Elettronica I

Cod. Ateneo -152 c

A.A.: - 2023-24

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

Settore: ING-INF/01

Obiettivi:

Il modulo fornisce: le basi delle tecnologie bipolare (diodi) e soprattutto unipolare (MOSFET) 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.

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.

Il programma del corso prevede una prima fase di presentazione dei segnali e la loro trattazione analitica finalizzata alla risoluzione di circuiti, con l’individuazione degli intervalli operativi di frequenza e ampiezza, mediante filtri e limitazioni da saturazione dei livelli. Partendo dai metodi di caratterizzazione elettrica di specifici bipoli, vengono introdotte le reti due porte, specificatamente le quattro tipologie di amplificatori e in particolare l’operazionale. Con quest’ultimo è prima implicitamente e poi successivamente in modo esplicito evidenziata la base metodologica della tecnica della retroazione negativa e dei suoi effetti sui parametri caratterizzanti l’amplificatore senza retroazione. Vengono esaminati vari circuiti con OP che conducono lo studente alle possibili applicazioni di elaborazione dei segnali (integrazione, derivazione, somma, differenza, mixaggio, tosatura, …). L’introduzione della retroazione positiva amplia la panoramica dei circuiti agli oscillatori, multivibratori e generatori di funzioni. Segue una fase di dettaglio elettronico, che si cala nella descrizione dei componenti che realizzano gli OP e in generale i circuiti integrati. Dopo una breve introduzione della fisica dello stato solido, volta a identificare la specificità nei semiconduttori della presenza di due tipi di cariche elettriche mobili (elettroni e lacune) e a poter introdurre le due differenti correnti di trasporto e diffusione, sono presentati i componenti base: diodi a giunzione e transistori unipolari. La parte finale del corso esamina le differenti configurazioni dei transistori e la descrizione di alcune configurazioni notevoli di stadi in cascata di transistori, volti a esaltare/migliorare i parametri di amplificazione del singolo stadio (differenziale, cascode, …).

Settimana 1 (+8h=8h)

Presentazione del corso. 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)  

Presentazione del programma di simulazione di circuiti elettronici Spice-Capture. Altri prodotti di simulazione: LTSpice, Fritzing. Progettazione hardware e software: esempi prototipi Arduino. Esercitazione introduttiva SPICE-Capture, analisi: statica (punto di lavoro di un componente non lineare), soluzioni nel dominio del tempo (transient), soluzioni nel dominio della frequenza (AC).  

(Appendice B + Manuale Spice) 

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 

(Appendici C e D) 

Esercitazione: esempi di sviluppo in serie, analisi spettrale del segnale, trasformata di Laplace, trasformata di Fourier con ausilio anche di Spice. Primi esempi di soluzione grafica da caratteristiche I-V dei componenti. Soluzioni di circuiti utilizzando circuiti equivalenti e teoremi.

Settimana 2 (+8h=16h)

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. 

 (Cap. 3.3+Cap. 3.4+Cap. 3.7, Appendice della Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”) 

Spice:

Estrazione della caratteristica statica di un componente (DC sweep, impostazioni del Plot), misura mediante cursori, esempio di estrazione della caratteristica statica V-I di un bipolo (diodo 1N4002).

Rete due porte con generatore controllato di tensione (Av_E) ad anello aperto e con retroazione.  

Componenti reattivi (C, L). 

Esempi di filtri RC. Introduzione alla 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 (diagrammi di Bode). 

 (Cap. 1.6, Cap. 9.1: calcolo della frequenza di taglio inferiore+9.1.2+9.4, Appendice E, Appendice F) 

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) 

Esercizi circuitali. (2h)

Settimana 3 (+8h=24h)

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) 

Esercizi circuitali con OP.

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) 

Esercizi circuitali. (2h)

Settimana 4 (+8h=32h)

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, Cap.10.5) 

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, Cap. 10.9.1÷10.9.2) 

Esercizi di circuiti con retroazione. (2h)

Settimana 5 (+8h=40h)

Esercitazione di Laboratorio ai banchi di misura: Presentazione degli strumenti in laboratorio e prime misure: partitore, partitore compensato, circuiti RC. Circuiti con OP - scheda TI. Inseguitore di tensione ed effetti dei poli dell’OP, configurazioni invertente e non invertente.

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. 

(Cap. 14.1, Cap. 14.2.1, Cap. 14.4, Cap. 14.5)

Continuazione multivibratori: generatori di forme d’onda quadre e triangolari. Multivibratore monostabile.

Oscillatore controllato in tensione (VCO) dell’esperienza con schede TI (laboratorio). 

(Cap. 14.4, Cap. 14.5, Cap. 14.6)

Esercizi circuitali con multivibratori e oscillatori. (2h)

Settimana 6 (+8h=48h)

Esercitazione di Laboratorio ai banchi di misura: Misure su circuiti con OP - scheda TI –effetti dei condensatori di blocco e di compensazione in frequenza nelle configurazioni invertente e non invertente.

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, demodulatore di inviluppo).

Circuiti con diodi: analisi grafica, procedura iterativa di soluzione circuitale con modello esponenziale dei diodi. Effetto della frequenza sul circuito raddrizzatore: tempo di recupero inverso.

Diodo come regolatore di tensione. Completamento regione inversa del diodo: breakdown, diodo zener. Coefficienti termici.

