Insegnamento di Elettronica II

FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA in Ingegneria Elettronica
Classe LM/29
Insegnamento di Elettronica II
S.S.D. ING-INF/01 – 9 C.F.U. – A.A. 2014-2015
Docente: Prof. Stefano Salvatori
e-mail: [email protected]
(solo per comunicazioni interne e amministrative)
Nickname: salvatori.stefano
Presentazione del corso
Il corso di Elettronica II, al primo anno della Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica (LM-29),
si propone di fornire allo studente/studentessa una panoramica relativamente ampia dei metodi e
degli strumenti utili nella progettazione di sistemi elettronici analogici. Verrà dato particolare risalto
alla tipologia dei circuiti integrati denominati Amplificatori Operazionali ampiamente utilizzati per
la realizzazione di sistemi di condizionamento di segnali in ambito analogico.
Sebbene oggi il mondo elettronico sia dominato da sistemi di tipo digitale, appare sempre più
evidente la necessità di formare i nuovi ingegneri verso una metodologia di progettazione che sia
più indirizzata verso il “classico” approccio circuitale tipico dell'elettronica analogica. Tale esigenza
è sentita oggi sia nelle Università Italiane sia in quelle straniere. Nello spazio delle 54 lezioni
verranno investigati diversi esempi applicativi e spesso verrà messo in luce più l'aspetto progettuale
che quello di analisi. Infatti, al fine di stimolare l'interesse del discente, si vorrà spesso sottolineare
l'idea alla base di una soluzione circuitale piuttosto che la sua (spesso tediosa) analisi di tipo
matematico. Ovviamente non sarà possibile toccare tutti gli aspetti che sono alla base
dell'elettronica analogica e sono stati quindi scelti quegli argomenti che si ritengono più utili per
una maturazione professionale di progettista.
È naturale che il desiderio fondamentale di ciascuno studente sia quello di superare al meglio
l'esame finale e che questo spesso indichi la conclusione del suo “interesse” per il corso. Si vuole
tuttavia consigliare ognuno che uno degli obiettivi principali di un esame è la dimostrazione di aver
appreso quelli che sono gli aspetti fondamentali di una materia. Ciò che quindi verrà richiesto in
sede di esame finale sarà di dimostrare la propria attitudine al progetto: alla risoluzione, cioè, di un
particolare problema pratico. Ovviamente, non ci si allontanerà troppo da quelli che sono i circuiti
trattati, ma saranno valutate più positivamente le soluzioni originali che derivano da una attenta
comprensione degli argomenti studiati.
Il corso è stato diviso in 9 moduli, ognuno riguardante un aspetto specifico della preparazione.
La sua organizzazione prevede una attività distribuita su 12 settimane seguendo la scansione
delineata nel programma descritto più avanti.
Il materiale utile allo studio e disponibile in piattaforma comprende:
• video delle lezioni svolte alla lavagna e pensate per dare allo studente il tempo necessario
per prendere appunti e acquisire meglio le informazioni;
• dispense delle lezioni in cui sono riassunti i concetti fondamentali illustrati a lezione che il
discente potrà consultare per un rapido ripasso/studio degli argomenti;
• verifiche scritte con esercizi riguardanti gli argomenti di 1 o al massimo 2 lezioni
consecutive. Ogni verifica potrà essere spedita al docente perché provveda alla sua
correzione. Le verifiche, da considerare come test di autovalutazione, sono state pensate
come guida per una preparazione più consapevole degli argomenti.
Inoltre, ogni studente avrà la possibilità di accedere a un forum in cui potrà trovare commenti,
consigli e discussioni inerenti l'esame con argomenti proposti sia dal docente che dai discenti stessi.
Alla stessa stregua, per ogni periodo didattico è prevista l'istituzione di una classe virtuale in cui
ognuno potrà partecipare per fornire o usufruire del contributo di ciascuno come se si fosse presenti
in un ambiente di discussione libera (su argomenti, ovviamente, inerenti il corso).
