Elettronica (136II) – Primavera 2018

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Programma, lezioni, materiali, modalità d’esame

Introduzione

Amplificatori

  • Sistemi a due porte. Circuito equivalente [Video]
  • Classificazione degli amplificatori [Video]
  • Amplificatori in cascata. Effetto sulla funzione di trasferimento [Video]
  • Amplificatore operazionale. Architettura degli amplificatori operazionali. A. O. ideali e non idealità. [Video]
  • Amplificatore invertente. Approssimazione di corto circuito virtuale. Amplificatore non invertente. [Video]
  • Sommatore, derivatore e integratore [Video]
  • Comportamento in frequenza dell’amplificatore. Amplificatore a polo dominante e amplificatore non compensato [Video]
  • Effetto del polo dominante su amplificatore invertente e integratore. [Video]

Materiale:

  • 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)

Filtri

Lezioni tenute dal Prof. Gianluca Fiori

  • 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.
  • 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.

Materiale:

Amplificatori in reazione

  • Concetto di sistema in reazione e circuiti in reazione. 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). [Video]
  • Prelievo di tensione o di corrente (prelievo parallelo o serie), inserzione di tensione o di corrente (inserzione serie o parallelo). Impedenza degli amplificatori reazionati. Proprietà delle varie configurazione di amplificatore reazionato. Casi SP [Video], SS [Video], PP [Video], PS [Video]. Esercizio [Video]
  • Effetto della reazione sui poli di un sistema con un polo e con due poli [Video]

Materiale

  • 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

  • Introduzione agli oscillatori sinusoidali. Condizioni di oscillazione e criterio di Barkhausen all’innesco e a regime. [Video]
  • Oscillatore a ponte di Wien. Controllo dell’ampiezza dell’oscillazione con NTC, PTC. Oscillatore a rete di sfasamento. [Video]
  • Oscillatori basati sul teorema dei tre punti. Oscillatori di Colpitts e di Hartley. [Video][Video esercizi]
  • Cristalli di quarzo: circuito equivalente. Uso dei cristalli di quarzo per realizzare oscillatori di Hartley e Colpitts stabili in frequenza.

Materiale:

  • 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]

Comparatori e circuiti a scatto

Lezioni tenute dal Prof. Fiori nel 2018

  • 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.

Materiale:

Semiconduttori e giunzioni pn

  • Conduzione in un metallo e corrente di deriva [Video]
  • Cos’è un semiconduttore, in cosa differisce da un metallo e da un isolante. Elettroni e lacune; dipendenza della conducibilità dalla temperatura. [Video]
  • Semiconduttori estrinseci e intrinseci. Drogaggio con donatori (As, Sb, P) o accettori (B). Corrente di deriva e diffusione [Video 1][Video 2]
  • 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. [Video]
  • Modello del diodo di grande segnale [Video del corso 2017]. Raddrizzatore a singola semionda. [Video del corso 2017]
  • Modello del diodo di piccolo segnale. [Video del corso 2017]
  • Capacità differenziali del diodo [Video del corso 2017]
  • Breakdown di tipo Zener e a valanga. Regolatore di tensione con diodo Zener. [Video]

Materiale:

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

  • Principio di funzionamento del BJT e modello di Ebers e Moll [Video]
  • Regioni di funzionamento del BJT [Video]
  • Modello di grande segnale del BJT [Video]
  • Modello di piccolo segnale del BJT in bassa frequenza [Video]
  • Riepilogo del BJT e caratteristiche di uscita a emettitore comune [Video]
  • Circuito di giacoletto e limiti di funzionamento del BJT [Video]

Materiale:

  • 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)

  • Principio di funzionamento del MOSFET a inversione e caratteristiche in continua [Video]
  • Principio di funzionamento del JFET e caratteristiche in continua [Video]
  • Modello di piccolo segnale del FET in bassa frequenza e in alta frequenza. MOSFET a canale p. Simboli circuitali [Video]

Materiali:

  • 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

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  • Importanza della corretta polarizzazione dei transistori. Polarizzazione del BJT nei circuiti a componenti discreti e integrati. Sensibilità del punto di riposo a variazioni di bF e della temperatura (esempio numerico). Polarizzazione dei FET e sensibilità del punto di riposo a variazioni della tensione di soglia o di pinch-off. [Video]
  • Stadi amplificatori con transistori bipolari a centro banda. Amplificatore a emettitore comune, Amplificatore comune con resistenza sull’emettitore, Amplificatore a collettore comune, Amplificatore differenziale a transistori bipolari. [Video 1 di 2][Video 2 di 2]
  • Stadi amplificatori a FET a centro banda. Amplificatori a source comune e a drain comune. Confronto [Video]
    • 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 [Video]

    • 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]

    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. 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]

    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