Subject: Fondamenti di Elettronica

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1 HO Docente: Andrea CASTOLDI Esercitatore: Pietro KING HEN Ricevimento: Giovedi 16:15 18:15 HERE Dip. di Elettronica, Informazione e Bioingegneria Ed. 24, Via Golgi 40 Andrea.Castoldi@polimi.it Subject: Fondamenti di Elettronica

2 ORARIO DELLE LEZIONI lezioni/esercitazioni Giorno Ora Aula Lunedi' 14:15-17:15 3 ore (ex I.0.1) Martedi 10:15-12:15 2 ore N.0.1 Mercoledi (*) 10:15-13:15 3 ore (*) 7/12 esercitazioni (ex C.1.1)

3 ORARIO DELLE LEZIONI 3 laboratori sperimentali Giorno Ora Aule (3 sq.) Mer 27 marzo Gio 28 marzo (simulaz SPICE/realizz. circuiti RC /CMOS) Mer 8 maggio Gio 9 maggio (simulaz., realizz., test circuito digitale) Mer 30 maggio (simulaz., realizz., test circuito analogico) 16:15-19:15 15:15-18:15 16:15-19:15 15:15-18:15 G.0.2 G.0.1 G.0.2 G.0.2 G.0.1 G :15-19:15 G.0.1 G.0.2

4 LIBRI DI RIFERIMENTO E PAGINA WEB Sedra/Smith Microelectronics Circuit >=5 th edition, Oxford University press Richard C. Jaeger, Microelettronica, McGraw-Hill

5 MODALITA D ESAME L'esame consta di una prova scritta che verte su tutto il programma del corso. Non sono previste prove in itinere a meta /fine corso In generale le domande possono richiedere la risoluzione di problemi/circuiti specifici oppure possono anche essere domande di carattere teorico. - Tipicamente 2 o 3 circuiti diversi, ciascuno con 3-4 domande, per un totale di 8-12 esercizi. Il sito web del corso riporta numerosi esempi di temi d esame risolti - Possono essere introdotti esercizi «zero» o «obbligatori» che, se non risolti correttamente, non consentono il superamento della prova: *potrebbe essere un esercizio di base, con un blocco di domande; *oppure, all'interno dei 2-3 blocchi di esercizi del tema d'esame, alcune domande in ciascun blocco sono richieste come obbligatorie (le domande piu' di base).

6 MODALITA D ESAME -esempi 12 punti (4 es.) caso 10 esercizi totali: 5 18/ / mediamente: 3/30 per esercizio 9 punti (3 es.) 9 punti (3 es.) voto in 30mi # esercizi (risolti al 100%)

7 MODALITA D ESAME - esempi uso (talvolta) di domande obbligatorie:

8 MODALITA D ESAME E' bene ricordarvi che: la prova scritta d'esame non puo' essere sostenuta con profitto senza una fase adeguata di assimilazione dei concetti e della loro applicazione prima si studia sui testi di riferimento/appunti poi si fanno esercizi sull argomento studiato (pochi esercizi fatti bene, senza guardare la soluzione!) solo alla fine si provano i temi d esame (e il metodo piu veloce!!!) bisogna essere in grado di autovalutare la propria prova e si chiede di consegnarla per la correzione solo se si ritiene possibile un esito sufficiente il docente e' sempre disponibile sia nelle ore di ricevimento sia durante l'esame per qualunque spiegazione o dubbio.

9 AVVERTENZE GENERALI PER LE PROVE SCRITTE si prega di portare fogli protocollo per lo svolgimento della prova e una tessera identificativa. indicare nome, cognome, matricola, firmare e numerare i fogli (n.parziale/n.totale) la leggibilita'e l'uso di commenti che spiegano chiaramente i passaggi intermedi significativi sono elementi di giudizio essenziali (!) per valutare ogni risposta. in loro mancanza viene applicata una forte penalizzazione, anche se la risposta e' numericamente corretta. in particolare: spiegare sinteticamente cosa state facendo e perche' nei passaggi significativi ricavare le espressioni simboliche a partire da concetti noti e, successivamente, calcolare i risultati numerici, indicando sempre le unita' di misura. non applicare formule «a scatola chiusa» senza aver adeguatamente giustificato il loro impiego nel contesto!!! indicare chiaramente le approssimazioni che adottate e perche. Verificate a posteriori. non ultimo: stesura ordinata e precisa A.Castoldi, Fondamenti di Elettronica

