Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Industriale Curriculum Elettronico e Biomedico

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1 Insegnamento Livello e corso di studio Settore scientifico disciplinare (SSD) Elettronica Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Industriale Curriculum Elettronico e Biomedico ING-INF/01 Anno di corso 3 Numero totale di crediti Propedeuticità Docente 9 Elettrotecnica Mirko Barbuto Facoltà: Ingegneria Nickname: barbuto.mirko (da utilizzare per i contatti in piattaforma) mirko.barbuto@unicusano.it (solo per comunicazioni interne e amministrative) Orario di ricevimento: consultare il calendario delle videoconferenze presente nel sito dell ateneo. Durante il ricevimento sarà possibile incontrare il docente presso la sede di via Don Carlo Gnocchi o in videoconferenza sulla piattaforma telematica. Il primo ricevimento di ogni mese sarà tenuto all'interno del corso "Elettronica I - prof. Barbuto" mentre tutti gli altri all'interno del corso "Elettronica I - prof. Barbuto - videoconferenze TELEMATICO INTEGRATO". Obiettivi formativi Risultati di apprendimento attesi Il corso intende fornire le nozioni fondamentali nel campo dell elettronica analogica, partendo da semplici componenti quali diodi, BJT e MOSFET, per arrivare a dispositivi più complessi come gli Amplificatori Operazionali. Le conoscenze acquisite sono poi applicate per lo studio di semplici sistemi analogici e amplificatori a singolo transistore. Conoscenza e capacità di comprensione Lo studente al termine del Corso avrà conoscenza delle proprietà dei materiali semiconduttori e del funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore quali diodi, BJT e MOSFET. In particolare, lo studente sarà in grado di comprendere come le proprietà dei semiconduttori possono essere sfruttate per progettare dispositivi elettronici, e le funzioni espletate dai diversi dispositivi nei sistemi elettronici. Utilizzazione delle conoscenze e della capacità di comprensione Lo studente sarà in grado di utilizzare la conoscenza delle proprietà dei materiali semiconduttori e del funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore per l analisi di circuiti elettronici analogici (applicando appropriati metodi e modelli analitici) e per progettare semplici sistemi elettronici con la finalità di ottenere specifiche prestazioni. Capacità di trarre conclusioni Lo studente sarà in grado di individuare i modelli più appropriati per descrivere i singoli blocchi funzionali di un sistema elettronico complesso, di interpretare le specifiche fornite dalle case costruttrici dei dispositivi, e di applicare metodi di verifica critica dei risultati ottenuti. Abilità comunicative Lo studente sarà in grado di descrivere e sostenere conversazioni sui materiali semiconduttori, sui dispositivi a semiconduttore e su semplici sistemi elettronici, individuando correttamente le grandezze fisiche rilevanti, e adoperando una terminologia adeguata. Capacità di apprendere Lo studente al termine del Corso avrà conoscenza delle nozioni fondamentali necessarie per l analisi di circuiti elettronici analogici e per progettare semplici sistemi elettronici. Tutto ciò gli consentirà di proseguire gli studi ingegneristici con maggiore maturità e gli fornirà le basi per poter apprendere quanto verrà proposto nei corsi specialistici di elettronica. 1

