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Giovanni VERZELLESI

Professore Ordinario presso: Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria

Insegnamento: Fondamenti di elettronica

INGEGNERIA MECCATRONICA (D.M.270/04) (Offerta formativa 2020)

Obiettivi formativi

Il corso intende fornire le conoscenze di base sui dispositivi elettronici a semiconduttore, i circuiti a diodi, i circuiti amplificatori basati su amplificatori operazionali e i circuiti digitali CMOS. Intende inoltre fornire la capacità di analizzare e progettare tali circuiti e sviluppare una mentalità orientata al progetto degli stessi.

Prerequisiti

Elettromagnetismo. Circuiti elettrici lineari.

Programma del corso

1. Fisica dei semiconduttori: carica, corrente e tensione; legge di Ohm; isolanti, conduttori e semiconduttori; elettroni e lacune; struttura a bande; drogaggio; legge di azione di massa; correnti di diffusione; modello a deriva-diffusione; tecnologia del silicio.
2. Giunzione p-n e circuiti a diodi: realizzazione; principio di funzionamento; caratteristica statica; diodo Zener; raddrizzatori; limitatori; regolatore di tensione Zener; fotodiodi; LED.
3. MOSFET: storia; condensatore MOS; tensione di soglia; struttura e principio di funzionamento; equazioni della corrente e caratteristiche statiche; effetto body; MOSFET a canale p; realizzazione del MOSFET; legge di Moore; MOSFET come interruttore e come amplificatore; polarizzazione negli amplificatori; modello linearizzato; amplificatore a source comune.
4.Transistor bipolare a giunzione: realizzazione; regioni di funzionamento; principio di funzionamento; caratteristiche statiche; effetto Early; BJT pnp; BJT come interruttore e come amplificatore di tensione; polarizzazione negli amplificatori; modello linearizzato, amplificatore a emettitore comune.
5. Amplificatori operazionali: breve storia; operazionale ideale; configurazione non invertente: amplificatore non invertente, stadio separatore; configurazione invertente: amplificatore invertente, sommatore; amplificatore operazionale reale: risposta in frequenza, saturazione della tensione di uscita, CMRR, non idealità DC; slew rate; applicazioni: amplificatore differenziale, amplificatore per strumentazione, integratore, derivatore, amplificatore logaritmico e antilogaritmico, circuito estrattore di radice quadrata, moltiplicatore, divisore.
6. Circuiti logici e memorie: famiglie e porte logiche; figure di merito statiche e dinamiche delle porte logiche; porte logiche con interruttori ideali e resistori; interruttori ideali complementari; logica CMOS; invertitore CMOS; porte logiche CMOS (NOR, NAND, compound gates); RAM statica; RAM dinamica; memoria FLASH.

Metodi didattici

Il corso prevede lezioni teoriche ed esercitazioni CAD.

Testi di riferimento

Massimiliano Pieraccini, "Microelettronica", Pearson, 2016, ISBN 9788865189412.

Verifica dell'apprendimento

L’esame prevede:

1. La valutazione di quattro “homework” volti a permettere allo studente di verificare lo stato di avanzamento del processo di apprendimento. Gli “homework” prevedono la risposta a domande a risposta chiusa e/o aperta e la soluzione di esercizi numerici sui seguenti argomenti del programma:
HW1) Fisica dei semiconduttori, giunzione pn e circuiti a diodi.
HW2) MOSFET e transistor bipolare a giunzione.
HW3) Amplificatori operazionali.
HW4) Circuiti logici e memorie CMOS.
Gli “homework” sono completati dallo studente in autonomia e consegnati per via informatica preferibilmente entro una settimana dall’assegnazione e al più tardi entro la data di svolgimento della prova orale.

2. La valutazione di un esercizio CAD volto a verificare il conseguimento dell’obiettivo di apprendimento 11. L’esercizio CAD è svolto utilizzando un simulatore di circuiti elettrici e riguarda il progetto o l’analisi di un circuito elettronico. L’esercizio è assegnato durante lo svolgimento del corso, è completato dallo studente in autonomia e consegnato per via informatica preferibilmente entro una settimana dall’assegnazione e al più tardi entro la data di svolgimento della prova orale.

3. Una prova orale volta a verificare il conseguimento da parte dello studente degli obiettivi di apprendimento 1-11. Durante la prova orale vengono rivolte allo studente 4 domande così distribuite:
OR1) Concetti base della fisica dei semiconduttori e della giunzione p-n, circuiti a diodi.
OR2) Principi di funzionamento, caratteristiche elettriche, modelli matematici del MOSFET o del transistore bipolare a giunzione.
OR3) Amplificatori operazionali e loro applicazioni.
OR4) Circuiti logici e memorie in tecnologia CMOS.

Il voto è il risultato della media pesata delle valutazioni delle tre componenti 1-3 dell’esame con i seguenti pesi:
-Homework: 20%.
-Esercizio CAD: 5%.
-Prova orale: 75%.

Risultati attesi

A seguito del completamento del corso e superamento del relativo esame lo studente avrà conseguito i seguenti obiettivi di apprendimento:

1. Conoscenza e comprensione dei concetti di base della fisica dei semiconduttori.
2. Conoscenza e comprensione dei principi di funzionamento della giunzione p-n.
3. Conoscenza e comprensione delle principali applicazioni circuitali dei diodi.
4. Conoscenza e comprensione dei principi di funzionamento del transistore bipolare.
5. Conoscenza e comprensione dei principi di funzionamento del MOSFET.
6. Conoscenza e comprensione delle principali applicazioni degli amplificatori operazionali.
7. Conoscenza e comprensione dei circuiti logici elementari in tecnologia CMOS e delle memorie a semiconduttore.
8. Capacità di analizzare e progettare circuiti elementari a diodi utilizzando tecniche analitiche.
9. Capacità di analizzare e progettare un amplificatore a source comune e a emettitore comume.
10. Capacità di analizzare e progettare circuiti contenenti amplificatori operazionali utilizzando tecniche analitiche.
11. Capacità di analizzare e progettare circuiti logici elementari in tecnologia CMOS utilizzando tecniche analitiche.
12. Capacità di utilizzare un simulatore circuitale per analizzare e progettare circuiti elettronici elementari.