Elettronica (136II) – Primavera 2015

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Programma, lezioni, materiali, modalità d’esame

Introduzione all’Elettronica e Semiconduttori

Introduzione all’Elettronica. Cos’è un semiconduttore, in cosa differisce da un metallo e da un isolante. Elettroni e lacune; dipendenza della conducibilità dalla temperatura. Semiconduttori estrinseci e intrinseci. Drogaggio con donatori (As, Sb, P) o accettori (B)

  • Piano di studio: Millman, Sezioni 1.1, 1.2, 1.3, 1.4

Giunzione p-n (diodo a semiconduttore)

Regione di svuotamento e barriera di potenziale per la diffusione delle cariche mobili. Caratteristica I-V qualitativa ed espressione analitica. Corrente di saturazione, fattore di idealità, Vt. Breakdown di tipo Zener e a valanga. Diodo ideale (caratteristica approssimata con resistenza differenziale ~ nulla.

  • Piano di studio: Millman, Sezioni 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.9, 2.10, 2.11

Transistore bipolare a giunzione (BJT)

Il generatore ideale di corrente controllato in corrente. Caratteristiche e retta di carico del generatore controllato in corrente. Uso del generatore controllato in corrente come amplificatore e interruttore. Funzionamento del transistore bipolare dal punto di vista fisico. Modello di Ebers e Moll. Regioni di funzionamento del transistore. Caratteristiche nella configurazione a emettitore comune. Funzionamento in interdizione e in saturazione. Modelli del BJT in continua.. Modello del BJT per piccoli segnali alle basse frequenze e alle alte frequenze. Dipendenza delle caratteristiche di diodi e bipolari dalla temperatura. Limiti di funzionamento dei transistori.

  • Piano di studio: Millman, Sezioni 3.1, 3.2, 3.3, 3.5, 3.6 (solo discussione qualitativa, senza formule), 3.7, 3.10, 3.13, appunti forniti dal docente sui modelli per il piccolo segnale.

Transistori a effetto di campo (FET)

Il generatore ideale di corrente controllato in tensione. Funzionamento qualitativo del transistore a effetto di campo a giunzione (JFET). Regioni di funzionamento del JFET e andamento delle caratteristiche. Simbolo circuitale del JFET. Caratteristica di trasferimento del JFET. MOSFET a arricchimento: funzionamento, regioni di funzionamento e caratteristiche. Simbolo circuitale del MOSFET. Analisi in continua dei FET. Modello dei FET per i piccoli segnali alle basse frequenze e alle alte frequenze.

  • Piano di studio: Millman, Sezioni 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 4.10, 4.14, 4.15

Configurazioni elementari di amplificatori a bassa frequenza

Amplificatori con BJT. Importanza della corretta polarizzazione del transistore. Polarizzazione del BJT nei circuiti a componenti discreti. Circuito di autopolarizzazione. Sensibilità del punto di riposo a variazioni di bF e della temperatura (esempio numerico). Progetto di circuito di polarizzazione per un BJT. Analisi di circuiti con transistori in condizioni di linearità. Amplificatore a emettitore comune alle basse frequenze: guadagno di tensione, resistenza di ingresso e di uscita.

Amplificatore comune con resistenza sull’emettitore. Amplificatore a collettore comune: guadagno, resistenza di ingresso e di uscita. Amplificatore a base comune. Amplificatori multistadio. Amplificatore differenziale a transistori bipolari. Rapporto di reiezione del modo comune. Amplificatori a source comune e a drain comune. Specchi di corrente.

  • Piano di studio: Millman, sezioni 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.6, 10.7, 10.8, 10.9, 10.10, 10.11, 10.12, 10.13., 10.14, 10.15, 10.16, 10.17, 10.18, 10.19

Simulazione numerica di circuiti elettronici

Il programma di simulazione di circuiti elettronici SPICE [appunti delle lezioni, programma e documentazione presenti sulla homepage del corso]

Circuiti con Amplificatori Operazionali

Nozioni di base sugli amplificatori operazionali. Architettura degli amplificatori operazionali. A. O. ideali. Approssimazione di corto circuito virtuale. Amplificatore Invertente e non invertente. Sommatore invertente e non invertente, convertitore tensione-corrente e corrente-tensione. Integratori. Non idealità degli amplificatori operazionali: correnti di offset e di polarizzazione di ingresso, tensione di offset di ingresso, massima ampiezza della tensione di uscita, slew rate.

