Elettronica I

Elettronica I
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e Informatica - A.A. 2014/2015
Gino Giusi
Università degli Studi di Messina
Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Chimica e Ingegneria Industriale
Contrada di Dio, 98166 S.Agata, Messina
web: www.ginogiusi.com e-mail: [email protected] tel: 090-397-7560 (7381)
Informazioni sul corso
Obiettivi: Analisi e progettazione di circuiti elettronici analogici
basati su diodi e transistors.
Prerequisiti: teoria delle reti elettriche lineari in DC e AC (in
particolare nel dominio s).
Tipologia delle lezioni: teoria ed esercitazioni supportate da
proiezione di slides e da lavagna. Esercitazioni al calcolatore.
Testo di riferimento: “Microelettronica”, R.C. Jaeger, T. N.
Blalock, Mc Graw Hill.
Altro Materiale :
www.ginogiusi.com
slides
delle
lezioni
disponibili
su
Informazioni sul corso
Tipologie di esame:
• appelli: prova scritta (S) + prova orale (O) facoltativa
voto finale = 2/3 ∙ S +1/3 ∙ O
(S ≥ 18)
voto finale senza orale= 2/3 ∙ S +1/3 ∙ 18 = 2/3 ∙ S + 6
• 2 prove scritte in itinere (IT) + prova orale facolativa
voto finale = 1/3 ∙ IT1 + 1/3 ∙ IT2 +1/3 ∙ O
(IT≥18)
L’Elettronica
Scienza dei sistemi hardware dedicati a elaborare l’informazione contenuta in
grandezze fisiche (tensioni/correnti elettriche, campi elettromagnetici).
Esempio:: l’amplificatore audio
Esempio
Microfono: converte le onde acustiche in una tensione/corrente elettrica
Amplificatore: amplifica l’ampiezza del segnale elettrico proveniente dal Mic
Casse acustiche: convertono il segnale elettrico amplificato in onde acustiche amplificate
L’Elettronica
Scienza dei sistemi hardware dedicati a elaborare l’informazione contenuta in
grandezze fisiche (tensioni/correnti elettriche, campi elettromagnetici).
Esempio:: sistemi di telecomunicazioni
Esempio
L’Elettronica
Scienza dei sistemi hardware dedicati a elaborare l’informazione contenuta in
grandezze fisiche (tensioni/correnti elettriche, campi elettromagnetici).
Esempio:: computer
Esempio
Elettronica vs. Elettrotecnica
L’elettronica si diversifica dalle Scienze elettriche ed elettro-meccaniche
che si occupano della generazione, distribuzione, immagazinamento e
conversione dell’energia elettrica da e verso altre forme di energia usando
conduttori, motori, generatori, batterie, trasformatori, resistori e altri
componenti passivi.
batterie
motori
condensatori
trasformatori
induttori
resistori
L’Elettronica
L’elettronica ha a che fare con circuiti elettrici (detti circuiti elettronici)
costituiti da componenti attivi come i tubi a vuoto, i diodi, i transistors e i
circuiti integrati, insieme ai componenti elettici passivi e tecnologie di
interconnessione.
tubi a vuoto
transistors
diodi
circuiti integrati
I componenti attivi (e quindi i circuiti elettronici) consentono di elaborare
l’informazione immagazzinata nei segnali elettrici.
L’Elettronica
L’elettronica è parte fondamentale della nostra società
Branche dell’Elettronica
analogica
bassa frequenza
bassa potenza
discreta
digitale
alta frequenza
alta potenza
integrata
L’Elettronica Analogica
In elettronica analogica l’informazione può assumere una numero infinito di
valori.
Esempio: l’amplificatore audio
L’Elettronica Digitale
In elettronica digitale l’informazione può assumere solo un numero finito di
valori.
segnale elettrico digitale
L’elaborazione digitale dell’informazione ha preso il sopravvento su quella
analogica:
• maggiore capacità di immagazzinare informazione
• maggiore capacità di elaborare l’informazione
• maggiore robustezza e sicurezza dei sistemi
L’Elettronica delle alte frequenze
Basse frequenze
Suoni udibili
Alte Frequenze
Radio FM
Televisione
Comunicazioni navali e governative.
Telefoni cellulari e wireless
TV via satellite
Dispositivi Wireless
20 Hz - 20 KHz
88 - 108
54 - 216
216 - 450
1710 - 2690
3.7 - 4.2
5.0 - 5.5
MHz
MHz
MHz
MHz
GHz
GHz
L’Elettronica di potenza
alimentatore
UPS
carica batterie
macchine elettriche
amlificatore audio di potenza
L’’inizio dell’’era dell’’elettronica moderna
Il transistor
•
componente fondamentale di qualunque
apparecchiatura elettronica
•
dispositivo elettronico a semiconduttore a
3 terminali
•
inventato nel 1947 da Brattain, Shockley,
Bardeen nei laboratori Bell (premio
Nobel 1956)
Il transitor: principio di funzionamento
Transistor = Transfer Resistor (resistenza di trasferimento)
terminale B
la tensione (corrente) al terminale di
controllo determina la conducibilità
(corrente) tra i terminali A e B.