10 CONOSCENZE DI BASE Leggi di Kirchhoff Equivalente Thevenin e Norton Concetto di impedenza - Reti in regime sinusoidale Reti elementari in regime transitorio: circuito RC e CR, risposta al gradino. senza sufficiente padronanza e capacita di applicazione di questi concetti e difficile superare l esame di Fondamenti di Elettronica Si intende che non bisogna solo «conoscere» il teorema o il concetto solo di nome o «teoricamente». Bisogna padroneggiare questi strumenti (esercitarsi, esercitarsi ) e saperli applicare in casi reali

11 PROGRAMMA DEL CORSO PARTE I 10 Crediti 1. Sistemi Elettronici 1.1 Segnali: generatori e sensori reali. Rappresentazione nel tempo e componenti in frequenza. 1.2 Richiami di Elettrotecnica: partitore di tensione e di corrente, circuiti RC e CR 2. Dispositivi Elettronici 2.1 Generalita sui semiconduttori: droganti, portatori. 2.2 Diodo: principio di funzionamento, caratteristiche statiche ideali, impiego come raddrizzatore. 2.3 Transistore MOS: principio di funzionamento, caratteristiche statiche ideali, impiego come interruttore. 3. Elettronica Digitale 3.1 Inverter CMOS: prestazioni statiche e dinamiche, margini di rumore. 3.2 Porte Logiche CMOS: prestazioni statiche e dinamiche. 3.3 Componenti MSI: combinatori (decoder, mux) e sequenziali (flip-flop, registri), memorie RAM statiche e dinamiche 4. Elettronica Analogica 4.1 Transistore MOS: impiego come amplificatore. Stadi elementari. e PRIMA PROVA IN ITINERE

12 PROGRAMMA DEL CORSO PARTE II 4. Elettronica Analogica 4.3 Amplificatori operazionali (OA): caratteristiche ideali e deviazioni dall'idealita', funzionamento lineare; comparatore. 4.4 Reazione negativa: concetto di terra virtuale, configurazioni invertente e non invertente. 4.5 Circuiti con OA reali per la somma, la differenza, l integrazione, la derivazione e il filtraggio di forme d onda 5. Conversione Analogica/Digitale 5.1 Generalità sul campionamento: criteri di ricostruzione, spettro ed equivocazione. 5.2 Sample&Hold: struttura circuitale, parametri e non idealita'. 5.3 Convertitori DAC: esempi di struttura interna, errori e non-linearità. 5.4 Convertitori ADC: esempi di struttura interna, quantizzazione, risoluzione, precisione ed accuratezza.

13 domande?

14 DEFINIZIONE(/I) DI ELETTRONICA Elettronica Tecnologia di elaborazione delle informazioni basata sul trattamento dei segnali di tipo elettrico. Elettronica Scienza che si occupa dell acquisizione, elaborazione e trasmissione dell informazione con segnali elettromagnetici. Elettronica: scienza e tecnologia che studia come controllare il moto degli elettroni Progettazione di apparati di elaborazione dell informazione Progettazione di apparati di misura di grandezze fisiche Progettazione di dispositivi elettronici e circuiti Progettazione apparati per il controllo e l automazione Apparati di trasmissione/ricezione di informazione

15 Un sistema elettronico Microfono Pressione Termocoppia, resistenza calibrata (ad Temperatura es. Pt) Intensita luminosa, spettro Fotodiodo, Fototransistore radiazione, Solenoide, Posizione di incidenza, tempo,. Altoparlante Riscaldatore LED, laser motore ELETTRONICA: tecnologia di elaborazione delle informazioni basata sul trattamento dei segnali elettrici

