Domande e risposta Sistemi e Tecnologie Elettroniche

Sistemi e Tecnologie Elettroniche
1) Descrivere l’effetto della resistenza di ingresso di uno stadio amplificatore alimentato con
(a) un ingresso in tensione: La resistenza di ingresso di uno stadio amplificatore idealmente viene
approssimata ad infinito, ovvero un circuito aperto, per evitare il partizionamento della tensione fra un eventuale
resistenza del generatore che fornisce il segnale in ingresso e la resistenza stessa.
(b) un ingresso in corrente: In modo duale al caso dell’ingresso in tensione, si cerca di avere una resistenza di
ingresso il più possibile piccola per evitare il partizionamento della corrente.
2) Descrivere l’effetto della resistenza di uscita di uno stadio amplificatore con
(a) uscita in tensione: Per non avere partizione della tensione in uscita si cerca di rendere il più piccola
possibile la resistenza di uscita (idealmente un corto circuito).
(b) uscita in corrente: In modo duale al caso dell’uscita in tensione, si cerca di vere la resistenza di uscita il
più grande possibile (idealmente un circuito aperto) per evitare il partizionamento della corrente.
3) Descrivere il funzionamento statico di un amplificatore di tensione invertente realizzato con un amplificatore
operazionale ideale: Innanzitutto per amplificatore ideale di tensione si intende
ed
,
e
guadagno infinito. Essendo in configurazione invertente il segnale viene applicato sul morsetto meno e l’uscita sarà
uguale al segnale di ingresso amplificato del fattore imposto dalle resistenze (
), dove
è la resistenza di
retroazione, in fase opposta.
4) Descrivere il funzionamento statico di un amplificatore di tensione non invertente realizzato con un amplificatore
operazionale ideale: Valgono le considerazioni fatte sopra. Essendo in configurazione non invertente il segnale viene
applicato sul morsetto non invertente; In uscita avremo la tensione di ingresso moltiplicata per un coefficiente
imposto dalle resistenze (
) dove
è la resistenza che va a massa.
5) Descrivere i concetti di amplificazione differenziale e di modo comune per uno stadio
amplificatore realizzato con un amplificatore operazionale ideale: Si tratta di una
configurazione in cui l’informazione viene trasportata attraverso la differenza di due
segnali, questi vengono combinati portandoli ai vari ingressi come segnale di modo
(
) e segnale differenziale
(
). Applicando e
comune
avremo in uscita
dove
è il guadagno di modo comune ed
è il guadagno differenziale. Per
il guadagno di modo comune è nullo.
6) Descrivere gli effetti di non idealità lineari presenti, in condizioni statiche, in un AO reale: I principali effetti di non
idealità comprendo un guadagno
finito contrariamente al modello ideale, le resistenze in ingresso non sono
infinite e questo implica non solo una corrente non nulla nell’ingresso ma anche un partizionamento del segnale
applicato. La resistenza in uscita è bassa ma non nulla e di conseguenza anche questo comporta un partizionamento
fra uscita e carico. Inoltre si aggiunge anche che gli ingressi presentano un offset che riporta in uscita un segnale per
un ingresso nullo oppure un uscita nulla per un segnale diverso da zero.
7) Ricavare l’espressione della legge di Ohm microscopica per un semiconduttore, e valutare la conducibilità elettrica
di un semiconduttore intrinseco, drogato di tipo n e drogato di tipo p: La legge di Ohm lega l’intensità di corrente in
un mezzo con la differenza di potenziale tramite un coefficiente detto Resistenza. Se analizziamo una sezione del
mezzo stesso è conveniente definire la densità di corrente attraverso la sezione e riferisci al campo elettrico
applicato. In questo modo possiamo legare le cariche elettriche che si muovono attraversando quella sezione con il
campo stesso. La densità di corrente si può definire come il prodotto delle cariche in moto con la velocità media
delle cariche stesse ( ). Tale velocità media è data dal prodotto del campo elettrico con una quantità chiamata
mobilità ( )
dove è detta conducibilità elettrica. Come si nota contiene in sé
(
)
(grandezze microscopiche e per questo la relazione viene detta legge di Ohm microscopica.