terminale di
controllo
corrente A --> B
funzioni principali:
terminale A
amplificazione dei segnali elettrici
(elettronica analogica)
interruttore controllato (elettronica
digitale)
Transistors
BJT
FET
JFET
MOSFET
Tiristori
Il primo transistor
transistore bipolare al
germanio a punta di contatto
(1947):
• due punte metalliche a
contatto con una base di
germanio
• le punte sono i terminali di
controllo A e B, la base è il
terminale di controllo
Il primo transistor
I progenitori dei transistors: i tubi a vuoto
Progenitori dei principali moderni dispositivi a semiconduttore:
diodi e transistors
Diodo (1904, Flemming) il filamento incandescente
riscalda il catodo che emette elettroni, i quali sono
attirati dal potenziale positivo dell’anodo.
Triodo (1907, Le de Forest). Primo componente
amplificatore costruito dall’uomo. La griglia viene
posta ad un potenziale negativo ed agisce da
terminale di controllo: il suo potenziale determina
il numero di elettroni che arrivano all’anodo.
I progenitori dei transistors: i tubi a vuoto
1907, Le De Forest. Primo triodo a vuoto
Vantaggi dei transistors rispetto ai tubi a vuoto
•
•
•
•
•
•
piccole dimensioni e peso ridotto dispositivi elettronici miniaturizzati
processo di costruzione automatizzato ed efficiente
tensioni di alimentazione ridotte dispositivi portatili
nessun periodo di “riscaldamento” dopo l’accensione
più bassa dissipazione di potenza migliore efficienza energetica
lunga durata di vita
Transistors “discreti”
Lo scaling dei transistor: i circuiti integrati
Transistors “integrati”
1958: Kilby e Noice sviluppato
il primo circuito integrato
Le innovazioni produttive consentono la
riduzione della dimensione caratteristica
Lo scaling dei transistor: la legge di Moore
Legge di Moore: « Le prestazioni dei processori, e il numero di
transistor ad esso relativo, raddoppiano ogni 18 mesi. »
Lo scaling dei transistor: circuiti di memoria
moduli di memoria SO-DIMM
Lo scaling dei transistor: i circuiti integrati
livello di integrazione
componenti/chip
Small Scale Integration (SSI)
<10
Medium Scale Integration (MSI)
10-100
Large Scale Integration (LSI)
100-104
Very Large Scale Integration (VLSI)
104-109
Ultra Large Scale Integration (ULSI)
1010
Lo scaling dei transistor: elettronica consumer
Obiettivi del processo di integrazione:
• dispositivi più piccoli e portatili
• minore consumo energetico
• maggiori prestazioni
Tappe fondamentali dell’’elettronica
1874 Braun inventa il raddrizzatore a stato
solido.
1895 Marconi
effettua
le
prime
trasmissioni via radio
1904 Fleming inventa il diodo a vuoto
1906 DeForest inventa il triodo a vuoto
1907-27 Primi circuiti radio sviluppati con
diodi e triodi.
1925 primo prototipo di TV
1925 Lilienfeld brevetta il dispositivo ad
effetto di campo
1947 Bardeen e Brattain ai Laboratori Bell
inventano il transistore bipolare.
1952 Texas
Instruments
inizia
la
produzione commerciale di transistori
bipolari.
1956 Bardeen, Brattain, e Shockley
ricevono il premio Nobel.
1958 Kilby e Noyce sviluppano i circuiti
integrati
1961 Primo
circuito
integrato
commercializzato
dalla
Fairchild
Semiconductor
1968 Primo
amplificatore
operazionale
integrato
1970 Cella DRAM a un transistore inventata da
Dennard alla IBM.
1971 Presentazione del processore Intel 4004.
1978 Prima memoria commerciale da 1-kilobit.
1974 Presentazione del processore 8080.
1984 Presentazione del chip di memoria da 1
Megabit.
1995 Chip di memoria da 1 gigabit presentato
alla IEEE International Solid-State
CircuitsConference (IEEE ISSCC)
2000 Alferov, Kilby, e Kromer vincono il
premio Nobel
Il mercato dell’elettronica
l’elettronica rappresenta il 10% (4 trilioni di dollari) del prodotto
interno lordo mondiale (PIL).
Contenuti del corso
analogica
bassa frequenza
bassa potenza
discreta
digitale
alta frequenza
alta potenza
integrata
Contenuti del corso
Parte I: Introduzione e concetti fondamentali
richiami di teoria dei circuiti
la simulazione circuitale con SPICE
elementi di Elettronica dello stato solido
Parte II: Dispositivi Elettronici
il diodo a giunzione
transistori ad effetto di campo (FETs)
il transistore bipolare (BJT)
Parte III: Circuiti amplificatori a transistori discreti
amplificatori a BJT e FETs