FONDAMENTI di ELETTRONICA per Ingegneria Elettrica Elettronica

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1 FONDAMENTI di ELETTRONICA per Ingegneria Elettrica Elettronica prof. ing. Giovanni Martines (insegnamento da 10 CFU codice IN/0022)

2 prof. ing. Giovanni Martines Riceve gli studenti tutti i martedì dalle 15 alle 17 tutti i giovedì dalle 11 alle 13 Eccezionalmente su appuntamento richiesto telefonicamente o via Tutti gli avvisi nella sezione Info&News del sito WEB del DIEE Recapiti martines@diee.unica.it tel Ufficio al 2 piano del pad. B del DIEE

3 Introduzione al corso Obiettivi Cosa è necessario conoscere Argomenti del corso Organizzazione didattica Testi consigliati Esami di profitto Consigli

4 Obiettivi Per il profilo professionale: Conoscere il principio di funzionamento dei dispositivi elettronici elementari oggi più diffusi e le metodologie proprie dell analisi degli amplificatori elettronici Acquisire la capacità di identificare i circuiti elettronici elementari e di comprendere su questa base la funzione di un sistema elettronico di ridotta complessità Sapere comparare i sistemi elettronici in termini di efficacia ed efficienza nel mantenimento delle prestazioni richieste con particolare riferimento alla dissipazione di potenza, alle tolleranze costruttive e operative ed alla affidabilità Avere la capacità di procedere al continuo aggiornamento delle proprie conoscenze per seguire la rapida evoluzione che caratterizza il settore dei sistemi elettronici

5 Obiettivi Per il superamento dell esame: Essere in grado di trattare i più comuni amplificatori elettronici, realizzati con stadi in cascata di differente complessità Conoscere le prestazioni ottenibili e le equazioni di progetto degli stadi amplificatori, sia elementari (un solo transistore) che di media complessità (due o più transistori con diversi funzioni) o realizzati con amplificatori operazionali Sapere analizzare un amplificatore elettronico di media complessità, determinandone le prestazioni anche in presenza di controreazione. Sapere assegnare la configurazione e le specifiche dei singoli stadi in cascata a partire da quelle richieste per l intero sistema

6 Obiettivi Incremento di abilità. A partire da specifiche assegnate per le prestazioni, saprete: dimensionare un amplificatore elementare con BJT o FET dimensionare una coppia differenziale in diverse tecnologie progettare uno stadio di uscita di bassa potenza assegnare la struttura di un amplificatore elettronico determinando numero e tipo degli stadi da utilizzare e le specifiche che ciascuno di essi deve soddisfare modificare le prestazioni di un amplificatore elettronico attraverso la controreazione realizzare sistemi elettronici basati su amplificatori operazionali

7 Obiettivi Incremento di competenze. Alla fine del corso saprete: scegliere la complessità dei modelli equivalenti e delle metodologie di analisi, più adatta alla approssimazione richiesta dal contesto leggere lo schema di un amplificatore elettronico, cioè analizzarne qualitativamente le prestazioni attraverso il riconoscimento dei circuiti elementari presenti e delle loro funzioni presentare un progetto elettronico secondo i canoni definiti in sede internazionale, discutendone le proprietà, le caratteristiche e le prestazioni studiare il comportamento e valutare le prestazioni di un amplificatore elettronico di complessità medio-bassa utilizzando un software di simulazione basato su SPICE

9 Cosa è necessario conoscere Propedeuticità culturali (insegnamenti): Matematica 1 e 2 Fisica Generale 1 e 2 Chimica Matematica Applicata Elettrotecnica - prima parte Analisi e Controllo dei Sistemi Dinamici Analisi dei Sistemi

10 Cosa è necessario conoscere Per seguire con profitto è particolarmente importante la conoscenza dei seguenti argomenti: Analisi dei circuiti elettrici in regime stazionario Analisi dei circuiti elettrici in regime sinusoidale Caratterizzazione esterna di reti ad una porta e a due porte Analisi dei modelli ingresso-uscita di un sistema nel dominio del tempo, della variabile di Laplace e della frequenza Trasformata di Fourier Stabilità dei sistemi lineari e stazionari Struttura atomica e sistema periodico degli elementi Teoria dei gas e dei solidi con struttura cristallina

