ELETTRONICA A - L OBIETTIVI FORMATIVI MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'INSEGNAMENTO PREREQUISITI RICHIESTI FREQUENZA LEZIONI

Transcript

1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICA Corso di laurea in Ingegneria informatica Anno accademico 2018/ anno ELETTRONICA A - L ING-INF/01-9 CFU - 1 semestre Docente titolare dell'insegnamento SALVATORE PENNISI salvatore.pennisi@unict.it Edificio / Indirizzo: DIEEI - Viale A. Doria 6, Catania - ed. 3 (5 Piano) - stanza 34 Telefono: Orario ricevimento: OBIETTIVI FORMATIVI Il corso si prefigge di fornire conoscenze di base sui dispositivi elettronici e sui circuiti analogici e digitali in tecnologia CMOS. In particolare, saranno introdotti i principi di funzionamento dei dispositivi elettronici più comuni (diodi e MOS) e verranno forniti elementi di topologie circuitali in ambito analogico e digitale. Saranno trattate le più comuni configurazioni basate sull amplificatore operazionale. Durante il corso sono previste esercitazioni numeriche finalizzate al consolidamento delle tematiche trattate durante le lezioni frontali. Inoltre, saranno previsti laboratori basati sull utilizzo di software CAD (ad esempio LTSPICE), al fine di fornire una introduzione alla progettazione e simulazione circuitale. Alla fine del corso lo studente avrà una panoramica dei dispositivi elettronici e delle applicazioni in cui vengono utilizzati e sarà in grado di analizzare e progettare semplici circuiti analogici e digitali, anche mediante l utilizzo di strumenti CAD. MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'INSEGNAMENTO L'insegnamento prevede sia lezioni frontali che esercitazioni numeriche e al simulatore (CAD), mirate a mettere in pratica, consolidare e ampliare i contenuti teorici e le tecniche di analisi e progettazione sviluppate. Saranno inoltre organizzati dei seminari tenuti da ricercatori e progettisti provenienti da aziende operanti nel settore della microelettronica. PREREQUISITI RICHIESTI Conoscenza di elementi di teoria dei circuiti e di elettromagnetismo. FREQUENZA LEZIONI La frequenza non è obbligatoria ma fortemente consigliata in quanto vengono tenute e assegnate