8) Determinare il valore della tensione di built-in in una giunzione pn brusca: Presi due punti
nella parte neutra della giunzione, per cui
( )
( )
e
, consideriamo la situazione in
( )
equilibrio termodinamico, vale l’equilibrio dettagliato, cioè
( )
( )
[
(
(
)
]
)
[
e
. Di conseguenza
].
9) Ricavare l’espressione della ampiezza delle regioni svuotate dei due lati per una giunzione brusca: L’ampiezza
della regione di vuotamento è proporzionale della caduta di potenziale ( )
(
), l’applicazione di una
polarizzazione esterna modifica tale caduta di tensione da
a
, ne consegue una modulazione di e :
( )
(
√
)
( )
(
√
(
10) Ricavare la legge della giunzione: All’equilibrio si ha
(
dunque
(
(
fuori equilibrio
)
)
(
)
)
)
)(
√ (
(
(
)
( )
)
(
(
si ricava
(
)
)
).
)
(
(
)
)
(
(
)
)
).
11) Disegnare, dopo averne scritto l'espressione analitica, l'andamento dell'eccesso di portatori minoritari nei due
lati neutri (assunti lunghi) di una giunzione pn in condizioni di polarizzazione diretta e inversa. Si richiede anche di
esplicitare il valore delle concentrazioni in eccesso ai limiti delle regioni neutre:
(
(
)
)
(
(
(
)[
)[
(
)
)
]
]
(
[
[
(
)
)
]
]
12) Disegnare l’andamento delle componenti di corrente in una giunzione pn in polarizzazione diretta e inversa,
assumendo che i lati siano lunghi. Si richiede di giustificare il risultato: Per ogni
la corrente di
trascinamento dei portatori minoritari è nulla perché ipotizziamo campo
elettrico trascurabile nelle regioni nulle. Dunque
, la corrente di
diffusione è proporzionale alla derivata dell’eccesso della concentrazione
;
poiché i lati sono lunghi ( )
, quindi anche la derivata avrà un andamento esponenziale.
(
)
( )
( ). Similmente avviene nella regione nulla
Troviamo nella regione nulla drogata p ricordando che
della regione drogata n. Ponendo come ipotesi che i fenomeni di GR nella regione di svuotamento siano nulli
abbiamo che
quindi
e
cioè costanti nulle nelle regioni di
svuotamento
13) Per un transistor bipolare npn, definire e illustrare tutte le componenti di corrente che attraversano la giunzione
di emettitore e di collettore, in regione di polarizzazione attiva diretta. Inoltre definire i parametri di guadagno per
ampio segnale
e : In regione attiva diretta sono presenti flussi di carica, in particolare un flusso di elettronica
dall’emettitore alla base ed un flusso di lacune da base ad emettitore che deve essere ridotto il più possibile e per
farlo si accorcia la base, un flusso di elettroni proveniente dalla base all’emettitore che si dirigono verso il collettore
e un flusso più debole (in assenza di iniezione da BE) di elettroni che finiscono nel collettore. Per ultimo un flusso di
lacune che dal collettore alla base. Per far funzionare al meglio il dispositivo si cerca di azzerare i flussi di portatori
minoritari e rendere uguale i flussi che vanno da E a B e da B a C. Il parametro
viene detto amplificazione di
corrente a base comune in r.a.d. ed è uguale all’efficienza di iniezione per il fattore di trasporto:
, segue
che la relazione tra ed diventa:
. Il parametro
viene detto amplificazione di
corrente a emettitore comune in r.a.d. e vale:
.
14) Tracciare le caratteristiche di uscita ad emettitore comune per un
transistore bipolare npn, evidenziando le principali regioni di funzionamento:
Immagine a fianco.
15) Ricavare, in condizioni statiche, i parametri di piccolo segnale e il modello
circuitale equivalente per un transistor bipolare npn (a bassa frequenza): Si
parte dalle caratteristiche a emettitore comune espresse nella forma
(
)
(
). Le condizioni di piccolo segnale si esprimono definendo:
( )
( )
( )
delle variabili di controllo siano una piccola perturbazione del p.d.f. |
linearizza attorno al p.d.f. e si ottengono le relazioni per le variazioni:
( )
( )
( )
( )
( )
(
dalle eq. di Ebers Moll
differenziali:
(
(
)
)
Le equazioni ammettono due interpretazioni circuitali: circuito a
( )|
( ) ipotizzando che le variazioni
|
| |
( )| |
|. Si
( ). In r.a.d. e in assenza di effetto Early,
)
si ottengono così i parametri
(
)
e a parametri ibridi.
16) Disegnare in modo qualitativo la distribuzione i carica, il campo elettrico e il potenziale elettrostatico per un
sistema MOS con gate in alluminio, strato di biossido di silicio, substrato di silicio drogato tipo p:
17) Tracciare le caratteristiche di uscita per: MOSFET a canale n e p ad arricchimento e svuotamento.
.
18) Tracciare la transcaratteristica per: MOSFET a canale n e p ad arricchimento e svuotamento.
19) Ricavare, in condizioni statiche, i parametri di piccolo segnale e il modello circuitale equivalete per un transistor
MOS a canale n: Il modello statico di piccolo sengle viene ricavato in saturazione, dove
(
)
(
) [
(
)], la dipendenza da
è contenuta
nell’espressione di
. Le variabili sono espresse secondo l’approssimazione di piccolo segnale, ad esempio
( )
( )
( )
( ) e le variazioni delle variabili indipendenti (le tensioni) sono
assunte trascurabili rispetto al p.d.f.. Linearizzando attorno al p.d.f., si ottengono le relazioni per le variazioni:
( )
( )
( )
( )
v_BS,ss (t). Dal modello statico: transconduttanza
√
, conduttanza di uscita
, la transconduttanza di substrato
√
20) Descrivere il processo fotolitografico utilizzato nella tecnologia planare dei semiconduttori: Il processo litografico
consente la realizzazione di drogaggi selettivi alla superficie di un monocristallo di , il primo passo consiste nel
depositare il materiale fotosensibile sull’intera superficie del wafer di silicio, successivamente si applica una
maschera opaca alla radiazione ultravioletta per definire quale parte deve essere protetta dall’esposizione. Una volta
impressionato il fotoresist lo si sviluppa rimuovendo le parti in eccesso. Per finire, tramite attacco chimico, vengono
eliminate le parti di biossido di silicio corrispondenti alle zone di fotoresist mancanti.
21) Descrivere le due principali tecnologie di drogaggio, diffusione e impiantazione ionica: Il drogaggio può avvenire
per diffusione termica o impiantazione ionica. Nella prima si introduce sulla superficie del substrato mascherata in
parte dal biossido una concentrazione di atomi droganti in fase solida e si incrementa la temperatura. In questo
modo si favorisce la diffusione degli atomi nel materiale cristallino nelle zone non coperte dal biossido, dato che
questo blocca gli atomi droganti. La temperatura di questo processo deve essere molto elevata e la concentrazione
degli atomi droganti in funzione della posizione avrà un massimo sulla superficie, diminuendo più si va in profondità.
Nell’impiantazione ionica invece gli atomi vengono sparati sul wafer con un’energia cinetica sufficiente per entrare
nelle superficie fino ad una certa profondità. Anche in questo caso la zona coperta da biossido fa da schermo per gli
atomi droganti, consentendo un drogaggio selettivo. La distribuzione degli atomi droganti non avrà un massimo sulla
superficie, ma è di tipo gaussiano, con un massimo che cresce in modo monotono con l’energia di impiantazione. In
entrambi i casi il profilo di concentrazione non è uniforme.
22) Descrivere le due tipologie di interruttori realizzati con transistori in communtazione, evidenziando le soluzioni
più comuni per gli interruttori low-side e high-side rispettivamente: Gli interruttori in configurazione high-side
presentano il carico connesso al potenziale di riferimento e l’interruttore tra carico e alimentazione, questa
configurazione, per ragioni di sicurezza, viene più utilizzata in ambito industriale. Nella configurazione low-side il
carico è connesso all’alimentazione e l’interruttore tra riferimento e carico. Per gli interruttori low-side si può
utilizzare come elemento attivo un BJT.
23) Si discutano le specificità di un circuito in commutazione con carico induttivo, evidenziando le problematiche e le
possibili soluzioni circuitali: La tensione ai capi dell’induttore vale
critico:
e
e la fase di accensione (OFF-ON) non è
. La corrente cresce lentamente e la tensione ai capi del MOS si abbassa rapidamente. I
problemi si verificano per il transitorio opposto, cioè in fase di spegnimento (ON-OFF) quando il MOS si interdice:
con
negativa e molto elevata questo comporta che la tensione sul drain del MOS si alza rapidamente e
potrebbe portare il dispositivo in breakdown. Come soluzione si può applicare un diodo (detto di ricircolo) in
parallelo al carico così quando la tensione sul drain diventa maggiore di quella di alimentazione il diodo conduce e
l’energia immagazzinata nell’induttanza viene dissipata dalla componente resistiva del carico e dal diodo.
24) Si descriva il funzionamento di un inverter nelle due tecnologie R/SW e CMOS, evidenziando le differenze: Nella
tecnologia R/SW si utilizza collegare il drain dell’nMOS alla tensione di alimentazione tramite una resistenza detta di
pull-up, quando la tensione sul gate ( )
il MOS è in stato OFF e si comporta (idealmente) come un
interruttore aperto, così l’uscita va ad un potenziale logico alto tramite la
; quando la
il MOS è in
stato ON e si comporta (idealmente) come un cortocircuito che porterà l’uscita ad un potenziale logico basso. La
struttura a CMOS sfrutta due MOS complementari (nMOS e pMOS) alla quale viene applicata la stessa tensione di
gate di modo che quando uno si comporta da corto circuito l’altro si comporta da circuito aperto facendo variare il
livello logico dell’uscita a valore alto o basso. La struttura CMOS dunque non presenta resistenze di pull-up (o pulldown) quindi non ha un consumo dovuto a tale resistenza (se non per quella idealizzata nulla nel caso del
cortocircuito). Inoltre per la tecnologia CMOS i tempi di commutazione sono più rapidi.
25) Descrivere i margini di rumore per un collegamento tra porte logiche: I parametri (di tensione) fondamentali per
l’interfacciamento di due o più porte logiche sono 4: Tensione di uscita minima per il livello logico alto
, tensione
di uscita massima per il livello logico basso
, tensione minima riconosciuta in ingresso come valore logico alto
e tensione massima riconosciuta in ingresso come valore logico basso . Come è facilmente intuibile per
interfacciare due porte logiche è necessario che
e
. La differenza fra i valori
definisce il margine di rumore per il livello logico alto, mentre per il livello logico basso
.
26) Si discuta l’effetto delle correnti nella definizione della compatibilità elettrica tra porte logiche: Lo correnti
erogate o assorbite in uscita devono essere limitate, la corrente che circola nell’uscita è dovuta ad ingressi di altre
) o altri carichi (diodi LED, resistenze,…), la compatibilità elettrica tra circuiti digitali
porte logiche collegate (
richiede quindi un controllo sulle correnti. Studiando la corrente in uscita per lo stato logico alto e per quello basso è
facile intuire che la somma delle correnti richieste dalle porte logiche collegate in uscita alla porta che stiamo
considerando deve essere minore alla corrente che quest’ultima può erogare.
27) Si evidenzino le possibili difficoltà nel collegamento tra porte con uscita totem pole, descrivendo le possibili
soluzioni: Innanzitutto per collegamento totem pole si intende che il deviatore è realizzato con due MOS di tipo
complementare. Uno dei problemi più evidenti è che se le due uscite sono in stati opposti scorre corrente fra
e
GND. La corrente potrebbe essere anche molto alta e ne seguirebbe la distruzione del dispositivo.
28) Descrivere la metodologia per la sintesi di funzioni logiche combinatorie complesse in tecnologia a switch
complementari: Per la sintesi di funzioni logiche combinatorie complesse si utilizza mettere due nMOS in serie per
realizzare l’operatore logico prodotto ( ) e due nMOS in parallelo per realizzare l’operatore logico somma ( ). In
modo complementare per i pMOS. Si definisce prima la struttura R/SW equivalente partendo dall’uscita negata e poi
si definisce la rete complementare a pSW, si costruisce la struttura complessiva ponendo in serie i due blocchi e
prelevando l’uscita fra il blocco nSW e massa.
29) Discutere il problema della dissipazione di potenza in un circuito logico, evidenziando le componenti di potenza
dissipata: Ci si preoccupa della potenza perché forti correnti implicano conduttori “grossi” (ingombro, peso) e
disturbi elettromagnetici, inoltre alimentatore più potente significa per gli apparati fissi maggiore peso, ingombro e
costo e per gli apparati portatili minore autonomia della batteria.
E’ possibile esprimere la potenza tramite due componenti:
La potenza statica è la potenza assorbita in assenza di commutazione e varia con la temperatura e con la
. La
)
potenza dinamica
è la potenza assorbita dall’alimentazione per eseguire una commutazione (
data dalla corrente che carica (e scarica) la capacità in uscita.
che ovviamente dipende dal carico
capacitivo.
1) Descrivere l’effetto della resistenza di ingresso di uno stadio amplificatore alimentato con un ingresso in V e in I
2) Descrivere l’effetto della resistenza di uscita di uno stadio amplificatore con
3) Descrivere il funzionamento statico di un amplificatore di tensione invertente realizzato con un amplificatore operazionale ideale
4) Descrivere il funzionamento statico di un amplificatore di tensione non invertente realizzato con un amplificatore operazionale ideale
5) Descrivere i concetti di amplificazione differenziale e di modo comune per uno stadio amplificatore realizzato con un amplificatore
operazionale ideale:
6) Descrivere gli effetti di non idealità lineari presenti, in condizioni statiche, in un AO reale
7) Ricavare l’espressione della legge di Ohm microscopica per un semiconduttore, e valutare la conducibilità elettrica di un semiconduttore
intrinseco, drogato di tipo n e drogato di tipo p:
8) Determinare il valore della tensione di built-in in una giunzione pn brusca
9) Ricavare l’espressione della ampiezza delle regioni svuotate dei due lati per una giunzione brusca
11) Disegnare, dopo averne scritto l'espressione analitica, l'andamento dell'eccesso di portatori minoritari nei due lati neutri (assunti lunghi) di
una giunzione pn in condizioni di polarizzazione diretta e inversa. Si richiede anche di esplicitare il valore delle concentrazioni in eccesso ai
limiti delle regioni neutre
12) Disegnare l’andamento delle componenti di corrente in una giunzione pn in polarizzazione diretta e inversa, assumendo che i lati siano
lunghi. Si richiede di giustificare il risultato
13) Per un transistor bipolare npn, definire e illustrare tutte le componenti di corrente che attraversano la giunzione di emettitore e di
collettore, in regione di polarizzazione attiva diretta. Inoltre definire i parametri di guadagno per ampio segnale
e
14) Tracciare le caratteristiche di uscita ad emettitore comune per un transistore bipolare npn, evidenziando le principali regioni di
funzionamento
15) Ricavare, in condizioni statiche, i parametri di piccolo segnale e il modello circuitale equivalente per un transistor bipolare npn (a bassa
frequenza)
16) Disegnare in modo qualitativo la distribuzione i carica, il campo elettrico e il potenziale elettrostatico per un sistema MOS con gate in
alluminio, strato di biossido di silicio, substrato di silicio drogato tipo p
17) Tracciare le caratteristiche di uscita per: MOSFET a canale n e p ad arricchimento e svuotamento.
18) Tracciare la transcaratteristica per: MOSFET a canale n e p ad arricchimento e svuotamento.
19) Ricavare, in condizioni statiche, i parametri di piccolo segnale e il modello circuitale equivalete per un transistor MOS a canale n
20) Descrivere il processo fotolitografico utilizzato nella tecnologia planare dei semiconduttori
21) Descrivere le due principali tecnologie di drogaggio, diffusione e impiantazione ionica
22) Descrivere le due tipologie di interruttori realizzati con transistori in communtazione, evidenziando le soluzioni più comuni per gli
interruttori low-side e high-side rispettivamente
23) Si discutano le specificità di un circuito in commutazione con carico induttivo, evidenziando le problematiche e le possibili soluzioni
circuitali
24) Si descriva il funzionamento di un inverter nelle due tecnologie R/SW e CMOS, evidenziando le differenze
25) Descrivere i margini di rumore per un collegamento tra porte logiche
26) Si discuta l’effetto delle correnti nella definizione della compatibilità elettrica tra porte logiche
27) Si evidenzino le possibili difficoltà nel collegamento tra porte con uscita totem pole, descrivendo le possibili soluzioni:
28) Descrivere la metodologia per la sintesi di funzioni logiche combinatorie complesse in tecnologia a switch complementari
29) Discutere il problema della dissipazione di potenza in un circuito logico, evidenziando le componenti di potenza dissipata