16 Es.:FOTOCAMERA DIGITALE Sensore per la conversione della luce in un segnale elettrico Catena di elaborazione (una per colonna) Matrice monolitica di sensori Pre elab. analogica, conversione A/D, elaborazione digitale

17 SEGNALI ANALOGICI E DIGITALI variabile casuale Segnali digitali Segnali campionati Segnali analogici Segnali tempo continui campionamento di un segnale tempo continuo

18 SEGNALI NEL DOMINIO DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA Segnale sinusoidale Segnale a Onda Quadra Va(t)= Va*sin( t) = Ampiezza = Va*sin(2 ft) = Periodo = Va*sin(2 ). Frequenza Pulsazione angolare Fase f= [Hz] =2 f= [rad/s] NOTA: Frequenza (no. cicli per unita di tempo) e frequenza angolare (radianti al secondo) hanno diverse unita di misura ma le stesse dimensioni fisiche [T 1 ]!!! Serie di Fourier e Spettro in frequenza

19 SEGNALI NEL DOMINIO DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA Ricostruzione di un onda quadra dai termini della Serie di Fourier

20 SEGNALI NEL DOMINIO DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA Rappresentazione nel dominio del tempo Segnali non periodici Necessita di rappresentare efficacemente le proprieta /informazioni contenute in un generico segnale analogico Volt 2 /Hz Rappresentazione nel dominio della frequenza Banda di un segnale: intervallo di frequenze alle quali le ampiezze del suo spettro sono di valore significativo banda

21 Segnali non periodici: TdF spettro di frequenze del segnale Serie di Fourier (SdF) Trasformata di Fourier (TdF)

22 Spettro in frequenza di un segnale Un segnale viene descritto mediante il suo «contenuto di armoniche», cioe come somma (pesata) di sinusoidi che consideriamo le sue componenti elementari: L insieme dei pesi di ogni frequenza nella sommatoria costituiscono lo spettro in frequenza del segnale

23 l approccio piu rigoroso alla TdF richiede un po piu di matematica (opzionale nel nostro caso) Spettro in frequenza di un segnale

24 Esempi

25 Esempi

26 Esempi

27 Eq. Thevenin (o Norton) Amplificatore lineare: CIRCUITO EQUIVALENTE Sensore Amplificatore Trasduttore Ampl. di tensione (o di corrente) Resistenza di carico Generatore equivalente Resistenza equivalente Resistenza di ingresso Resistenza di uscita Guadagno di tensione (corrente)

28 Amplificatore REALE:saturazione Caratteristica di trasferimento reale (effetto di saturazione) Caratteristica di trasferimento ideale

29 Amplificatore REALE: piccolo segnale amplificazione in elettronica: concetto di piccolo segnale caratteristica di trasferimento quasi lineare solo in un intorno del punto di lavoro (polarizzazione)

30 Segnali DIGITALI Tempo continuo Ampiezze continue Tempo discreto Ampiezze continue Tempo discreto Ampiezze discrete

31 Perche analogico? I segnali provenienti dai sensori sono analogici Per comandare un attuatore e necessario fornire un segnale elettrico di ingresso analogico con opportuna impedenza, ampiezza e potenza Necessita di elaborare il segnale proveniente dal sensore prima di poterlo digitalizzare: Livello troppo basso (µv!) Presenza di disturbi da eliminare Rapporto S/N troppobasso.. Il livello di precisione complessivo del sistema e spesso determinato esclusivamente dalla parte analogica (piu challenging) Analog processing S N

32 Perche digitale? Insensibile ai disturbi (entro certi limiti!!!) Logica binaria facilmente riproducibile con circuiti elettronici (on/off) Facilita nell eseguire elaborazioni complesse Possibilita di memorizzare dati per un tempo arbitrario PERO E necessario (anzi essenziale!) che il segnale analogico sia opportunamente trattato prima della conversione A/D

33 Convertitori A/D e D/A Tempo discreto Ampiezze continue