 (Cap. 3.1, Cap. 3.2, Cap. 3.3, Cap. 3.4, Cap. 3.5.4, Cap. 3.6)

Completamento effetto fotoelettrico: diodo led, laser, fotodiodo, cella solare. Diodi particolari: diodo a barriera, varactor.  Moltiplicatore di tensione continua, superdiodo, rettificatore di precisione. 

Commutazione veloce: tempo di recupero inverso. Circuiti elettronici per le telecomunicazioni, principi di funzionamento: Porta di campionamento a diodi, demodulatore di inviluppo, mixer a diodo e mixer a diodi doppiamente bilanciato.

 (Cap. 3.4, Cap. 3.5.5, Cap. 3.7, Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”) 

Settimana 7 (+8h=56h)

Esercitazione di Laboratorio ai banchi di misura: Misure su circuiti con OP - scheda TI - Multivibratore bistabile. Moltiplicatori analogici. Generatore di funzione controllato da una tensione (VCO). Progetto individuale.

Introduzione ai transistori unipolari. Fisica del transistore 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)

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. 

Esercitazione su circuiti MOS in continua: connessione a diodo, generatore di corrente, circuiti CMOS. 

Circuiti in continua e polarizzazione dei transistori MOS.

(Cap. 3.5, Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”, Cap. 5.3) 

Continuazione esercitazione su circuiti MOS in continua: connessione a diodo, generatore di corrente,  circuiti CMOS. Circuiti di polarizzazione per transistori MOS.

Effetto body, effetti della temperatura, breakdown. MOSFET a svuotamento. 

Esercizi con configurazioni di generatori di corrente utilizzanti MOS.

(Cap. 5.3, Cap. 5.4)

Settimana 8 (+8h=56h)

Caratteristica di trasferimento in tensione VTC. Limiti dell’amplificazione Av=f(VDD,Vov). Amplificazione e punto di lavoro.

(Cap. 6.1 solo parti dedicate ai MOS)

Modelli per piccoli segnali di transistori MOS e parametri di amplificazione. Condizioni per modelli semplificati dei modelli per piccoli segnali.  Modellizzazione dell’effetto body. Configurazioni base per MOS: CS, CD, CG. Retroazione stabilizzante con resistenza di source e Drain-Gate.

 (Cap. 6.2 solo parti dedicate ai MOS, Cap. 6.3 solo parti dedicate ai MOS)

Circuiti di polarizzazione dei transistori.

Esercitazione con circuiti MOS. Svolgimento dell’analisi per piccoli segnali direttamente sullo schema circuitale.

(Cap. 6.3 solo parti dedicate ai MOS, Cap. 6.4 solo parti dedicate ai MOS)

Continuazione dell’esercitazione polarizzazione e calcolo di amplificazione per piccoli segnali con MOS. (2h) 

Settimana 9 (+8h=64h)

Retroazione stabilizzante del punto di lavoro, 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. Modelli ad alta frequenza. Metodo delle costanti di tempo.

(Cap. 6.5 solo parti dedicate ai MOS, Cap. 9.1 solo parti dedicate ai MOS, Cap. 9.2 solo parti dedicate ai MOS, Cap. 9.3 solo parti dedicate ai MOS, Cap. 9.4.3, Cap. 9.5.1, Cap. 9.6.1)

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.

(Cap. 7.1, Cap. 7.2  solo parti dedicate ai MOS )

Esercitazione calcolo dei parametri di amplificazione (guadagno, larghezza di banda,…) di amplificatori con MOS (4h)

Settimana 10 (+8h=80h)

Esercitazione di Laboratorio ai banchi di misura: Misure su circuiti con OP - scheda TI - Multivibratore astabile. Progetto individuale.

MOSFET: Cella di guadagno elementare. Amplificatori a source comune con generatore di corrente di carico. Tecnologia CMOS. Amplificatore CG.

(Cap. 7.3, Cap. 7.4 solo parti dedicate ai MOS)

Amplificatore cascode e sue caratteristiche. Specchi a prestazioni elevate: cascode , Wilson. Coppie notevoli di stadi a transistori. Bootstrap

(Cap. 7.5 solo parti dedicate ai MOS, Cap. 7.6 solo parti dedicate ai MOS, Cap. 7.7 solo parti dedicate ai MOS)

Esercitazione su temi d’esame (2h)

Settimana 11 (+8h=88h)

Esercitazione di Laboratorio ai banchi di misura: Misure su circuiti con diodi: rettificatore a semionda, onda intera, demodulatore di inviluppo, clamp, rettificatore di precisione.

Coppie notevoli di stadi a transistori. Amplificatore differenziale a MOS. Reiezione di modo comune. Offset di tensione di ingresso. 

(Cap. 8.1, Cap. 8.3.1, Cap. 8.4.1)

Amplificatore differenziale a MOS con carico attivo. Guadagno di modo comune e CMRR. 

Esercitazione: circuiti con transistori.

(Cap. 8.1.5, Cap. 8.1.6, Cap. 8.5.5 solo parti dedicate ai MOS)

Esercitazioni su temi d’esame (2h)

Settimana 12 (+2h=90h)

Esercitazione su temi d’esame. (2h)

ATTIVITA’  DI LABORATORIO

E’ prevista un’attività di laboratorio costituita da due ore settimanali  (10/12 ore totali) di attività di simulazione software (Cadence/PSPICE) (Appendice B) 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)

•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 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.