2 Prerequisiti Contenuti del corso Buona padronanza dei concetti fondamentali di elettrotecnica e fisica; a tal fine, si possono utilizzare i testi già consultati per la preparazione dei relativi esami sostenuti negli anni precedenti. Il regolamento didattico del Corso di Laurea prevede che lo studente sia in grado di prepararsi a sostenere l esame nell arco di un periodo di 12 settimane. Nel programma che segue, il docente suggerisce una scansione temporale per la preparazione di ogni macroargomento del programma. Accanto a tale scansione temporale, si trova un indicazione con i moduli di riferimento e i relativi test di autovalutazione. Modulo 1 Introduzione all elettronica (Settimana 1; Test Lezione Video 1-1 Test Lezione Video 1-2) Breve storia dell elettronica, classificazione dei segnali elettronici (segnali analogici, segnali digitali e conversione tra i due domini), richiami di teoria dei circuiti (partitori di tensione e corrente, equivalente Thevenin e Norton). Modulo 2 Elettronica dello stato solido (Settimana 2; Test Lezione Video 2-1 Test Lezione Video 2-2) Proprietà dei semiconduttori, semiconduttori estrinseci, modello a bande di energia, fabbricazione dei circuiti integrati. Modulo 3 Diodo a stato solido (Settimana 3; Test Lezione Video 3-1 Test Lezione Video 3-3) Diodo a giunzione pn, diodo a barriera Schottky, analisi dei circuiti a diodi. Modulo 4 Transistore bipolare a giunzione BJT (Settimana 4; Test Lezione Video 4-1 Test Lezione Video 4-4) Struttura e principio di funzionamento, modello del trasporto, caratteristica esterna corrente-tensione, polarizzazione del BJT. Modulo 5 Transistore ad effetto di campo MOSFET (Settimana 5; Test Lezione Video 5-1 Test Lezione Video 5-3) Strutture, principio di funzionamento e caratteristiche dei MOSFET a svuotamento ed arricchimento. Polarizzazione del MOSFET. Modulo 6 Sistemi analogici (Settimana 6; Test Lezione Video 6-1 Test Lezione Video 6-5) Concetto di amplificazione, parametri degli amplificatori analogici, modello a doppio bipolo degli amplificatori, funzione di trasferimento e risposta in frequenza. Modulo 7 Amplificatori operazionali (Settimane 7-8; Test Lezione Video 7-1 Test Lezione Video 7-5) Amplificatore operazionale ideale, circuiti con amplificatori operazionali ideali, amplificatore operazionale reale, alcune applicazioni. Modulo 8 Il transistore come amplificatore e modelli per piccoli segnali (Settimane 9-10; Test Lezione Video 8-1 Test Lezione Video 8-5) Amplificatori a BJT e MOSFET, circuiti equivalenti dc ed ac, modelli per piccoli segnali (del diodo, del BJT e del MOSFET), amplificatori a emettitore comune e a source comune. Modulo 9 Amplificatori a singolo transistore (Settimane 11-12; Test Lezione Video 9-1 Test Lezione Video 9-4) Classificazione degli amplificatori, amplificatori invertenti, circuiti inseguitori, amplificatori non invertenti. Materiali di studio MATERIALI DIDATTICI A CURA DEL DOCENTE Il materiale didattico presente in piattaforma è suddiviso in 9 moduli. Essi ricoprono interamente il programma e ciascuno di essi contiene dispense, slide e videolezioni in cui il docente commenta le slide. Tale materiale contiene tutti gli elementi necessari per affrontare lo studio della materia. Testi consigliati: Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock, Microelettronica: Elettronica Analogica, McGraw-Hill. Metodi didattici Il corso è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide e dispense, i materiali di studio disponibili in piattaforma. Sono poi proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ognuna delle lezioni. Sono altresì disponibili lezioni in web-conference programmate a calendario che si realizzano nei periodi didattici. La didattica si avvale, inoltre, di forum (aule virtuali) e chat disponibili in piattaforma che costituiscono uno spazio di discussione asincrono, dove i docenti e/o i tutor individuano i temi e gli argomenti più significativi dell insegnamento e interagiscono con gli studenti iscritti. In piattaforma è possibile accedere alle classi virtuali, supervisionate dal docente. All'interno della classe virtuale 2

3 gli studenti possono collaborare allo sviluppo di progetti comuni, discutere nei forum, supportarsi a vicenda nella comprensione dei contenuti e nello sviluppo degli elaborati. Le classi virtuali rappresentano quindi uno strumento di grande importanza del processo di apprendimento ed hanno come scopo principale quello di favorire il dialogo e il confronto tra gli studenti che, in un determinato periodo didattico, stanno preparando il medesimo esame. Gli studenti sono dunque fortemente incoraggiati a partecipare attivamente all attività del forum. Modalità di verifica dell apprendimento Programma ridotto Criteri per l assegnazione dell elaborato finale L esame consiste di norma nello svolgimento di una prova orale e/o scritta tendente ad accertare le capacità di analisi e rielaborazione dei concetti acquisiti. La prova orale consiste in un colloquio tendente ad accertare il livello di preparazione dello studente. La prova scritta (della durata di 90 minuti) prevede la trattazione teorica, in forma scritta, di due argomenti del corso e lo svolgimento di un esercizio. Ogni risposta alle domande teoriche verrà valutata (da un minimo di 0 ad un massimo di 11 punti) in base ai seguenti parametri: attinenza al quesito (4 punti), completezza delle informazioni (4 punti), modalità di sviluppo dell'argomento (3 punti). Lo svolgimento dell'esercizio verrà invece valutato (da un minimo di 0 ad un massimo di 11 punti) in base ai seguenti parametri: scelta dei metodi risolutivi (3 punti), quantità nello svolgimento (3 punti), ordine del procedimento (3 punti), esattezza del calcolo (2 punti). Gli studenti che, a seguito dell avvenuto riconoscimento di un esame affine, sostenuto in una precedente carriera accademica, devono sostenere l esame di Elettronica in forma ridotta (e non da 9 c.f.u.), saranno esaminati soltanto su una parte degli argomenti del corso da concordare con il docente. L assegnazione dell elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente manifesterà i propri specifici interessi in relazione a qualche argomento che intende approfondire; non esistono preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere. Programma esteso e materiale didattico di riferimento Modulo 1 Lezione 1 Breve storia dell elettronica, classificazione dei segnali elettronici (segnali analogici, segnali digitali e conversione tra i due domini) Modulo 1 Lezione 2 Richiami di teoria dei circuiti (partitori di tensione e corrente, equivalente Thevenin e Norton) Modulo 2 Lezione 1 Proprietà dei semiconduttori, modello a legame covalente, semiconduttori estrinseci Modulo 2 Lezione 2 Mobilità e resistività in semiconduttori drogati, corrente totale in semiconduttore estrinseco, modello a bande di energia, fabbricazione dei circuiti integrati Modulo 3 Lezione 1 Introduzione del diodo a giunzione pn, analisi elettrostatica, caratteristica i-v, polarizzazione del diodo, coefficiente di temperatura del diodo Modulo 3 Lezione 2 Diodo in polarizzazione inversa, rottura della giunzione, diodo Schottky, analisi dei circuiti contenenti diodi Modulo 3 Lezione 3 Circuiti a più diodi, regolatore di tensione con diodo Zener, raddrizzatori a semionda, rivelatore di picco, raddrizzatore a doppia semionda, circuiti formatori d onda, fotodiodi, LED Modulo 4 Lezione 1 Introduzione al BJT: struttura e principio di funzionamento, BJT npn: modello del trasporto completo Modulo 4 Lezione 2 BJT pnp: struttura e principio di funzionamento, modello del trasporto completo; regioni di funzionamento del BJT; tensioni di rottura del BJT; caratteristiche i-v del BJT 3