Qui di seguito viene riportato un breve elenco di “consigli” che si ritengono utili per una
preparazione più serena, ma soprattutto consapevole, della disciplina.
Indicazioni sulla preparazione
Per una adeguata preparazione all'esame finale si consiglia di seguire i seguenti passi:
1. prima fase di studio:
visione dei video del particolare modulo. L'ordine dei video è stato scelto in modo che si
abbia una progressione nella preparazione;
2. seconda fase di studio (anche contemporaneamente alla precedente):
consultare gli appunti delle lezioni del modulo, indicati come file AppuntiModulo-x.pdf in
cui sono trattati gli argomenti salienti. A volte, il dettaglio dei calcoli è tralasciato e
lasciato per esercizio personale applicando quanto appreso al punto 1;
3. fase di verifica in itinere:
a) TEST:
svolgere gli esercizi e/o il questionario che consente l'accesso al modulo successivo (i
moduli sono stati pensati per essere svolti nell'ordine indicato e propedeutici uno
rispetto al prossimo). I test propri della piattaforma saranno svolti direttamente in rete.
Nel caso in cui la valutazione risulti sufficiente, come indicato sul test stesso, verrà
consentito l'accesso delle lezioni successive (1).
b) ESERCIZI PDF:
gli esercizi e/o questionari presenti come file pdf sono pensati come verifiche in
itinere (al pari dei test) e il loro svolgimento è spesso analogo a quello che si
affronterà in sede di esame finale. Quindi, sarà necessario scaricare il file .pdf
indicato, stamparlo e quindi svolgerlo a penna con grafia chiara. Il documento così
compilato (in ogni sua parte) dovrà essere acquisito mediante uno scanner o
fotografato e salvato in formato jpg o pdf. Il file così salvato potrà essere inviato al
docente come ALLEGATO A UN MESSAGGIO NELLA PIATTAFORMA. Il
docente provvederà alla sua correzione e all'invio del risultato.
4. Ricevimento e lezioni di approfondimento:
durante i periodi didattici indicati sul sito www.unicusano.it il docente sarà
disponibile per spiegazioni e/o approfondimenti seguendo l'orario pubblicato sul sito
suddetto (vedi dopo). Tuttavia, per quanti siano impossibilitati, per motivi sia
familiari che di lavoro, a usufruire di questo servizio in diretta tramite la piattaforma
della Unicusano, il docente potrà essere contattato tramite messaggio come previsto
dalla piattaforma stessa.
5. Prova d'esame:
In linea di massima, il superamento dell'esame prevede una prova scritta in cui
devono essere svolti degli esercizi di analisi o di progetto. È comunque benvenuta una
eventuale prova orale, anche in teleconferenza, utile ad aggiustare il voto finale. Per
gli esami presso la sede di Roma, la modalità è preferibilmente orale. Al voto finale,
se necessario, potrà contribuire anche la valutazione conseguita col lavoro in itinere
descritto al punto 3).
Propedeuticità
Non vi sono esami propedeutici alla preparazione del corso di Elettronica II. Tuttavia, è necessario
che lo studente che si avvicina alla preparazione di questa materia abbia una buona padronanza di
alcuni argomenti di elettronica e elettrotecnica trattati tipicamente nei corsi di laurea di primo
livello, con indirizzo elettronico e industriale e che si riducono essenzialmente a:
-
Elettrologia e teoria delle reti.
Caratteristiche di componenti lineari: resistori, condensatori e induttori.
Caratteristiche di componenti non lineari: diodo e transistor (MOS e BJT).
Amplificatori basati su transistor: caratteristiche di linearità e di risposta in frequenza.
