ELETTRONICA

L’insegnamento si prefigge di fornire le conoscenze fondamentali relative all’impiego dei dispositivi a semiconduttore in tecnologia CMOS e Bipolare nei circuiti analogici e digitali e sulle relative metodologie di analisi e progettazione. Lo studente sarà in grado di comprendere e analizzare semplici configurazioni circuitali e di individuare le tipologie di dispositivo e di configurazione circuitale più appropriate per la risoluzione di problemi elementari di progettazione. Durante il corso sono previste esercitazioni numeriche finalizzate al consolidamento delle tematiche trattate durante le lezioni frontali. Saranno inoltre previste ore di laboratorio al fine di rafforzare i concetti teorici e fornire una introduzione alla progettazione assistita al calcolatore e alla caratterizzazione sperimentale.

L'insegnamento prevede lezioni frontali, esercitazioni numeriche, al simulatore (CAD) ed esperienze di caratterizzazione sperimentale, mirate a mettere in pratica, sviluppare e consolidare i contenuti teorici e le tecniche di analisi e progettazione studiati. Saranno inoltre organizzati dei seminari tenuti da ricercatori e progettisti provenienti da aziende operanti nel settore della microelettronica per fornire una panoramica sullo stato dell’arte.

Conoscenza di elementi di teoria dei circuiti, di elettromagnetismo, di teoria dei sistemi e teoria dei segnali.

La frequenza non è obbligatoria ma fortemente consigliata in quanto vengono svolte esercitazioni propedeutiche allo svolgimento delle prove di esame.

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. Filtri attivi passa-basso e passa-alto. *Integratore di Miller. *Derivatore. Nonidealità. Guadagno di modo comune. CMRR. Resistenze di ingresso e di uscita. Offset. Prodotto banda-guadagno. Slew rate.
3. 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). *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 e a ponte. *Regolatore di tensione con diodo Zener. Fotodiodi, diodi Schottky, celle solari e diodi emettitori di luce.
4. Transistori ad effetto di campo: MOSFET a canale n (NMOS) e a canale p (PMOS). Simboli circuitali del MOSFET. *Analisi qualitativa del comportamento i-v del transistore MOS. *Regione di triodo del transistore MOS. Resistenza di conduzione. Regione di saturazione del transistore MOS. *Modello matematico della regione di saturazione. Transconduttanza in saturazione. Modulazione della lunghezza di canale. Effetto body. Capacità del transistore MOS 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.
5. Transistori bipolare: BJT npn e pnp. Simboli circuitali del BJT. *Analisi qualitativa del comportamento i-v del transistore BJT. *Regione di saturazione del transistore BJT. Regione attiva diretta del BJT. *Modello di Ebers Moll. Transconduttanza in zona attiva diretta. Effetto Early. Capacità del BJT in zona attiva diretta. *Polarizzazione del BJT *Polarizzazione con rete a 4 resistori. Analisi basata sul metodo della retta di carico. Modelli SPICE.
6. 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 e del BJT. *Guadagno di tensione intrinseco del MOSFET e del BJT. *L’amplificatore a source comune (CS) e ad emettitore comune (CE) (guadagno di tensione a centro banda, resistenze di ingresso e di uscita). Dissipazione di potenza ed escursione del segnale. *Configurazioni a drain/collettore comune e gate/base comune (CD/CC, CG/CB). *Configurazione CS/CE con resistenza di degenerazione. Amplificatori multistadio accoppiati in AC.
7. Specchi di corrente: *Analisi DC dello specchio di corrente MOS. *Modifica del rapporto di riflessione per lo specchio di corrente MOS e BJT. Specchio di corrente MOS cascode.
8. Coppia differenziale: *Segnale differenziale e di modo comune. *Analisi per ampi segnali della coppia differenziale a BJT. *Analisi per piccoli segnali del guadagno differenziale e di modo comune e CMRR per coppia differenziale a BJT e MOS.
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. *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, CD e CG (CE,CC, CB) e CS/CE con degenerazione.
10. 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 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.
11. Simulazione di circuiti elettronici: LTSPICE
12. Seminari di approfondimento: seminari tenuti da esperti dell’industria microelettronica.

1. Jaeger-Blalock, Microelettronica Ed. Mc-Graw-Hill, V Edizione, 2018.

2. Sedra - Smith, Circuiti per la Microelettronica, EDISES 2013.

3. Millman-Grabel-Terreni, Elettronica di Millman, Ed. Mc-Graw-Hill 2008.

L’apprendimento viene verificato attraverso l'esame finale. Questo consiste in una prova scritta, della durata di 1,5 ore, e in un colloquio orale.

La prova scritta, la cui valutazione è espressa in decimi, è propedeutica al colloquio orale ed è incentrata sui seguenti argomenti:

1. Analisi di un circuito analogico in dc e in ac che può includere diodi e amplificatori operazionali ideali (valutazione massima 7/10)
2. Analisi o sintesi di un circuito digitale (valutazione massima 2/10)
3. Stesura di un listato Spice (valutazione massima 1/10)

Per ogni punto, la valutazione della prova tiene conto anche della correttezza e coerenza del procedimento, della chiarezza espositiva, della correttezza dei calcoli numerici (ove richiesti) e di quanto lo studente sia riuscito a completare. Il risultato della prova scritta è pubblicato sulla piattaforma Studium (http://studium.unict.it). Il voto minimo per l’ammissione alla prova orale è 6/10.

Il colloquio orale è la parte conclusiva dell'esame e si svolge con tre domande incentrate su altrettanti argomenti del corso (tipicamente, due domande sui circuiti analogici e una sui circuiti digitali), sui quali lo studente deve dimostrare adeguata comprensione, padronanza degli argomenti discussi e chiarezza espositiva. La durata media del colloquio orale è di 30 minuti. Il voto finale terrà conto del risultato della prova scritta e, con maggior peso, dell’esito del colloquio orale.

Circuiti raddrizzatori a singola o doppia semionda

Regolatore di tensione serie e parallelo.

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

BJT in saturazione

Porte NAND e NOR CMOS

Latch e flip-flop