2 esercitazioni propedeutiche allo svolgimento degli elaborati di corso da produrre alla prova orale. CONTENUTI DEL CORSO 1. Introduzione all elettronica: Breve storia dell elettronica. Classificazione dei segnali elettronici. Conversione A/D e D/A. Convenzioni sulle notazioni. Generatori dipendenti. Richiami di teoria dei circuiti (Leggi di Kirchhoff. Partitori. Circuiti equivalenti di Thevenin e Norton). Spettro di frequenza di segnali elettronici. Amplificatori. Esempio: Ricevitore FM. 2. Amplificatori operazionali: Esempio di sistema elettronico analogico. Amplificazione. Guadagni di tensione, di corrente e di potenza. Rappresentazione del guadagno in decibel. L amplificatore differenziale. Caratteristica di trasferimento di tensione dell amplificatore differenziale. Guadagno (di tensione) differenziale. Amplificazione dei segnali. Modello dell amplificatore differenziale. L amplificatore operazionale ideale. *Ipotesi per l analisi degli amplificatori operazionali ideali. *L amplificatore invertente. *L amplificatore di transresistenza. *L amplificatore non invertente. *L amplificatore a guadagno unitario o inseguitore di tensione (Buffer). *Amplificatore sommatore. *Amplificatore sottrattore. *Integratore. *Derivatore. Nonidealità. Guadagno di modo comune. CMRR. Resistenze di ingresso e di uscita. Offset. Prodotto banda-guadagno. Slew rate. 3. Elettronica dello stato solido: Materiali dell elettronica allo stato solido. Modello a legame covalente. Concentrazione intrinseca dei portatori. Legge dell azione di massa. *Correnti di deriva e mobilità nei semiconduttori. Saturazione della velocità di deriva. Resistività del silicio intrinseco. *Semiconduttori drogati. Concentrazione di elettroni e lacune nei semiconduttori drogati. *Corrente di diffusione. *Corrente totale in un semiconduttore. Modello a bande di energia. 4. Diodi a stato solido e circuiti a diodi: Diodo a giunzione. *Caratteristica I/V del diodo. *Diodo in polarizzazione inversa, nulla e diretta. Coefficiente di temperatura del diodo. *Breakdown e diodo Zener. Capacità del diodo in polarizzazione diretta ed inversa. Diodo in commutazione. Modello per ampio segnale. Modello SPICE del diodo. *Analisi di circuiti a diodi. Analisi grafica con retta di carico. Analisi con il modello matematico del diodo (resistenza di piccolo segnale). *Analisi a caduta di tensione constante. Circuiti a più diodi. *Raddrizzatore a semionda con carico R, C ed RC (Filtro capacitivo). Raddrizzatore a doppia semionda ed a ponte. *Regolatore di tensione con diodo Zener. Fotodiodi, diodi Schottky, celle solari e diodi emettitori di luce. 5. Transistori ad effetto di campo: Il condensatore MOS. Regione di accumulazione. Regione di svuotamento. Regione di inversione. MOSFET a canale n (NMOS). *Analisi qualitativa del comportamento i-v del transistore NMOS. *Regione di triodo del transistore NMOS. Resistenza di conduzione. Regione di saturazione del transistore NMOS. *Modello matematico della regione di saturazione. Transconduttanza in saturazione. Modulazione della lunghezza di canale. Effetto body. MOSFET a canale p (PMOS). Simboli circuitali del MOSFET. Capacità del transistore NMOS nella regione di triodo. Capacità nella regione di saturazione. Capacità nella regione di interdizione. *Polarizzazione del MOSFET. *Polarizzazione con rete a 4 resistori. Analisi basata sul metodo della retta di carico. Modelli SPICE. 6. I circuiti digitali: Porte logiche ideali. *Definizione dei livelli logici e dei margini di rumore. Livelli logici. Margini di rumore. Criteri di progetto per una porta logica. Risposta dinamica di una porta logica. *Tempi di salita e di discesa. *Ritardo di propagazione. Prodotto ritardo-potenza. Richiami di algebra booleana. Circuiti logici CMOS. *Caratteristiche statiche dell invertitore CMOS. Caratteristica di trasferimento dell invertitore CMOS. *Porte logiche NOR e NAND CMOS, Porte logiche CMOS complesse. Circuiti di buffer. Ritardo di un circuito disaccoppiatore (buffer). Numero ottimo di stadi. Latch bistabile. *Flip-flop SR. *Flip-flop JK. *Flip-flop T. Flip-Flop race condition. Il latch di tipo D a porte di trasmissione. *Flip-flop master-slave. *Flip-Flop edge-triggered. Registri e

3 contatori. Memorie ad accesso casuale (RAM). *La cella di memoria a sei transistori (6-T). Memorie dinamiche (DRAM). *La cella di memoria a un transistore. Memorie a sola lettura (ROM). Memorie non volatili (EEPROM). *Memorie flash. 7. Modelli di piccolo segnale e amplificatori a singolo stadio: Il transistore come amplificatore. Condensatori di accoppiamento e di bypass. Utilizzo dei circuiti equivalenti DC e AC. *Modello per piccolo segnale del diodo. *Modello per piccolo segnale del transistore ad effetto di campo. *Guadagno di tensione intrinseco del MOSFET. *L amplificatore a source comune (CS) (guadagno di tensione a centro banda, resistenze di ingresso e di uscita). Dissipazione di potenza ed escursione del segnale. Classificazione degli amplificatori. *Applicazione e prelievo del segnale (configurazioni CS, CD, CG). *Configurazione CS con resistenza di degenerazione. Amplificatori multistadio accoppiati in AC. 8. Specchi di corrente: *Analisi DC dello specchio di corrente MOS. *Modifica del rapporto di riflessione per lo specchio di corrente MOS. Specchio di corrente cascode. 9. Risposta in frequenza: *Risposta in frequenza degli amplificatori, guadagno a centro banda, frequenza di taglio inferiore, frequenza di taglio superiore. *Stima della frequenza di taglio inferiore con il metodo delle costanti di tempo in cortocircuito. Stima della frequenza di taglio inferiore per le configurazioni di amplificatore CS, CG, CD. *Modello in alta frequenza per il MOSFET. *Frequenza di transizione f T. Dipendenza di f T dalla lunghezza di canale. *Analisi ad alta frequenza dell amplificatore source comune. *L effetto Miller. *Stima della frequenza di taglio superiore con il metodo delle costanti di tempo a circuito aperto. Risposta in frequenza di un amplificatore CS. 10. Simulazione di circuiti elettronici: il simulatore LTSPICE. 11. Seminari di approfondimento: seminari tenuti da esperti dell industria microelettronica. TESTI DI RIFERIMENTO 1. Jaeger-Blalock, Microelettronica Ed. Mc-Graw-Hill, V Edizione, (Con Connect. Con Contenuto digitale per accesso on line) 2. Sedra - Smith, Circuiti per la Microelettronica, EDISES Millman-Grabel-Terreni, Elettronica di Millman, Ed. Mc-Graw-Hill ALTRO MATERIALE DIDATTICO Il materiale messo a disposizione è costituito da: lucidi delle lezioni, articoli di approfondimento, datasheets, modelli di dispositivi per il simulatore, e altro. Esso è disponibile sul sito studium.unict.it. PROGRAMMAZIONE DEL CORSO Argomenti Riferimenti testi

