Strumentazone Elettronca d Msura uca Mar, Vttoro Ferrar A.A. 00/03 Vttoro Ferrar Unerstà degl Stud d Bresca ttoro.ferrar@unbs.t Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar
Introduzone Elettronca Scenza e tecnologa che rguarda lo studo e le applcazon del moto d carche (tpcamente elettron) ne materal (non solo metall). In elettronca l moto d carche (corrente elettrca) è utlzzato per acqusre, elaborare, memorzzare e trasferre nformazone non energa Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar
Informazone e Segnal Informazone: n senso generale è dentfcable come l contenuto d un messaggo trasferto da un soggetto ad un altro. Segnale: l eoluzone della grandezza fsca che supporta nformazone. Generalmente è una dpendenza d una grandezza dal tempo o da un altra grandezza. Strumentazone Elettronca d Msura Dspost, sstem e apparat che utlzzano l elettronca per msurare grandezze elettrche (per es. tensone o corrente) grandezze non elettrche, medante opportun trasduttor Msurazone: determnazone spermentale del alore d una grandezza. Msura: rsultato numerco d una msurazone. Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 3
Msurazone e Informazone a msurazone è un processo che ha lo scopo d acqusre e estrarre nformazone dall oggetto o sstema msurato. Uno strumento d msura è una macchna che prelea n ngresso nformazone dal mondo fsco, tratta tale nformazone e la presenta n uscta sotto forma d msure. oggetto o sstema msurato strumento d msura utlzzatore nformazone Elettronca e Strumentazone d Msura Elettronca, n quanto tecnologa ogg pù effcente ed economca per la gestone dell nformazone e Strumentazone d Msura, n quanto ntrnsecamente dedcata a acqusre e trattare nformazone asscurandone la mglor qualtà possble sono ambt e dscplne strettamente legate Strumentazone Elettronca d Msura Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 4
Sluppo Storco dell Elettronca 837: Morse nenta l telegrafo 946: Prmo calcolatore a alole ENIAC 947: Shockley, Brattan e Bardeen nentano l transstor (Premo Nobel nel 956) 959: Klby alla TI realzza l prmo crcuto ntegrato 970: INTE ntroduce l prmo mcroprocessore 897: Thomson scopre l elettrone 904: Flemng nenta l dodo a uoto (alola) 973: Motorola ntroduce l telefono cellulare Ann 80: Aento del GPS Ann 90: Aento d Internet 800 900 000 anno Component e Sstem Elettronc o sluppo ha portato da crcut con component sngol (dscre a crcut e sstem ntegrat Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 5
Crcut Integrat (IC) Molt component ntegrat nello stesso chp Date Hstorcal eference Components/chp 950 Dscrete components - 960 SSI - Small-scale Integraton < 0 966 MSI - Medum-scale ntegraton 0-0 3 969 SI - arge-scale ntegraton 0 3-0 975 VSI - Very-large-scale ntegraton 0 4-0 9 990 USI - Ultra-large-scale ntegraton > 0 9 egge d Moore Gordon Moore ( 60): Il numero de transstor n un crcuto ntegrato raddoppa ogn 8 mes 0 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 965 970 975 980 985 990 995 000 Fgure. - Memory chp densty as a functon of tme based upon frst paper presentaton at the IEEE Internatonal Sold-State Crcuts Conference (ISSCC).C.Jaeger Mcroelectronc Crcut Desgn McGraw-Hll 996 Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 6
Tecnologe Mcroelettronche Utlzzo d materal semconduttor Progetto assstto dal calcolatore (CAD) Mnaturzzazone spnta Produzone automatzzata su grand olum IIIA IVA VA VIA IIB 3 0 Zn Z nc 6 5.3 7.4 0 4 8 Cd Ca d m um 0.8 5 B Boro n 6. 98 5 3 Al Al um num 6 9.7 3 Ga G all um 4.8 4 9 In I nd u m.0 5 6 C Ca rbo n 8. 086 4 S S l c o n 7.59 3 Ge G erm anu m 8.69 5 0 Sn T n 4.0 067 7 N N trogen 5 3 0.9 738 P P ho sph oru s 74. 9 33 As A rse n c.75 5 Sb A nt mo ny 8 6 5.9 994 O O x yg e n 3. 064 S S ulfu r 78.96 34 Se Se l e nu m 7.60 5 Te Te l lur um 0 0.5 9 8 0 Hg Me rc ury 0 4.3 7 8 T T ha l lu m 07.9 8 Pb e a d 08. 980 83 B Bs mu th.c.jaeger Mcroelectronc Crcut Desgn McGraw-Hll 996 (0 ) 84 Po Po l o nu m Un esempo emblematco: Mcroprocessor IC programmabl, n grado d compere mlon d operazon al secondo (OPS) Il cuore d un computer n un sngolo chp Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 7
Eoluzone de Mcroprocessor Prestazon ; Costo 0 7 P6 Pentum Number of Transstors 0 6 0 5 0 4 0 3 970 8086 975 8086 8085 6800 8080 4004 980 486DX 68040 386SX 68030 985 Year 990 995 000.C.Jaeger Mcroelectronc Crcut Desgn McGraw-Hll 996 Fgure.3 - Mcroprocessor complexty ersus tme I settor: Il Panorama dell Elettronca e tendenze: Informatca Telecomuncazon ] Telematca Intrattenmento (consumer) Strumentazone d Msura e Controllo Industra (matere prme, prodott, serz) Ambente Bo-medcale... Pù enfas su SW che su HW Programmabltà e component smart Connetttà n rete (feld bus, wreless) Sstem con ntellgenza embedded Sstem mcro-elettro-meccanc (MEMS)... Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 8
