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Giovanni VERZELLESI

Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria

Insegnamento: Fondamenti di elettronica

Ingegneria meccatronica (Offerta formativa 2023)

Obiettivi formativi

Il corso intende fornire le conoscenze e competenze di base sui dispositivi elettronici a semiconduttore, i circuiti a diodi, i circuiti basati su amplificatori operazionali e i circuiti digitali CMOS. Intende inoltre fornire la capacità di analizzare e progettare, anche utilizzando un simulatore elettrico, i circuiti indicati sopra 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 elettrica; legge di Ohm; solidi isolanti, conduttori e semiconduttori; elettroni e lacune nei semiconduttori; struttura a bande dei solidi cristallini ed energia di Fermi; semiconduttori drogati; legge di azione di massa; correnti di diffusione; modello a deriva-diffusione per il trasporto di carica nei semiconduttori; tecnologia del silicio monocristallino.
2. Giunzione p-n e circuiti a diodi: breve storia e principali applicazioni; realizzazione fisica della giunzione pn; equilibrio, polarizzazione diretta e polarizzazione inversa; caratteristica statica corrente-tensione; raddrizzatore a semionda e a ponte di diodi; limitatori; fissatori; regolatore di tensione a diodo Zener; fotodiodi; LED; diodo laser; simulazione di circuiti a diodi.
3. MOSFET: storia; condensatore MOS; tensione di soglia; struttura e principio di funzionamento; equazioni della corrente e caratteristiche statiche del MOSFET; MOSFET a canale p; realizzazione del MOSFET; legge di Moore e roadmap della tecnologia CMOS; MOSFET come interruttore e come amplificatore; simulazione di amplificatori a MOSFET.
4. BJT: struttura, processo fabbricazione, regioni di funzionamento. Regione attiva diretta: calcolo della corrente di collettore e di base. Guadagno di corrente a emettitore comune e a base comune. Meccanismo di controllo della corrente.
Regione attiva inversa. Regione di interdizione. Regione di saturazione. Caratteristiche statiche corrente-tensione.
Effetto Early. Transistor pnp. BJT come interruttore e come amplificatore.
5. Amplificatori operazionali: breve storia; operazionale ideale; amplificatore non invertente; stadio separatore; 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 anti-logaritmico, moltiplicatore, divisore, convertitore corrente-tensione; simulazione di circuiti con amplificatori operazionali.
6. Convertitori D/A e A/D: DAC a resistenze pesate; DAC seriale; ADC flash; ADC a singola e doppia rampa; ADC ad approssimazioni successive.
7. Circuiti logici e memorie: famiglie e porte logiche; figure di merito statiche e dinamiche delle porte logiche; sintesi reti combinatorie e sequenziali; latch e registri; logica CMOS; invertitore CMOS; porte logiche CMOS (NOR, NAND, compound gates); RAM statica; RAM dinamica; memoria FLASH.

Questi argomenti possono essere di supporto allo svolgimento di tirocini o tesi.

Metodi didattici

L’insegnamento viene erogato mediante lezioni frontali in presenza dedicate alla spiegazione della teoria, alla soluzione di esercizi e alla simulazione CAD di circuiti elettronici.

Il docente utilizzerà una lavagna digitale o una tavoletta grafica potendo in questo modo rendere disponibile agli studenti la copia elettronica di quanto scritto e disegnato alla lavagna durante la lezione.

Al termine di ogni capitolo del corso è prevista un'ora di discussione in aula sui principali temi trattati.

Prima dell'inizio di ogni lezione viene di norma assegnato un test istantaneo senza valutazione, da svolgersi con modalità telematica, composto da 2 o 3 domande a risposta multipla sugli argomenti svolti nella precedente lezione, seguito da breve discussione dei risultati.

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria ma fortemente consigliata.

L’insegnamento è erogato in lingua italiana.

Testi di riferimento

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

Copie scannerizzate delle lezioni svolte tramite lavagna digitale o tavoletta grafica rese disponibili, al termine di ogni lezione, sul canale dedicato al corso su MS Teams.

Verifica dell'apprendimento

L’esame prevede le seguenti 3 componenti.