Ricevimento studenti
Consultare il calendario alla pagina seguente del nostro sito verificando gli orari di Videoconferenza
http://www.unicusano.it/calendario-lezioni-in-presenza/calendario-area-ingegneristica
1 Attualmente questa modalità è disabilitata e l'accesso ai moduli è libero.
Orario delle lezioni
Consultare il calendario alla pagina seguente del nostro sito verificando gli orari di Lezione
http://www.unicusano.it/calendario-lezioni-in-presenza/calendario-area-ingegneristica
Date degli appelli
Consultare il calendario alla pagina http://www.unicusano.it/date-appelli/appelli-ingegneria per gli
appelli nella sede di Roma, e alla pagina http://www.unicusano.it/date-appelli/appelli-sedi-esterne
per gli appelli nelle sedi esterne.
Programma del corso
RICHIAMI DI TEORIA DEI CIRCUITI (Settimana 1; Modulo 1; Verifica 1-1)
Legge di Ohm, potenza nei bipoli, principi di Kirchhoff, teorema di Thevenin, cenno al
teorema di Norton, partitori di tensione e di corrente, sovrapposizione degli effetti, potenza
dissipata o erogata da un bipolo.
MODELLO PER L'AMPLIFICATORE OPERAZIONALE IDEALE (Settimana 2;
Modulo 2; Test di autovalutazione 2-1 e 2-2, Verifica 2-1)
Modello equivalente di trasferimento ingresso-uscita, resistenza di ingresso e di uscita,
amplificazione, tensione di offset.
APPLICAZIONI LINEARI DELL'APLIFICATORE OPERAZIONALE (Settimana 3;
Modulo 3; Verifiche da 3-1 a 3-9)
Amplificatore non-invertente, inseguitore di tensione, amplificatore invertente, addizione e
sottrazione di segnali, amplificatore con rete resistiva di reazione complessa, convertitore
corrente-tensione, convertitore di resistenza negativa integratore e derivatore, amplificatore
per strumentazione.
FILTRI ATTIVI BASATI SU OP-AMP (Settimane 4,5; Modulo 4; Verifiche da 4-1 a 4-15)
Filtri attivi del primo ordine, applicazioni audio, risposte standard dei filtri del secondo
ordine, filtri a reazione multipla, filtri alla Sallen-Key, filtri a variabili di stato e biquadratici,
progetto di filtri di ordine superiore, filtri a capacità commutate, filtri integrati monolitici.
LA REAZIONE NEGATIVA E IL PROBLEMA DELLA STABILITÀ (Settimana 6;
Modulo 5; Verifiche da 5-1 a 5-6)
Diagrammi a blocchi e loro manipolazione, risposta in frequenza dell'op-amp, analisi di Bode,
margine di guadagno e margine di fase, corrispondenza nella risposta nel tempo (peaking e
ringing), compensazione interna ed esterna.
APPLICAZIONI NON LINEARI (Settimane 7,8; Modulo 6; Verifiche da 6-1 a 6-8)
Comparatori di tensione integrati, comparatore a trigger di Schmitt, rettificatori di precisione,
cenni ai rivelatori di picco, amplificatori sample-and-hold, amplificatore logaritmico e
antilogaritmico, moltiplicatori analogici.
GENERATORI DI SEGNALE (Settimana 9; Modulo 7; Verifiche da 7-1 a 7-4)
Generatori sinusoidali, multivibratori, timer monolitici, oscillatori controllati in tensione,
convertitori tensione-frequenza e frequenza-tensione.
I LIMITI DELL'OP-AMP REALE (Settimana 10; Modulo 8; Verifiche da 8-1 a 8-2)
Correnti d'ingresso di bias e di offset, influenza delle correnti di ingresso negli amplificatori e
nell'integratore, soluzioni di op-amp a bassa corrente d'ingresso, correnti di perdita e anello di
guardia, tensione di offset, dipendenza dalla temperatura, CMRR, PSRR, tecniche di
annullamento della tensione di offset, absolute maximum ratings, limiti per la tensione
d'ingresso, limiti per la tensione d'uscita, overload e limitazione della corrente d'uscita.