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Component e Crcut esstore esstore = componente esstenza = grandezza elettrca assocata egge d componente d un resstore deale (legge d Ohm): ( = ( ( ( = resstenza [] = Ω = V/A (ohm=olt/ampere) ( = G ( G = conduttanza [G] = S = A/V (semens=ampere/ol Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 0
esstore a legge d componente del resstore dera dalla legge: J( = σ E( = E( ρ = ρ d A J = denstà d corrente (A/m ) E = campo elettrco (V/m) ρ = ressttà (Ωm, Ωcm) σ = conducbltà (S/m, S/cm) ρ e σ sono quanttà specfche del conduttore e G dpendono, n aggunta, dalla geometra per un flo d sezone A e lunghezza d G = σ A d Condensatore Condensatore (capactore) = componente Capactà = grandezza elettrca assocata egge d componente d un condensatore deale: ( C ( d( ( = C dt C = capactà [C] = F = As/V (farad=coulomb/ol ( = C t ( t') dt' = ( t 0 ) + C t t 0 ( t') dt' Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar
Condensatore a legge d componente del condensatore è una rscrttura dalla relazone: Q( = C ( Q = carca [Q] = C (coulomb=ampere.secondo) Per un condensatore a facce pane e parallele d area A e dstanza d: A ε = permtttà delettrca del C = ε delettrco (F/ m) d ε è una quanttà specfca del delettrco C dpende, n aggunta, dalla geometra Induttore Induttore = componente Induttanza = grandezza elettrca assocata egge d componente d un nduttore deale: ( ( d( ( = dt = nduttanza [] = H = Vs/A (henry=weber/ampere) ( = t ( t') dt' = ( t 0 ) + t t 0 ( t') dt' Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar
Induttore a legge d componente dell nduttore è una rscrttura dalla relazone: Φ( = ( = µ n A d Φ = flusso del campo magnetco [Φ] = Wb (weber = olt.secondo) Per un nduttore a bobna d n spre con area A e spessore d: µ = permtttà magnetca del nucleo (H/m) µ è una quanttà specfca del nucleo dpende, n aggunta, dalla geometra Collegament Sere e Parallelo Sere (Σ): stessa corrente Parallelo (//): stessa tensone S // + /( + ) C C C /(C +C ) C +C + /( + ) Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 3
Generatore Ideale d Tensone Genera una tensone ndpendente dalla corrente, s ossa ndpendente dalla resstenza d carco Un generatore d tensone nulla è un cortocrcuto s s = 0 Generatore Ideale d Corrente Genera una corrente ndpendente dalla tensone, ossa ndpendente dalla resstenza d carco s s Un generatore d corrente nulla è un crcuto aperto s = 0 Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 4
egge d Krchhoff delle Corrent (KC) a somma algebrca delle corrent entrant n un nodo è par a zero 4 = n 0 n 3 egge d Krchhoff delle Tenson (KV) a somma algebrca delle tenson attorno a una magla è par a zero 4 n = n 0 3 Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 5
s Parttor d Tensone e d Corrente Parttore d tensone: o o Parttore d corrente: s s = + O = = O = s + O O = = s s + + Generatore eale d Tensone Include una resstenza equalente S n sere detta resstenza nterna o d sorgente s S s = s = s -. S = s S + s S 0 per oppure gen.deale crcuto aperto Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 6
Generatore eale d Corrente Include una resstenza equalente S n parallelo detta resstenza nterna o d sorgente s S = s- S = s = s S S + s s S per oppure 0 gen.deale cortocrcuto appresentazone d Theenn generco crcuto lneare? è equalente a eq e eq sono determnat nel modo seguente: eq eq eq = tensone d crcuto aperto (a uoto) eq = resstenzaequalent e tra e con generator spent Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 7
appresentazone d Norton generco crcuto lneare? è equalente a eq eq eq e eq sono determnat nel modo seguente: eq = corrente d cortocrcuto eq = resstenzaequalent e tra e con generator spent Generatore d V o d I? Quando una sorgente può essere consderata un generatore d Tensone e quando d Corrente? Norton s = s s S S o o Theenn o S o S o = s = s S + S + S o = s = s S + S + S << o s s o Tensone S >> o s o s Corrente Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 8
Generatore d Tensone comandato n Tensone S o s A V. o A V numero puro; [A V ] = V/V o = s + s A V + o y neartà e PSE I component, C,, generator (ndpendent e comanda combnat n ret rette da KC e KV danno luogo a crcut lnear Prncpo d Sorapposzone degl Effett (PSE): ( = F[ x ( + x ( ] = + y ( F = F[ x ( ] + F[ x ( ] [ K x( ] K F [ x( ] K y( t ) K = = = = y ( + y x( ) Somma: ( crcuto lneare y(=f[x(] ) Prodotto per una costante: Strumentazone Elettronca d Msura-. Mar, V. Ferrar 9