Anno Accademico 2002-2003 e seguenti: programma dettagliato e
piano di studio
Elettronica
Corso
di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Giuseppe Iannaccone
12 CFU
Introduzione all’Elettronica
Semiconduttori.
Cos’è un semiconduttore, in
cosa differisce da un metallo e da un isolante. Elettroni e lacune; dipendenza
della conducibilità dalla temperatura. Semiconduttori estrinseci e intrinseci.
Drogaggio con donatori (As, Sb, P) o accettori (B)
[Piano di studio: Millman, Sezioni 1.1, 1.2, 1.3, 1.4]
Giunzione p-n (diodo a semiconduttore).
Regione di svuotamento e
barriera di potenziale per la diffusione delle cariche mobili. Caratteristica
I-V qualitativa ed espressione analitica. Corrente di saturazione, fattore di
idealità, Vt. Breakdown di tipo Zener e a valanga. Diodo ideale (caratteristica
approssimata con resistenza differenziale ~ nulla.
[Piano di studio: Millman, Sezioni 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.9,
2.10, 2.11. ]
Transistore bipolare a giunzione (BJT).
Il generatore ideale di
corrente controllato in corrente. Caratteristiche e retta di carico del
generatore controllato in corrente. Uso del generatore controllato in corrente
come amplificatore e interruttore. Funzionamento del transistore bipolare dal
punto di vista fisico. Modello di Ebers e Moll. Regioni di funzionamento del
transistore. Caratteristiche nella configurazione a emettitore comune.
Funzionamento in interdizione e in saturazione. Modelli del BJT in continua..
Modello del BJT per piccoli segnali alle basse frequenze e alle alte frequenze.
Dipendenza delle caratteristiche di diodi e bipolari dalla temperatura. Limiti
di funzionamento dei transistori.
[Piano di studio: Millman, Sezioni 3.1, 3.2, 3.3, 3.5, 3.6 (solo
discussione qualitativa, senza formule), 3.7, 3.10, 3.13, appunti forniti dal
docente sui modelli per il piccolo segnale.
Transistori a effetto di campo (FET).
Il generatore ideale di
corrente controllato in tensione. Funzionamento qualitativo del transistore a
effetto di campo a giunzione (JFET). Regioni di funzionamento del JFET e
andamento delle caratteristiche. Simbolo circuitale del JFET. Caratteristica di
trasferimento del JFET. MOSFET a arricchimento: funzionamento, regioni di
funzionamento e caratteristiche. Simbolo circuitale del MOSFET. Analisi in
continua dei FET. Modello dei FET per i piccoli segnali alle basse frequenze e
alle alte frequenze. [Piano di studio:
Millman, Sezioni 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 4.10, 4.14, 4.15]
Configurazioni elementari di amplificatori a bassa frequenza
Amplificatori con BJT.
Importanza della corretta polarizzazione del transistore. Polarizzazione del
BJT nei circuiti a componenti discreti. Circuito di autopolarizzazione.
Sensibilità del punto di riposo a variazioni di bF e
della temperatura (esempio numerico). Progetto di circuito di polarizzazione
per un BJT. Analisi di circuiti con transistori in condizioni di linearità.
Amplificatore a emettitore comune alle basse frequenze: guadagno di tensione,
resistenza di ingresso e di uscita.
Amplificatore comune con resistenza
sull'emettitore. Amplificatore a collettore comune: guadagno, resistenza di
ingresso e di uscita. Amplificatore a base comune. Amplificatori multistadio.
Amplificatore differenziale a transistori bipolari. Rapporto di reiezione del
modo comune. Amplificatori a source comune e a drain comune. Specchi di
corrente.
[Piano di studio: Millman, sezioni 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.6, 10.7,
10.8, 10.9, 10.10, 10.11, 10.12, 10.13., 10.14, 10.15, 10.16, 10.17, 10.18,
10.19]
Simulazione numerica di circuiti elettronici
Il programma di simulazione di
circuiti elettronici SPICE [appunti delle
lezioni, programma e documentazione presenti sulla homepage del corso]
Circuiti con Amplificatori Operazionali
Nozioni di base sugli
amplificatori operazionali. Architettura degli amplificatori operazionali. A.