4 1 Introduzione all elettronica: Breve storia dell elettronica. Classificazione dei segnali elettronici. Conversione A/D e D/A. Convenzioni sulle notazioni. Generatori dipendenti. Richiami di teoria dei circuiti (*Leggi di Kirchhoff. *Partitori. *Circuiti equivalenti di Thevenin e Norton). Spettro di frequenza di segnali elettronici. Amplificatori. Esempio: Ricevitore FM. 2 Amplificatori operazionali: Esempio di sistema elettronico analogico. Amplificazione. Guadagni di tensione, di corrente e di potenza. Rappresentazione del guadagno in decibel. L amplificatore differenziale. Caratteristica di trasferimento di tensione dell amplificatore differenziale. Guadagno (di tensione) differenziale. Amplificazione dei segnali. Modello dell amplificatore differenziale. L amplificatore operazionale ideale. *Ipotesi per l analisi degli a.o. ideali. *Cortocircuito virtuale 3 *L amplificatore invertente. *L amplificatore di transresistenza. *L amplificatore non invertente. *L amplificatore a guadagno unitario o inseguitore di tensione (Buffer). *Amplificatore sommatore. *Amplificatore sottrattore. Filtri attivi passabasso e bassa-alto. *Integratore. *Derivatore. Nonidealità. Guadagno di modo comune. CMRR. Resistenze di ingresso e di uscita. Offset. Prodotto bandaguadagno. Slew rate. 4 Elettronica dello stato solido: Materiali dell elettronica allo stato solido. Modello a legame covalente. Concentrazione intrinseca dei portatori. Legge dell azione di massa. *Correnti di deriva e mobilità nei semiconduttori. Saturazione della velocità di deriva. Resistività del silicio intrinseco. *Semiconduttori drogati. Concentrazione di elettroni e lacune nei semiconduttori drogati. *Corrente di diffusione. *Corrente totale in un semiconduttore. Modello a bande di energia 5 Diodi a stato solido e circuiti a diodi: Diodo a giunzione. *Caratteristica I/V del diodo. *Diodo in polarizzazione inversa, nulla e diretta. Coefficiente di temperatura del diodo. *Breakdown e diodo Zener. Capacità del diodo in polarizzazione diretta ed inversa. Diodo in commutazione. Modello per ampio segnale. Modello SPICE del diodo. *Analisi di circuiti a diodi. Analisi grafica con retta di carico. Analisi con il modello matematico del diodo ideale (resistenza di piccolo segnale). 6 *Analisi a caduta di tensione constante. Circuiti a più diodi. *Raddrizzatore a semionda con carico R, C ed RC (Filtro capacitivo). Raddrizzatore a doppia semionda ed a ponte. *Regolatore di tensione con diodo Zener. Fotodiodi, diodi Schottky, celle solari e diodi emettitori di luce. 7 Transistori ad effetto di campo: Il condensatore MOS. Regione di accumulazione. Regione di svuotamento. Regione di inversione. MOSFET a canale n (NMOS). *Analisi qualitativa del comportamento i-v del transistore NMOS. *Regione di triodo del transistore NMOS. Resistenza di conduzione. Regione di saturazione del transistore NMOS. *Modello matematico della regione di saturazione. Transconduttanza in saturazione. 1, cap.1 1, cap. 10 1, cap.10 1, cap. 2 1, cap.3 1, cap.3 1, cap.4