CONVERSIONE A/D E D/A (Settimana 11; Modulo 9; Verifiche da 9-1 a 9-3)
Caratteristica degli ADC e dei DAC, tecniche di conversione analogico-digitale e digitaleanalogico, concetto di sovracampionamento, modulatori e convertitori ΣΔ.
APPROFONDIMENTI E ESERCIZI D'ESAME (Settimana 12; Modulo “Lezioni di
approfondimento” e “Esercizi”)
Si consiglia di sfruttare l'ultima settimana come periodo di approfondimento e applicazione
dei concetti appresi con risoluzione autonoma degli esercizi proposti e di cui è fornita la
soluzione.
Riferimenti bibliografici
1. Dispense del docente.
2. Sergio Franco, “Design with operational Amplifiers and integrated analog citrcuits”, 3 a edizione,
Mc Graw Hill, 2002
Obiettivi formativi:
Il corso intende fornire gli strumenti utili alla progettazione di sistemi elettronici analogici. Esso
completa la formazione di base dello studente nel campo dell’elettronica analogica approfondendo
gli aspetti più vicini alla progettazione. A tal fine vengono presentate le principali applicazioni degli
amplificatori operazionali e circuiti integrati analogici fornendo una certa competenza sugli
argomenti. Particolare attenzione verrà data ai concetti di retroazione e stabilità di fondamentale
importanza nella sintesi degli amplificatori e degli oscillatori. Infine non sono trascurate le
applicazioni non lineari ampiamente impiegate nel campo della strumentazione.
Risultati di apprendimento attesi:
Conoscenza di soluzioni circuitali sia elementari che avanzate e basate su dispositivi analogici di
tipo standard. Competenza nell'analisi dei circuiti anche complessi con metodi più prossimi al
progettista con un approccio più pratico ma comunque rigoroso. Capacità di progettare soluzioni
circuitali più o meno complesse in base a specifiche e requisiti prefissati.
Programma ridotto:
Gli studenti che, a seguito dell’avvenuto riconoscimento di un esame affine, sostenuto in una
precedente carriera accademica, devono sostenere l’esame di Elettronica II sono invitati a contattare
il docente inviando il programma dell’esame già sostenuto. In tal modo, potranno essere definiti i
moduli da assegnare per il sostenimento dell'esame in forma ridotta (e non da 9 c.f.u.).
Modalità d’esame e di valutazione
L'esame fuori sede scritto è composto da esercizi di analisi e/o progettazione. A seconda della
natura degli esercizi, potrebbero essere presenti anche domande di teoria. Il tempo a disposizione
per la prova è di 90 minuti e lo svolgimento deve rigorosamente attenersi ai quesiti proposti.
L’esame si supera con un minimo di 18 punti. Chiarezza espositiva, sia dal punto di vista grafico
che di metodologia, nonché la presenza di commenti che giustifichino i passaggi svolti e rendano
più chiara la lettura, saranno ritenuti elementi utili per la valutazione della prova. Se il giudizio della
prova è ritenuto almeno sufficiente (punteggio almeno pari a 18) si potrà usufruire di una eventuale
integrazione tenendo conto del punteggio acquisito durante le prove intermedie. È consentito l'uso
del materiale cartaceo del corso (dispense ed esercizi) e della calcolatrice scientifica (anche
programmabile). È naturalmente proibito l'uso di supporti informatici: computer, tablet,
cellulare o smartphone, o qualunque strumento che consenta la connessione su rete internet
Coloro che intendono sostenere l'esame presso la sede di Roma possono scegliere se sostenere
l'esame scritto, con modalità identiche a quelle previste per i poli esterni, o l'esame orale con il
docente e la commissione, durante il quale verrà comunque richiesto anche lo svolgimento di
esercizi numerici. Si noti che, qualora lo studente non esprima la propria preferenza per una delle
due modalità d'esame (orale o scritto) con congruo anticipo (almeno una settimana prima della data
d'esame), la modalità d'esame presso la sede di Roma sarà quella orale.
