ELECTRONICS

Conoscenza e comprensione

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, MOS e BJT) 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.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

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.

Autonomia di giudizio

Lo studente sarà in grado di progettare semplici circuiti analogici e digitali effettuando autonomamente le opportune scelte progettuali. Tale capacità è affinata attraverso l’uso di opportune esercitazioni numeriche.

Abilità comunicative

Lo studente acquisirà il linguaggio tecnico dell’elettronica circuitale. Sarà inoltre in grado di comunicare le scelte progettuali effettuate nella risoluzione di un problema circuitale. L’esame orale consentirà agli studenti di affinare il linguaggio tecnico e le capacità comunicative.

Capacità di apprendimento

Lo studente sarà in grado di ampliare autonomamente le proprie conoscenze di elettronica attraverso l’approfondimento sui testi consigliati e tramite gli spunti offerti dalle attività seminariali organizzate all’interno dell’insegnamento.

L'insegnamento prevede sia lezioni frontali che esercitazioni numeriche, mirate a mettere in pratica, consolidare e ampliare i contenuti teorici e le tecniche di analisi e progettazione sviluppate.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Conoscenza di elementi di teoria dei circuiti e di elettromagnetismo.

1.     Introduzione all’elettronica e 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.

2.     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. *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.

3.   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.

4.   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.

5.   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 bassa-alto. *Integratore. *Derivatore. Nonidealità. Guadagno di modo comune. CMRR. Resistenze di ingresso e di uscita. Offset. Prodotto banda-guadagno. Slew rate.

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. *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.

7.   Risposta in frequenza: *Risposta in frequenza degli amplificatori, guadagno a centro banda, frequenza di taglio inferiore (f_L), frequenza di taglio superiore (f_H). *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.

8.  Transistori bipolari: Nozioni di base sul transistore bipolare.

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

2. Sedra - Smith, Microelettronic circuits, Oxford Univerity press.

Altro materiale didattico

Il materiale messo a disposizione è costituito da: lucidi delle lezioni, articoli di approfondimento, datasheets, e altro. Esso è disponibile sulla Piattaforma Studium (http://studium.unict.it)

L'esame consiste in una prova orale. La prova orale consta tipicamente di 3 domande. La valutazione finale 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 verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.