O. ideali. Approssimazione di corto circuito virtuale. Amplificatore Invertente
e non invertente. Sommatore invertente e non invertente, convertitore
tensione-corrente e corrente-tensione. Integratori. Non idealità degli
amplificatori operazionali: correnti di offset e di polarizzazione di ingresso,
tensione di offset di ingresso, massima ampiezza della tensione di uscita, slew
rate.
[Piano di studio: Millman, sezioni 10.21, 10.22, 14.1, parte di 14.6(solo
correnti e tensioni di offset, corrente di polarizzazione di ingresso)]
Risposta in frequenza dei circuiti elettronici.
Richiami sulla funzione di
trasferimento di un sistema lineare. Diagramma di Bode: fase e ampiezza.
Divisione in basse frequenze, centrobanda, alte frequenze. Approssimazione di
polo dominante. Calcolo del limite superiore di banda e del limite inferiore di
banda di un circuito nell'approssimazione di polo dominante. Progettare un
circuito in modo che l'approssimazione di polo dominante sia valida. Scelta dei
condensatori di bypass e di accoppiamento per imporre la frequenza di taglio
inferiore. Frequenza di transizione di un transistore bipolare. Determinazione
di Cbe e Cbc. Frequenza di taglio superiore di uno stadio
CE e CC. Teorema di Miller. Comportamento in frequenza di un amplificatore
operazionale. Funzione di trasferimento di un amplificatore invertente e non
invertente. Amplificatore Cascode.
[Piano di studio: Millman, sezioni 11.1, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7,
11.8, 11.11, 11.12, 11.13 e appunti dalle lezioni. Una trattazione del calcolo
dei limiti di banda simile a quella presentata a lezione si puo' trovare sul
Sedra-Smith, sezione 7.2]
Amplificatori in reazione
Classificazione degli
amplificatori e circuiti equivalenti. Concetto di reazione, prelievo di
tensione o di corrente (prelievo parallelo o serie), inserzione di tensione o
di corrente (inserzione serie o parallelo). Amplificatori reazionati ideali (b e A unidirezionali, indipendenti dall'impedenza
del carico e della sorgente). Proprietà degli amplificatori in reazione
(riduzione della sensibilità e delle distorsioni non lineari). Impedenza degli
amplificatori reazionati. Proprietà delle varie configurazione di amplificatore
reazionato. Effetto della reazione sui poli di un sistema con un polo e con due
poli.
[Piano di studio: Millman, sezioni 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 (tranne la
riduzione del rumore che non è vera), 12.5 (tranne la formula dell'impedenza di
Blackman), 12.6, 13.1. Il trattamento della reazione per le varie
configurazioni tenendo conto delle impedenze di ingresso e uscita della rete di
reazione e di amplificazione è da cercarsi negli appunti delle lezioni
sull'argomento].
Oscillatori
Criterio di Barkhausen
all'innesco e a regime. Oscillatori a rete di sfasamento e a ponte di Wien.
Controllo dell'ampiezza dell'oscillazione con NTC, PTC, o coppia di diodi Zener
per limitare l'amplificazione. Oscillatori basati sul teorema dei tre punti.
Oscillatori di Colpitts e di Hartley. Cristalli di quarzo: circuito
equivalente. Uso dei cristalli di quarzo per realizzare oscillatori di Hartley
e Colpitts stabili in frequenza.
[Piano di Studio: Millman, sezioni 15.1, 15.2, 15.3, 15.4, 15.5]
Filtri
Definizione dei filtri ideali
passabasso, passabanda, passaalto, elimina banda. Definizione e requisiti di un
filtro reale passabasso e passabanda. Funzioni di trasferimento biquadratiche
(LP,BP, HP, notch). Cella di Sallen-Key passabasso e passaalto. Filtri di Butterworth
e di Chebyshev. Progetto di un filtro con banda passante 1 KHz, ripple 1db,
attenuazione 40 dB a 2 KHz. Filtro passaalto e passabasso del primo ordine.