  • Piano di studio: Millman, sezioni 10.21, 10.22, 14.1, parte di 14.6(solo correnti e tensioni di offset, corrente di polarizzazione di ingresso)

Risposta in frequenza dei circuiti elettronici.

Richiami sulla funzione di trasferimento di un sistema lineare. Diagramma di Bode: fase e ampiezza. Divisione in basse frequenze, centrobanda, alte frequenze. Approssimazione di polo dominante. Calcolo del limite superiore di banda e del limite inferiore di banda di un circuito nell’approssimazione di polo dominante. Progettare un circuito in modo che l’approssimazione di polo dominante sia valida. Scelta dei condensatori di bypass e di accoppiamento per imporre la frequenza di taglio inferiore. Frequenza di transizione di un transistore bipolare. Determinazione di Cbe e Cbc. Frequenza di taglio superiore di uno stadio CE e CC. Teorema di Miller. Comportamento in frequenza di un amplificatore operazionale. Funzione di trasferimento di un amplificatore invertente e non invertente. Amplificatore Cascode.

  • Piano di studio: Millman, sezioni 11.1, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7, 11.8, 11.11, 11.12, 11.13 e appunti dalle lezioni. Una trattazione del calcolo dei limiti di banda simile a quella presentata a lezione si puo’ trovare sul Sedra-Smith, sezione 7.2

Amplificatori in reazione

Classificazione degli amplificatori e circuiti equivalenti. Concetto di reazione, prelievo di tensione o di corrente (prelievo parallelo o serie), inserzione di tensione o di corrente (inserzione serie o parallelo). Amplificatori reazionati ideali (b e A unidirezionali, indipendenti dall’impedenza del carico e della sorgente). Proprietà degli amplificatori in reazione (riduzione della sensibilità e delle distorsioni non lineari). Impedenza degli amplificatori reazionati. Proprietà delle varie configurazione di amplificatore reazionato. Effetto della reazione sui poli di un sistema con un polo e con due poli.

  • Piano di studio: Millman, sezioni 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 (tranne la riduzione del rumore che non è vera), 12.5 (tranne la formula dell’impedenza di Blackman), 12.6, 13.1. Il trattamento della reazione per le varie configurazioni tenendo conto delle impedenze di ingresso e uscita della rete di reazione e di amplificazione è da cercarsi negli appunti delle lezioni sull’argomento.

Oscillatori

Criterio di Barkhausen all’innesco e a regime. Oscillatori a rete di sfasamento e a ponte di Wien. Controllo dell’ampiezza dell’oscillazione con NTC, PTC, o coppia di diodi Zener per limitare l’amplificazione. Oscillatori basati sul teorema dei tre punti. Oscillatori di Colpitts e di Hartley. Cristalli di quarzo: circuito equivalente. Uso dei cristalli di quarzo per realizzare oscillatori di Hartley e Colpitts stabili in frequenza.

Filtri

Definizione dei filtri ideali passabasso, passabanda, passaalto, elimina banda. Definizione e requisiti di un filtro reale passabasso e passabanda. Funzioni di trasferimento biquadratiche (LP,BP, HP, notch). Cella di Sallen-Key passabasso e passaalto. Filtri di Butterworth e di Chebyshev. Progetto di un filtro con banda passante 1 KHz, ripple 1db, attenuazione 40 dB a 2 KHz. Filtro passaalto e passabasso del primo ordine. Filtri biquadratici passa banda (Sallen Key e Delyannis) e filtro notch a doppio T pontato. Filtri Sfasatori: definizione e collocazione di poli e zeri. Filtro sfasatore del primo ordine con operazionali. Funzione di trasferimento dettagliata di un integratore di Miller.