4 Modulo 4 Lezione 3 Modello del trasporto semplificato nelle diverse regioni di funzionamento, variazione con la frequenza del guadagno, transconduttanza del BJT Modulo 4 Lezione 4 Effetto Early, polarizzazione del BJT Modulo 5 Lezione 1 Introduzione al MOSFET: struttura e principio di funzionamento del MOSFET a canal n, regione di triodo del MOSFET a canale n Modulo 5 Lezione 2 Regione di saturazione, transconduttanza del MOSFET, modulazione della lunghezza di canale, caratteristiche di trasferimento, MOSFET a svuotamento, effetto body, MOSFET a canale p Modulo 5 Lezione 3 Capacità nel MOSFET, polarizzazione del MOSFET Modulo 6 Lezione 1 Concetto di amplificazione, parametri degli amplificatori analogici, polarizzazione in regione lineare Modulo 6 Lezione 2 Distorsione negli amplificatori, modelli due-porte degli amplificatori: parametri g e parameteri h Modulo 6 Lezione 3 Modelli due-porte degli amplificatori: parametri y e parameteri z, modelli semplificati; amplificatore di tensione ideale Modulo 6 Lezione 4 Amplificatore di corrente ideale, risposta in frequenza degli amplificatori, diagrammi di Bode, amplificatore passa-basso Modulo 6 Lezione 5 Amplificatore passa-alto, amplificatore passa-banda, amplificatore elimina-banda, amplificatore passa-tutto, amplificatori con f.d.t complesse Modulo 7 Lezione 1 Amplificatori differenziali, amplificatore differenziale ideale, amplificatore operazionale ideale Modulo 7 Lezione 2 Circuiti con operazionali ideali: amplificatore invertente, amplificatore non invertente, inseguitore di tensione Modulo 7 Lezione 3 Circuiti con operazionali ideali: Amplificatore sommatore, Amplificatore sottrattore, Amplificatore per strumentazione, Retroazione con impedenze generiche, Filtro attivo passa-basso, Integratore ideale, Derivatore ideale Modulo 7 Lezione 4 Amplificatori connessi in cascata, amplificatori operazionali reali: guadagno ad anello aperto finito, errore nel guadagno, resistenza di uscita non nulla, resistenza di ingresso non infinita Modulo 7 Lezione 5 Amplificatori operazionali reali: rapporto di reiezione di modo comune finito, tensione di offset, correnti di pol. e di offset, tensione e corrente di uscita limitate; risposta in frequenza dell operazionale, ampl. a più stadi, funzionamento ad ampi segnali 4

5 Modulo 8 Lezione 1 Il BJT come amplificatore, il MOSFET come amplificatore, condensatori di accoppiamento e bypass, analisi in dc ed ac, introduzione ai modelli per piccoli segnali, modelli per piccoli segnali: diodo Modulo 8 Lezione 2 Modelli per piccoli segnali: BJT, amplificatore a emettitore comune Modulo 8 Lezione 3 Amplificatore a emettitore comune: semplificazione del modello, resistenza di ingresso, resistenza di uscita, esempio di analisi completa Modulo 8 Lezione 4 Modelli per piccoli segnali: MOSFET Modulo 8 Lezione 5 Amplificatore a source comune: modello completo, semplificazione del modello, resistenza di ingresso, resistenza di uscita, esempio di analisi completa Modulo 9 Lezione 1 Configurazioni dell amplificatore a BJT, configurazioni dell amplificatore a MOSFET, amplificatori invertenti C-E e C-S, amplificatori inseguitori C-C e C-D, amplificatori non invertenti C-B e C-G Modulo 9 Lezione 2 Amplificatori invertenti C-E e C-S: Analisi; circuiti inseguitori C-C e C-D: Analisi Modulo 9 Lezione 3 Amplificatori non invertenti C-B e C-G: Analisi; Sintesi degli amplificatori a BJT e MOSFET Modulo 9 Lezione 4 Progetto dei condensatori per le diverse configurazioni (C-E e C-S, C-C e C-D, C-B e C-G) k LUISS 5