emettitore comune con generatore di corrente di carico. Tecnologia CMOS. Amplificatori CG e CB. (Cap. 7.1, Cap. 7.2, Cap. 7.3, Cap. 7.4)

 

Amplificatore cascode e sue caratteristiche. Specchi a prestazioni elevate: cascode , Wilson, Widlar. (Cap. 7.5, Cap. 7.6)

 Coppie notevoli di stadi a transistori. Configurazione Darlington. Bootstrap. Amplificatore differenziale a BJT. Reiezione di modo comune. Offset di tensione di ingresso. (Cap. 7.7, Cap. 8.2, Cap. 8.3.2, Cap. 8.4.2)

 Amplificatore differenziale a BJT con carico attivo. Guadagno di modo comune e CMRR.  (Cap. 8.5.4, Cap. 8.5.5)

 Digitale: Cenni sulla logica Booleana. Circuiti con porte logiche CMOS. Reti PDN e PUN.(Cap. 15.1)

Digitale: Margine di rumore di un inverter CMOS. Ritardo di propagazione. Dissipazione di potenza. (Cap. 15.3, Cap. 15.4, Cap. 15.6)

 ATTIVITA’  DI LABORATORIO

E’ prevista un’attività di laboratorio (esercitazione assistita) costituita da due ore settimanali di attività di simulazione software (Cadence/PSPICE) (Appendice B) e da 12/14 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) Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Circuiti per la Microelettronica, Ed. EdiSES Università, V Edizione, 2019.

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.

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.

 



ORARIO





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




Vincenzo Ferrara