  • Piano di studio: Millman, sezioni 16.8, 16.9, 16.10, 16.6

Comparatori e circuiti a scatto

Comparatori. Generatore di impulsi a partire da una sinusoide. Comparatore rigenerativo (trigger di Schmitt). Generatori d’onda quadra e triangolare. VCO. Multivibratori monostabile con trigger di Schmitt: retriggerabile e non retriggerabile.

  • Piano di studio: Millman sezioni 15.7, 15.8, 15.9, 15.10, 15.11

Alimentatori

Schema a blocchi. Raddrizzatore a semplice semionda e a doppia semionda. Raddrizzatore a ponte. Filtri raddrizzatori. Definizione di ripple. Regolatori serie. Regolatori monolitici (Motorola 78XX e 79XX) e loro impiego.

  • Piano di studio: Millman sezioni 17.1, 17.2, 17.3, 17.4, 17.5, 17.6,  appunti delle lezioni

Circuiti Elettronici Digitali

Definizione dei livelli logici. Caratteristiche di un inverter ideale. Inverter reale: caratteristica di trasferimento, fan in, fan out, margini di rumore, dissipazione di potenza. Definizione dei tempi di salita e di discesa, tempi di propagazione.

Logica CMOS: Inverter CMOS Calcolo della caratteristica di trasferimento. Zone di funzionamento dei pMOS e degli nMOS in un inverter. Inverter compensato. Margini di rumore. Calcolo dei tempi di propagazione di un inverter CMOS. Porte logiche. Sintesi della rete di pull up e di pull down di una porta logica complessa. Dimensionamento dei transistori nelle porte logiche complesse. Transistori di passo e porte di trasmissione nella realizzazione di funzioni logiche.

Realizzazione di decoder, demultiplexer, multiplexer e encoder. Memorie di sola lettura (ROM). Realizzazione a diodi, a BJT multiemettitore, a nMOSFET. Indirizzamento bidimensionale. Logica programmabile PROM, PAL, PLA, Flash EEPROM. Latch, latch bistabile, Flip-Flop SR sincrono e asincrono. Flip-Flop D. Timer 555: realizzazione di multivibratori monostabile e astabile. Multivibratori astabili e monostabili realizzati con porte logiche. Memorie ad accesso casuale (RAM). Memorie statiche e dinamiche.

  • Piano di studio: Millman, sezioni 6.4, 6.8, 6.9, appunti dalle lezioni sulla famiglia CMOS. Le lezioni sulla famiglia CMOS sono tratte dal Sedra-Smith, sezioni 13.1.2, 13.2 , 13.3, 13.5, Milmann: sezioni 7.6, 7.7, 7.8, 7.9, 7.10, .7.12, 7.13, 7.14, 7.15, 8.1, 8.2, 8.3, 15.6, 15.12, 9.4, 9.5.

 

Riferimenti:

  • J. Millman and A. Grabel, “Microelettronica”, McGraw-Hill, 1994.
  • A. S. Sedra, K. C. Smith, “Microelectronic Circuit”, Oxford University Press, 1998.
  • AA.VV. “Caratteristiche di componenti elettronici e circuiti integrati”, a cura di G. Iannaccone, Servizio Editoriale Universitario, 2003.

Modalità d’esame

Prerequisito

Consegna delle relazioni sugli esercizi assegnati durante il corso.  Altrimenti non è possibile sostenere l’esame.

Prova scritta

La prova scritta due ore, e prevede 3 domande o esercizi su tutti gli argomenti del corso. È proibito consultare appunti o altro materiale – eccetto i datasheet necessari per svolgere gli esercizi – ed è proibito comunicare con altri. Non si può uscire.

Prova Orale

Due domande o esercizi su tutti gli argomenti del corso. 21 esempi di domande in questa pagina

Altro materiale

Data sheet per lo svolgimento degli esercizi