Stefano Salvatori, PhD
Dati Personali
Nome Stefano Salvatori
nato Italia, Roma, 9 ottobre 1965
e-mail [email protected]
nick salvatori.stefano
Posizione attuale
Professore Associato (SSD ING-INF/01, elettronica) presso l'Università
degli Studi “Niccolò Cusano” di Roma, Via Don Gnocchi 3, 00166 – Roma
corso di Elettronica II (Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica, LM29).
Curriculum Professionale
dal 5/2014
Professore Universitario di seconda fascia (Associato) (Abilitazione
Scientifica Nazionale alle funzioni di professore universitario di II fascia dal 4
febbraio 2014)
2000 al 5/2014
Docente di ruolo di Elettronica (abilitazione all'insegnamento dal 2000,
classe di concorso A034-Elettronica)
Curriculum degli Studi
5/1998
Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettronica (X ciclo), presso il
Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università degli Studi Roma TRE,
svolto per l'intero triennio (1 novembre 1994 - 31 ottobre 1997), con tesi su
"Fotorivelatori per ultravioletto basati su film sottili diamante depositati su
silicio", sotto la guida del Prof. F. Galluzzi, (titolo conferito in data 28 maggio
1998)
4/1992
Laurea in Ingegneria Elettronica conseguita presso l'Università degli Studi
di Roma "La Sapienza", il 09 aprile 1992
Maturità Scientifica (Sperimentale) conseguita presso il XXIV Liceo Statale
di Roma
Borse di Studio e stage all'estero
1998
Borsa di studio post-dottorato INFM (dal 1/1/1998 al 31/12/1998), sul tema:
"Effetti di difetti ed impurezze sulle proprietà optoelettroniche di film di diamante"
1997
Université Paris-Nord, Laboratoire de Physique del Lasers , su risposta
fotoelettrica di rivelatori di diamante a eccitazione laser impulsata nel VUV
1993-1994
Borsa di studio CNR post-laurea, prog. Materiali speciali per tecnologie
avanzate, "Deposizione di film di diamante o simili al diamante per applicazioni
biomediche"
1992
Renssellear Polytechnic Institute, Troy (New York), presso il Prof. P. Das sulla
modellistica dell'interazione acusto-elettrica in dispositivi SAW
Attività Didattica presso l'Università
A.A. 2014/2015
corso di Elettronica II - Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica – Università
degli Studi “Niccolò Cusano“ - Roma
A.A. 2013/2014
corso di Microelettronica - Laurea (triennale) in Ingegneria Elettronica - Facoltà
di Ingegneria dell’Univ. Roma Tre;
corso di Elettronica dei Sistemi Programmabili - Laurea Magistrale in
Ingegneria Elettronica per l’Industria e l’Innovazione e in Ingegneria delle
Tecnologie della Comunicazione e dell'Informazione - Facoltà di Ingegneria
dell’Univ. Roma Tre
A.A. 2012/2013
A.A. 2011/2012
corso di Microelettronica - Laurea (triennale) in Ingegneria Elettronica - Facoltà
di Ingegneria dell’Univ. Roma Tre;
corso di Progettazione Analogica e Digitale - Laurea Magistrale in Ingegneria
Elettronica per l’Industria e l’Innovazione - Facoltà di Ingegneria dell’Univ. Roma
Tre
A.A. 2010/2011
corso di Microprocessori e microcontrollori - Laurea Magistrale in Ingegneria
Elettronica per l’Industria e l’Innovazione - Facoltà di Ingegneria dell’Univ. Roma
Tre;
corso di Progettazione Analogica e Digitale - Laurea Magistrale in Ingegneria
Elettronica per l’Industria e l’Innovazione - