Corso di Elettronica Applicata
per la Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica e
per la Laurea Magistrale in Ingegneria delle Nanotecnologie
a.a. 2015/2016
docente: Prof. Rita Asquini
Obiettivi didattici
Il corso intende fornire gli strumenti per la comprensione delle caratteristiche dei principali dispositivi da
utilizzare per l’implementazione e il progetto di elementari circuiti elettronici. Prerequisito al corso è
l’approfondita conoscenza dei metodi per l’analisi delle reti elettriche.
Programma del corso
Introduzione all’elettronica
Breve storia dell’elettronica. Evoluzione dei dispositivi elettronici. Livelli di integrazione. Rappresentazione
di segnali nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. Trasformata di Fourier. Classificazione dei
segnali e dei relativi circuiti: analogici e digitali. Campionamento e quantizzazione. Schema a blocchi di un
convertitore analogico-digitale. Convenzioni sulle grandezze elettriche.
Richiami di teoria dei circuiti
Leggi di Ohm. Leggi di Kirchhoff. Teorema di Thevenin. Teorema di Norton. Teorema di sovrapposizione
degli effetti. Regola del partitore di tensione. Regola del partitore di corrente. Generatori controllati. Il
potenziometro.
Caratterizzazione delle reti a due porte
Rete lineare a due porte. Parametri y. Parametri z. Parametri h. Parametri g. Rappresentazione con circuiti
equivalenti.
Reti a singola costante di tempo
Risposta in frequenza di un circuito. Diagrammi di Bode. Valutazione della costante di tempo. Risposta in
frequenza dei circuiti a singola costante di tempo (STC). Classificazione delle reti STC. Risposta al gradino e
risposta impulsiva delle reti STC.
Concetti di base sugli amplificatori
Concetto di amplificazione di un segnale. Simboli circuitali dell’amplificatore. Caratteristica di
trasferimento. Guadagno di tensione. Guadagno di corrente. Guadagno di potenza. Espressione del guadagno
in decibel. Alimentazioni negli amplificatori. Saturazione dell’amplificatore. Caratteristica di trasferimento
non lineare e polarizzazione: punto di riposo. Modelli circuitali per gli amplificatori: amplificatori di
tensione, di corrente, di transconduttanza e di transresistenza. Amplificatore composto da stadi in cascata.
Risposta in frequenza dell’amplificatore e caratterizzazione degli amplificatori in base alla risposta in
frequenza. Applicazioni: lettore MP3, amplificatori in ricevitore FM stereo.
Diodi
Concetti di fisica dei semiconduttori: materiali per l’elettronica, semiconduttori intrinseci ed estrinseci,
drogaggio di un semiconduttore di tipo n e di tipo p, cariche maggioritarie e minoritarie, donori e accettori.
Corrente di diffusione e corrente di deriva. La giunzione pn a circuito aperto, in polarizzazione diretta e in
polarizzazione inversa. Il diodo ideale. Il diodo reale: caratteristica i-v. Analisi grafica di circuiti con diodi.
Modello esponenziale. Modello lineare a tratti. Modello a tensione costante. Modello ideale. Modello per
piccoli segnali. Funzionamento nella regione di breakdown: diodi zener. Regolatore di tensione con zener.
Diagramma a blocchi di un alimentatore in continua. Raddrizzatore a singola semionda. Raddrizzatore a
doppia semionda. Raddrizzatore a ponte. Raddrizzatore con condensatore di filtro. Raddrizzatori di picco a
singola e a doppia semionda. Circuiti limitatori. Circuiti di aggancio. Duplicatore di tensione. Applicazioni:
il termometro digitale, alimentatori e caricabatterie per telefoni cellulari, generazione di potenza elettrica con
celle solari, LED.
