Elettronica I Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e Informatica - A.A. 2014/2015 Gino Giusi Università degli Studi di Messina Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Chimica e Ingegneria Industriale Contrada di Dio, 98166 S.Agata, Messina web: www.ginogiusi.com e-mail: ggiusi@unime.it tel: 090-397-7560 (7381)
Informazioni sul corso Obiettivi: Analisi e progettazione di circuiti elettronici analogici basati su diodi e transistors. Prerequisiti: teoria delle reti elettriche lineari in DC e AC (in particolare nel dominio s). Tipologia delle lezioni: teoria ed esercitazioni supportate da proiezione di slides e da lavagna. Esercitazioni al calcolatore. Testo di riferimento: Microelettronica, R.C. Jaeger, T. N. Blalock, Mc Graw Hill. Altro Materiale : slides delle lezioni disponibili su www.ginogiusi.com
Informazioni sul corso Tipologie di esame: appelli: prova scritta (S) + prova orale (O) facoltativa voto finale = 2/3 S +1/3 O (S 18) voto finale senza orale= 2/3 S +1/3 18 = 2/3 S + 6 2 prove scritte in itinere (IT) + prova orale facolativa voto finale = 1/3 IT 1 + 1/3 IT 2 +1/3 O (IT 18)
L Elettronica Scienza dei sistemi hardware dedicati a elaborare l informazione contenuta in grandezze fisiche (tensioni/correnti elettriche, campi elettromagnetici). Esempio: l amplificatore audio Microfono: converte le onde acustiche in una tensione/corrente elettrica Amplificatore: amplifica l ampiezza del segnale elettrico proveniente dal Mic Casse acustiche: convertono il segnale elettrico amplificato in onde acustiche amplificate
L Elettronica Scienza dei sistemi hardware dedicati a elaborare l informazione contenuta in grandezze fisiche (tensioni/correnti elettriche, campi elettromagnetici). Esempio: sistemi di telecomunicazioni
L Elettronica Scienza dei sistemi hardware dedicati a elaborare l informazione contenuta in grandezze fisiche (tensioni/correnti elettriche, campi elettromagnetici). Esempio: computer
Elettronica vs. Elettrotecnica L elettronica si diversifica dalle Scienze elettriche ed elettro-meccaniche che si occupano della generazione, distribuzione, immagazinamento e conversione dell energia elettrica da e verso altre forme di energia usando conduttori, motori, generatori, batterie, trasformatori, resistori e altri componenti passivi. batterie condensatori trasformatori motori induttori resistori
L Elettronica L elettronica ha a che fare con circuiti elettrici (detti circuiti elettronici) costituiti da componenti attivi come i tubi a vuoto, i diodi, i transistors e i circuiti integrati, insieme ai componenti elettici passivi e tecnologie di interconnessione. tubi a vuoto diodi transistors circuiti integrati I componenti attivi (e quindi i circuiti elettronici) consentono di elaborare l informazione immagazzinata nei segnali elettrici.
L Elettronica L elettronica è parte fondamentale della nostra società
Branche dell Elettronica analogica digitale bassa frequenza alta frequenza bassa potenza alta potenza discreta integrata
L Elettronica Analogica In elettronica analogica l informazione può assumere una numero infinito di valori. Esempio: l amplificatore audio
L Elettronica Digitale In elettronica digitale l informazione può assumere solo un numero finito di valori. segnale elettrico digitale L elaborazione digitale dell informazione ha preso il sopravvento su quella analogica: maggiore capacità di immagazzinare informazione maggiore capacità di elaborare l informazione maggiore robustezza e sicurezza dei sistemi
L Elettronica delle alte frequenze Basse frequenze Suoni udibili Alte Frequenze Radio FM Televisione Comunicazioni navali e governative. Telefoni cellulari e wireless TV via satellite Dispositivi Wireless 20 Hz - 20 KHz 88-108 MHz 54-216 MHz 216-450 MHz 1710-2690 MHz 3.7-4.2 GHz 5.0-5.5 GHz
L Elettronica di potenza alimentatore UPS carica batterie macchine elettriche amlificatore audio di potenza
L inizio dell era dell elettronica moderna Il transistor componente fondamentale di qualunque apparecchiatura elettronica dispositivo elettronico a semiconduttore a 3 terminali inventato nel 1947 da Brattain, Shockley, Bardeen nei laboratori Bell (premio Nobel 1956)
Il transitor: principio di funzionamento Transistor = Transfer Resistor (resistenza di trasferimento) terminale B la tensione (corrente) al terminale di controllo determina la conducibilità (corrente) tra i terminali A e B. terminale di controllo corrente A --> B funzioni principali: terminale A amplificazione dei segnali elettrici (elettronica analogica) Transistors interruttore controllato (elettronica digitale) BJT FET Tiristori JFET MOSFET
Il primo transistor transistore bipolare al germanio a punta di contatto (1947): due punte metalliche a contatto con una base di germanio le punte sono i terminali di controllo A e B, la base è il terminale di controllo
Il primo transistor
I progenitori dei transistors: i tubi a vuoto Progenitori dei principali moderni dispositivi a semiconduttore: diodi e transistors Diodo (1904, Flemming) il filamento incandescente riscalda il catodo che emette elettroni, i quali sono attirati dal potenziale positivo dell anodo. Triodo (1907, Le de Forest). Primo componente amplificatore costruito dall uomo. La griglia viene posta ad un potenziale negativo ed agisce da terminale di controllo: il suo potenziale determina il numero di elettroni che arrivano all anodo.