1. La valutazione di quattro “homework” volti anche a permettere allo studente di verificare lo stato di avanzamento del processo di raggiungimento degli obiettivi di apprendimento. Gli “homework” prevedono la risposta a domande a risposta chiusa e la soluzione di esercizi numerici sui seguenti argomenti del programma:
HW1) Fisica dei semiconduttori, giunzione pn e circuiti a diodi.
HW2) MOSFET e BJT.
HW3) Amplificatori operazionali e convertitori D/A e A/D.
HW4) Circuiti logici e memorie a semiconduttore.
Gli “homework” sono assegnati durante lo svolgimento del corso, sono completati dallo studente in autonomia e consegnati per via informatica sulla pagina "moodle" del corso, preferibilmente entro una settimana dall’assegnazione e al più tardi entro la data di svolgimento della prova scritta finale (o della seconda prova parziale). Per ogni homework saranno possibili due diversi tentativi attivati a distanza di una settimana uno dall’altro. Ogni homework riceverà una valutazione da 0 a 30 punti. Per ogni tipo di homework (HW1, HW2, HW3, HW4) verrà considerato il risultato migliore tra i due tentativi.

2. La valutazione di un esercizio CAD svolto utilizzando un simulatore di circuiti elettrici e riguardante 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 (pagina moodle del corso) preferibilmente entro una settimana dall’assegnazione e al più tardi entro la data di svolgimento della prova scritta finale (o della 2a prova scritta parziale). L’esercizio CAD riceverà una valutazione da 0 a 30 punti.

3. Una prova scritta composta da 8 domande a risposta aperta o esercizi numerici su argomenti di teoria o relativi alla soluzione di esercizi. Le 8 domande sono così distribuite:
- 1 domanda/esercizio sulla fisica dei semiconduttori o sulla giunzione PN.
- 1 domanda/esercizio sulla giunzione PN o sui circuiti a diodi.
- 1 domanda/esercizio sul MOSFET.
- 1 domanda/esercizio sul BJT.
- 2 domande/esercizi sugli amplificatori operazionali.
- 2 domande/esercizi sui circuiti logici e le memorie a semiconduttore.
La durata tipica della prova scritta è 90 minuti. Ogni domanda riceverà una valutazione da 0 a 4 punti. Complessivamente la prova scritta riceverà quindi una valutazione da 0 a 32 punti.

La prova scritta può essere suddivisa in due prove parziali, la prima svolta durante l'apposito periodo di sospensione delle lezioni per prove intermedie ed esami e la seconda nell'ultima settimana di lezione. Ciascuna prova parziale conterrà 4 domande/esercizi e riceverà una valutazione da 0 a 16 punti (da 0 a 4 punti per domanda). La durata tipica di ciascuna prova parziale è 45 minuti.

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

Con risultato complessivo pesato superiore a 31/30 verrà attribuita la lode.

Risultati attesi

A seguito del completamento del corso e superamento del relativo esame lo studente sarà in grado di:

1) Conoscenza e capacità di comprensione
1.a) Comprendere e saper descrivere i concetti base della fisica dei semiconduttori e del comportamento elettrico della giunzione PN, del transistore MOS e del BJT.
1.b) Comprendere e saper descrivere i concetti base degli amplificatori operazionali e delle loro principali applicazioni.
1.c) Comprendere e saper descrivere i concetti base dei convertitori digitale-analogico e analogico-digitale.
1.d) Comprensione e saper descrivere i concetti base dei circuiti logici e delle memorie a semiconduttore.

2) Conoscenza e capacità di comprensione applicate
2.a) Analizzare e progettare circuiti elementari a diodi.
2.b) Analizzare e progettare circuiti contenenti amplificatori operazionali.
2.c) Analizzare e progettare circuiti logici combinatori CMOS.
2.d) Utilizzare un simulatore circuitale per analizzare e progettare circuiti elettronici elementari.

3) Autonomia di giudizio
3.a) Verificare il proprio grado di apprendimento e comprensione dei concetti esposti grazie alla possibilità d’intervento a lezione e alla possibilità rappresentata dagli homework e del progetto CAD.
3.b) Riorganizzare le conoscenze apprese e implementare la propria capacità di valutazione critica e autonoma di quanto appreso.
3.c) Analizzare e valutare alternative progettuali anche in caso di specifiche di progetto incomplete.

4) Abilità comunicative
4.a) Esprimere in modo corretto e logico le proprie conoscenze, riconoscendo l’argomento richiesto e rispondendo in modo puntuale e completo alle domande d’esame.
4.b) Utilizzare linguaggio e terminologia tecnica appropriata.

5) Capacità di apprendimento
5.a) Applicare una metodologia efficace di studio che permetta di affrontare e risolvere problemi anche complessi e capitalizzare le nozioni apprese per proseguire il proprio percorso di studio.
5.b) Aggiornare le conoscenze acquisite in risposta a cambiamenti legati all’evoluzione tecnologica.