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Amplificatori operazionali
Amplificatore operazionale ideale. Massa virtuale. Il concetto di retroazione. Configurazione invertente con
guadagno differenziale infinito e finito. Variante per ottenere Rin e G indipendenti nella configurazione
invertente. Configurazione non invertente con guadagno differenziale infinito e finito. Inseguitore di tensione
a guadagno unitario. Rapporto di reiezione di modo comune. Amplificatori di differenza: amplificatore di
differenza a singolo stadio e amplificatore per strumentazione. Circuiti classici con operazionali: integratore
di Miller, derivatore, sommatore pesato invertente e non invertente, sommatore-sottrattore. Il modello
interno dell’operazionale reale e le condizioni di non idealità. Non idealità in continua: tensione di offset,
correnti di ingresso di polarizzazione e relativo offset. Effetto di Vos e Ios sul funzionamento dell'integratore
invertente. Dipendenza dalla frequenza del guadagno ad anello aperto, risposta in frequenza degli
amplificatori ad anello chiuso, limitazioni in banda ed effetti della retroazione sulla larghezza di banda.
Funzionamento per grandi segnali degli operazionali: saturazione della tensione di uscita, limiti per la
corrente di uscita, slew-rate, larghezza di banda a piena potenza, reiezione di modo comune. Cenni allo
schema di un operazionale commerciale (741). Applicazioni: ricevitore per fibre ottiche, generatore
analogico di funzioni.
La retroazione positiva: multivibratori e generatori di funzione
Multivibratore bistabile (trigger di Smith) invertente e non invertente. Comparatore con isteresi con trigger
di Smith. Rivelatore di zero-crossing. Multivibratore astabile: generatore d'onda quadra e d'onda triangolare.
Multivibratore monostabile: generatore di impulsi di durata controllata.
Transistori ad effetto di campo (MOSFET)
Classificazione dei transistori ad effetto di campo (FET). Struttura e funzionamento fisico del MOSFET ad
arricchimento a canale p (PMOS) e a canale n (NMOS). Simboli circuitali. Regioni di funzionamento.
Caratteristiche corrente-tensione. Valore finito della resistenza di uscita in saturazione. Cenni alla tecnologia
MOS complementare (CMOS). Effetto body. Circuiti a MOSFET in continua. Il MOSFET come
amplificatore e come interruttore: retta di carico e punto di polarizzazione, determinazione grafica e analitica
della caratteristica di trasferimento. Utilizzo del MOSFET come amplificatore: punto di polarizzazione in
continua, transconduttanza gm, guadagno di tensione. Modelli del MOSFET per piccoli segnali: modello a ibrido e a T (con e senza resistenza di uscita ro). Polarizzazione degli amplificatori a MOSFET:
polarizzazione a VGS fissa, polarizzazione a VG fissa e resistore RS, polarizzazione con resistore di retroazione
tra drain e gate, polarizzazione con generatore di corrente costante. Specchio di corrente a MOSFET.
Configurazioni di amplificatori a MOSFET a singolo stadio: amplificatore a source comune, amplificatore a
source comune con resistore di source, amplificatore a gate comune, amplificatore a drain comune o
inseguitore di source. Amplificatore a guadagno unitario o inseguitore di corrente. Differenza tra le
configurazioni. Amplificatore a source comune con carico attivo. Amplificatore a source comune CMOS.
Circuiti digitali
Tecnologie integrate digitali e famiglie logiche, l'invertitore ideale, l'invertitore reale: definizione dei livelli
logici, margini di rumore, risposta dinamica di una porta logica, tempi di salita e tempi di discesa, ritardo di
propagazione, prodotto ritardo-potenza dissipata, fan-in e fan-out. Porte logiche elementari con tabella della
verità, porte logiche elementari realizzate con interruttori ideali, equivalenza tra porte logiche per effetto dei
teoremi di De Morgan. Forme canoniche delle funzioni binarie. Espressione di una funzione logica come
prodotto di mintermini. OR-esclusivo.
Circuiti digitali in tecnologia CMOS
Processo tecnologico CMOS. Invertitore a CMOS: funzionamento statico, caratteristica di trasferimento,
funzionamento dinamico. Corrente e potenza dissipata dell’invertitore a CMOS. Diagramma a blocchi di una
porta logica CMOS a tre ingressi. Simboli circuitali alternativi per i MOSFET. Porte logiche NOR e NAND
a CMOS: realizzazione e dimensionamento. Realizzazione della funzione OR-esclusiva.
Esercitazioni di laboratorio con microcontrollore Genuino/Arduino
Sito del corso su http://elearning2.uniroma1.it/
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