5 8 Modulazione della lunghezza di canale. Effetto body. MOSFET a canale p (PMOS). Simboli circuitali del MOSFET. Capacità del transistore NMOS nella regione di triodo. Capacità nella regione di saturazione. Capacità nella regione di interdizione. *Polarizzazione del MOSFET. *Polarizzazione con rete a 4 resistori. Analisi basata sul metodo della retta di carico. Modelli SPICE. 1, cap.4 9 Introduzione all elettronica digitale 1, cap.6 10 Porte logiche ideali. *Definizione dei livelli logici e dei margini di rumore. Criteri di progetto per una porta logica. Risposta dinamica di una porta logica. *Tempi di salita e di discesa. *Ritardo di propagazione. Prodotto ritardo-potenza. Richiami di algebra booleana. Circuiti logici CMOS. *Caratteristiche statiche dell invertitore CMOS. Caratteristica di trasferimento dell invertitore CMOS. *Porte logiche NOR e NAND CMOS, Porte logiche CMOS complesse. Buffer, ritardo e numero ottimo di stadi. 11 Memorie MOS e circuiti sequenziali. Latch bistabile. *Flip-flop SR. *Flip-flop JK. *Flip-flop T. Flip-Flop race condition. Il latch di tipo D a porte di trasmissione. *Flip-flop master-slave. *Flip-Flop edge-triggered. Registri e contatori. Memorie ad accesso casuale (RAM). *La cella di memoria a sei transistori (6-T). Memorie dinamiche (DRAM). *La cella di memoria a un transistore. Memorie a sola lettura (ROM). Memorie non volatili (EEPROM). *Memorie Flash. 12 Modelli di piccolo segnale e amplificatori a singolo stadio: Il transistore come amplificatore. Condensatori di accoppiamento e di bypass. Utilizzo dei circuiti equivalenti DC e AC. *Modello per piccolo segnale del diodo. *Modello per piccolo segnale del transistore ad effetto di campo. *Guadagno di tensione intrinseco del MOSFET. *L amplificatore a source comune (CS) (guadagno di tensione a centro banda, resistenze di ingresso e di uscita, Dissipazione di potenza ed escursione del segnale). 13 Classificazione degli amplificatori. *Applicazione e prelievo del segnale (configurazioni CS, CD, CG). *Configurazione CS con resistenza di degenerazione. Amplificatori multistadio accoppiati in AC. 14 Specchi di corrente: *Analisi DC dello specchio di corrente MOS. *Modifica del rapporto di riflessione per lo specchio di corrente MOS. Specchio di corrente cascode. 15 Risposta in frequenza: *Risposta in frequenza degli amplificatori, guadagno a centro banda, frequenza di taglio inferiore, frequenza di taglio superiore. *Stima della frequenza di taglio inferiore con il metodo delle costanti di tempo in cortocircuito. Stima della frequenza di taglio inferiore per le configurazioni di amplificatore CS, CG, CD. *Modello in alta frequenza per il MOSFET. *Frequenza di transizione ft. Dipendenza di ft dalla lunghezza di canale. 16 *Analisi ad alta frequenza dell amplificatore source comune. *L effetto Miller. *Stima della frequenza di taglio superiore con il metodo delle costanti di tempo a circuito aperto. Risposta in frequenza di un amplificatore CS. 1, cap.7 1, Cap.8, Lucidi di lezione 1, cap.13, 14 1, Cap.13,14. Lucidi di lezione 1, cap.16 1, cap.17 1, Cap.17

6 Il simulatore LTSPICE manuale LTSPICE/ Lucidi di lezione VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO L'esame consiste in una prova scritta e una orale. L accesso alla prova orale si ottiene tramite il superamento di entrambe le prove in itinere, ovvero di un esame scritto. La prova orale consta di tre domande. Una domanda verte sull'elaborato di corso, una sui dispositivi/circuiti analogici e una sui circuiti digitali. L'elaborato, svolto tipicamente in gruppo (di 2-4 studenti), verte sulla simulazione CAD di circuiti assegnati durante le lezioni. La valutazione finale si basa sull'elaborato, la prova scritta/prove in itinere e sulle risposte alle tre domande. Essa terrà conto delle conoscenze acquisite, delle competenze (capacità di analisi e utilizzo di strumenti di progettazione), della chiarezza espositiva e della proprietà di linguaggio tecnico. La durata media della prova orale è di 30 min. ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI Circuiti raddrizzatori a singola o doppia semionda Regolatore di tensione. Cortocircuito virtuale Applicazioni degli applicatori operazionali Parametri di piccolo segnale dei transistori MOSFET Frequenza di transizione del transistore MOS Specchi di corrente Risposta in frequenza di un CS Porte logiche CMOS Latch e flip-flop