11 Cosa è necessario conoscere Le seguenti abilità sono assolutamente necessarie: Sapere risolvere circuiti elettrici a più maglie determinando il valore delle tensioni di nodo e delle correnti di ramo anche in presenza di generatori controllati Sapere tracciare i diagrammi di Bode di una funzione di trasferimento Sapere esprimere ed analizzare una funzione di trasferimento in forma fattorizzata (in termini di poli e zeri) Sapere riconoscere e tracciare reti elettriche equivalenti Sapere usare i fogli elettronici e programmi di simulazione numerica

13 Argomenti del corso Definizioni e metodologie proprie dello studio dei sistemi elettronici (1,2 CFU) Amplificatori Operazionali (1.8 CFU) Dispositivi elettronici a stato solido (1.6 CFU) Amplificatori elementari a singolo transistore (1.6 CFU) Amplificatori elementari nei circuiti integrati analogici (1.8 CFU) Stadi di uscita (0.8 CFU) Amplificatori con reazione negativa (0.8 CFU) Le porte logiche in tecnologia CMOS (0.4 CFU) Nota: 1 CFU = 25 ore studio studente (10 in aula + 15 a casa)

14 Argomenti del corso Definizioni e metodologie proprie dello studio dei Sistemi Elettronici Definizione delle grandezze caratteristiche e bilancio energetico. Standardizzazione. Rappresentazioni approssimate e modelli equivalenti per il segnale, nel dominio del tempo e della frequenza, e per il rumore Metodologie per amplificatori con stadi in cascata Simulazione circuitale con SPICE

15 Argomenti del corso Amplificatori operazionali Amplificatore differenziale ed operazionale Operazionali ideali: configurazione invertente e non-invertente e cortocircuito virtuale Operazionali reali: effetti delle limitazioni sulle prestazioni dell amplificatore ad anello chiuso Effetti delle limitazioni a largo segnale e degli offset Esempi di applicazioni circuitali Progetto di amplificatori con più operazionali in cascata

16 Argomenti del corso Dispositivi elettronici a stato solido Semiconduttori e giunzione pn Diodo a giunzione e caratteristiche elettriche Retta di carico, punto di lavoro e modelli equivalenti Applicazioni dei diodi Diodi Zener, LED, fotodiodi, varactor Transistore MOSFET e caratteristiche v-i Transistore BJT e caratteristiche v-i Tiristore, SCR, TRIAC, DIAC

17 Argomenti del corso Amplificatori elementari a singolo transistore Regioni di funzionamento dei transistori nel piano v-i Retta di carico e polarizzazione del transistore Trans-caratteristiche e modelli a piccolo segnale a frequenze intermedie Equazioni di progetto della configurazione invertente (CS, CE) Equazioni di progetto della configurazione noninvertente (CG, CB) Equazioni di progetto degli inseguitori di tensione (CD, CC) Modelli equivalenti a piccolo segnale ad alta frequenza Metodi approssimati per la determinazione della risposta ad alta e bassa frequenza in presenza di polo dominante

18 Argomenti del corso Amplificatori elementari nei circuiti integrati analogici Amplificatori elementari con carico attivo Circuiti di polarizzazione basati sullo specchio di corrente Analisi del funzionamento della coppia differenziale ed equazioni di progetto Realizzazione della coppia differenziale in differenti tecnologie Risposta in frequenza della coppia differenziale e problema del CMRR Configurazioni Darlington, Cascode, etc.

19 Argomenti del corso Stadi di uscita Classificazione e specifiche di progetto Criteri di progetto di uno stadio in classe A Criteri di progetto di uno stadio in classe B Circuiti di polarizzazione e criteri di progetto di uno stadio in classe AB

20 Argomenti del corso La reazione negli amplificatori elettronici Struttura generale degli amplificatori elettronici con reazione negativa Classificazione ed analisi delle topologie di controreazione Anelli di reazione e metodologie per il calcolo del guadagno d anello Stabilità degli amplificatori reazionati

21 Argomenti del corso Porte logiche CMOS Tabelle di verità e porte logiche fondamentali Definizione delle prestazioni: livelli logici, immunità al rumore, tempi di propagazione, fan-out Inverter in tecnologia CMOS Esempi di porte logiche CMOS

23 Organizzazione didattica Lezioni basate sulla presentazione di trasparenti con figure ed equazioni tratte dai testi consigliati Esercitazioni teoriche (si presenta una sola delle possibili soluzioni di progetto) Esercitazioni sperimentali con simulatore circuitale (basato SPICE) Test di autovalutazione