Filtri biquadratici passa banda (Sallen Key e Delyannis) e filtro notch a
doppio T pontato. Filtri Sfasatori: definizione e collocazione di poli e zeri.
Filtro sfasatore del primo ordine con operazionali. Funzione di trasferimento
dettagliata di un integratore di Miller.
[Piano di studio: Millman, sezioni 16.8, 16.9, 16.10, 16.6]
Comparatori e circuiti a scatto
Comparatori. Generatore di
impulsi a partire da una sinusoide. Comparatore rigenerativo (trigger di
Schmitt). Generatori d'onda quadra e triangolare. VCO. Multivibratori
monostabile con trigger di Schmitt: retriggerabile e non retriggerabile.
[Piano di studio: Millman sezioni 15.7, 15.8, 15.9, 15.10, 15.11]
Alimentatori
Schema a blocchi. Raddrizzatore
a semplice semionda e a doppia semionda. Raddrizzatore a ponte. Filtri
raddrizzatori. Definizione di ripple. Regolatori serie. Regolatori monolitici
(Motorola 78XX e 79XX) e loro impiego.
[Piano di studio: Millman sezioni 17.1, 17.2, 17.3, 17.4, 17.5, 17.6, appunti delle lezioni]
Famiglie logiche
Definizione dei livelli logici.
Caratteristiche di un inverter ideale. Inverter reale: caratteristica di
trasferimento, fan in, fan out, margini di rumore, dissipazione di potenza.
Definizione dei tempi di salita e di discesa, tempi di propagazione.
CMOS: Inverter CMOS Calcolo della caratteristica di
trasferimento. Zone di funzionamento dei pMOS e degli nMOS in un inverter.
Inverter compensato. Margini di rumore. Calcolo dei tempi di propagazione di un
inverter CMOS. Porte logiche. Sintesi della rete di pull up e di pull down di
una porta logica complessa. Dimensionamento dei transistori nelle porte logiche
complesse. Transistori di passo e porte di trasmissione nella realizzazione di
funzioni logiche.
[Piano di studio: Millman, sezioni 6.4, 6.8, 6.9, appunti dalle lezioni
sulla famiglia CMOS. Le lezioni sulla famiglia CMOS sono tratte dal
Sedra-Smith, sezioni 13.1.2, 13.2 , 13.3, 13.5].
Circuiti digitali combinatori e sistemi sequenziali.
Realizzazione di decoder,
demultiplexer, multiplexer e encoder. Memorie di sola lettura (ROM).
Realizzazione a diodi, a BJT multiemettitore, a nMOSFET. Indirizzamento
bidimensionale. Logica programmabile PROM, PAL, PLA, Flash EEPROM. Latch, latch
bistabile, Flip-Flop SR sincrono e asincrono. Flip-Flop D. Timer 555:
realizzazione di multivibratori monostabile e astabile. Multivibratori astabili
e monostabili realizzati con porte logiche. Memorie ad accesso casuale (RAM).
Memorie statiche e dinamiche. [Piano di
studio: Millman, sezioni 7.6, 7.7, 7.8, 7.9, 7.10, .7.12, 7.13, 7.14, 7.15,
8.1, 8.2, 8.3, 15.6, 15.12, 9.4, 9.5]
Progetti SPICE assegnati durante l'anno: vedi homepage del corso.
Riferimenti:
1. J.
Millman and A. Grabel, “Microelettronica”, McGraw-Hill, 1994.
2. A. S.
Sedra, K. C. Smith, "Microelectronic Circuit", Oxford University
Press, 1998.
3. AA.VV.
"Caratteristiche di componenti elettronici e circuiti integrati", a
cura di G. Iannaccone, Servizio Editoriale Universitario, 2003.