I progenitori dei transistors: i tubi a vuoto 1907, Le De Forest. Primo triodo a vuoto
Vantaggi dei transistors rispetto ai tubi a vuoto piccole dimensioni e peso ridotto dispositivi elettronici miniaturizzati processo di costruzione automatizzato ed efficiente tensioni di alimentazione ridotte dispositivi portatili nessun periodo di riscaldamento dopo l accensione più bassa dissipazione di potenza migliore efficienza energetica lunga durata di vita Transistors discreti
Lo scaling dei transistor: i circuiti integrati Transistors integrati 1958: Kilby e Noice sviluppato il primo circuito integrato Le innovazioni produttive consentono la riduzione della dimensione caratteristica
Lo scaling dei transistor: la legge di Moore Legge di Moore: «Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso relativo, raddoppiano ogni 18 mesi.»
Lo scaling dei transistor: circuiti di memoria moduli di memoria SO-DIMM
Lo scaling dei transistor: i circuiti integrati livello di integrazione componenti/chip Small Scale Integration (SSI) <10 Medium Scale Integration (MSI) 10-100 Large Scale Integration (LSI) 100-10 4 Very Large Scale Integration (VLSI) 10 4-10 9 Ultra Large Scale Integration (ULSI) 10 10
Lo scaling dei transistor: elettronica consumer Obiettivi del processo di integrazione: dispositivi più piccoli e portatili minore consumo energetico maggiori prestazioni
Tappe fondamentali dell elettronica 1874 Braun inventa il raddrizzatore a stato solido. 1895 Marconi effettua le prime trasmissioni via radio 1904 Fleming inventa il diodo a vuoto 1906 DeForest inventa il triodo a vuoto 1907-27 Primi circuiti radio sviluppati con diodi e triodi. 1925 primo prototipo di TV 1925 Lilienfeld brevetta il dispositivo ad effetto di campo 1947 Bardeen e Brattain ai Laboratori Bell inventano il transistore bipolare. 1952 Texas Instruments inizia la produzione commerciale di transistori bipolari. 1956 Bardeen, Brattain, e Shockley ricevono il premio Nobel. 1958 Kilby e Noyce sviluppano i circuiti integrati 1961 Primo circuito integrato commercializzato dalla Fairchild Semiconductor 1968 Primo amplificatore operazionale integrato 1970 Cella DRAM a un transistore inventata da Dennard alla IBM. 1971 Presentazione del processore Intel 4004. 1978 Prima memoria commerciale da 1-kilobit. 1974 Presentazione del processore 8080. 1984 Presentazione del chip di memoria da 1 Megabit. 1995 Chip di memoria da 1 gigabit presentato alla IEEE International Solid-State CircuitsConference (IEEE ISSCC) 2000 Alferov, Kilby, e Kromer vincono il premio Nobel
Il mercato dell elettronica l elettronica rappresenta il 10% (4 trilioni di dollari) del prodotto interno lordo mondiale (PIL).
Contenuti del corso analogica digitale bassa frequenza alta frequenza bassa potenza alta potenza discreta integrata
Contenuti del corso Parte I: Introduzione e concetti fondamentali richiami di teoria dei circuiti la simulazione circuitale con SPICE elementi di Elettronica dello stato solido Parte II: Dispositivi Elettronici il diodo a giunzione transistori ad effetto di campo (FETs) il transistore bipolare (BJT) Parte III: Circuiti amplificatori a transistori discreti amplificatori a BJT e FETs