24 Organizzazione didattica Lezioni Si presentano slide in cui compaiono solo figure e formule (con eventuali passaggi), generalmente direttamente tratte dai testi consigliati. Le slide sono generalmente disponibili in rete prima della presentazione a lezione per facilitare coloro che prendono appunti La lavagna viene utilizzata per esempi o schemi esemplificativi non essenziali Sono incoraggiate o sollecitate le domande durante lo svolgimento della lezione Non ci sono dispense e lo studio su uno dei testi consigliati è sufficiente per raggiungere gli obbiettivi formativi e superare le prove d esame

25 Organizzazione didattica Esercitazioni Circa il 35% del tempo di presenza in aula viene riservato allo sviluppo di esercizi Generalmente l esercizio viene presentato alla fine di una lezione e svolto e commentato in una lezione successiva per permettere allo studente di affrontare il problema da solo o in gruppo Generalmente gli esercizi sono di tipo progettuale e quindi ammettono soluzioni diverse a seconda delle scelte adottate su ipotesi diverse ma egualmente valide Lo studente dovrebbe sempre provare a risolvere l esercizio in più modi motivando ogni volta le scelte adottate e commentando i risultati ottenuti. La verifica dovrebbe essere fatta simulando il funzionamento con SPICE

26 Organizzazione didattica Esercitazioni sperimentali Alcune esercitazioni vengono svolte in aula con SPICE per simulare il reale processo di progettazione con metodologia try and error L esercizio viene prima risolto, poi simulato e sulla base dei risultati della simulazione si diagnosticano le cause della mancata prestazione e si provvede a correggerle. Si ripete la simulazione e si ripete la procedura fino a che tutti i problemi di prestazione non sono risolti

27 Organizzazione didattica Autovalutazione delle conoscenze Test anonimo basato su quiz a risposta multipla per valutare il possesso dei prerequisiti dell insegnamento Prima prova intermedia, nel periodo previsto dalla organizzazione didattica della Facoltà. La prova consiste in una prova scritta, che si svolge con le stesse modalità dell esame finale, sulla parte di programma già svolto. La prova scritta verrà corretta e valutata, se consegnata, e potrà fare parte dell esame finale. Seconda prova scritta, ancora nel periodo previsto dalla organizzazione didattica della Facoltà e cioè subito alla fine dei corsi del 2 semestre. La prova si svolge con le stesse modalità di quella precedente ma su argomenti del programma svolti dopo la prima prova intermedia.

29 Testi consigliati Per il conseguimento degli obiettivi formativi e per il superamento dell esame finale è sufficiente studiare gli argomenti citati nel programma d esame su uno dei due testi qui di seguito citati: Adel Sedra, Kenneth Smith: "Microelectronic circuits", Oxford University Press (in italiano "Circuiti per la Microelettronica" a cura Prof. F. Corsi, Edises, Napoli). Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock Microelectronic Circuit Design, Second Edition, McGraw-Hill, New York (in italiano Microelettronica a cura prof. Paolo Spirito, McGraw-Hill Italia, Milano).

31 Esami di profitto Prova scritta da completare in 2 ore, su un problema di progetto o dimensionamento o analisi di un sistema elettronico. Alla prova scritta si può portare solo un libro di testo, le copie delle slide presentate a lezione ed una calcolatrice Prova orale integrativa facoltativa, senza ammissione consiste nella discussione della prova scritta ed in una domanda alla lavagna su uno degli argomenti del programma

32 Esami di profitto Non ci sono fino ad oggi limitazioni sulle iscrizioni alla prova scritta ma è assolutamente sconsigliato presentarsi alla prova successiva se si è ottenuta una votazione bassa L unica prova scritta valida è comunque l ultima che è stata consegnata Le procedure di iscrizione sono quelle unificate gestite dalla Facoltà di Ingegneria I calendari delle prove d esame sono pubblicati a cura della Facoltà di Ingegneria L aula e l orario di inizio della prova scritta sono comunicati con avviso nella sezione Info&News del sito del DIEE

34 Siti WEB per PSPICE Versione disponibile ORCAD vers. 9.1 (2000) Versione per studenti (circa 28 MB + 20 MB manuali) Versione aggiornata ORCAD vers (2006) Versione per studenti Sito: BRM Italia srl ( Versione da Linear Technology (non commerciale) Non commerciale Sito: Linear Technology (

35 Materiale didattico in rete Orcad PSPICE vers. 9.1 e relativi manuali in formato PDF (complessivamente circa 50 MB) I lucidi mostrati a lezione in formato PDF (complessivamente circa?? MB) Il programma dettagliato del corso, gli orari di ricevimento, il calendario degli esami, le procedure di iscrizione all esame finale, gli esiti della prove scritte. Esempi di testi di prove scritte