Elettronica (136II) – Primavera 2017

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Programma, lezioni, materiali, modalità d’esame

Introduzione all’Elettronica, semiconduttori, giunzione pn

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). Giunzione p-n all’equilibrio e fuori equilibrio. 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.

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.
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 transistori bipolari a giunzione [pdf]

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
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 [pdf]

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
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 sui semiconduttori e il diodo a semiconduttore [pdf]

Simulazione numerica di circuiti elettronici

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

  • Note dalle lezioni del corso del 2017 su Spice e sullo svolgimento degli esercizi (incomplete, perché parte delle lezioni sono state fatte alla lavagna) [pdf]

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)
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 [pdf]

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
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 [pdf]

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.
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 [pdf]

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.

  • Piano di Studio: Millman, sezioni 15.1, 15.2, 15.3, 15.4, 15.5
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 sugli oscillatori [pdf]
  • [Video parte 1][Video parte 2][Video esercizi]

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
  • Lezioni tenute nel 2017 dal Prof. Gianluca Fiori.

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
  • Lezioni tenute nel 2017 dal Prof. Gianluca Fiori.

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
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 [pdf]

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.
  • Note dalle lezioni del corso del 2017 [pdf]

 

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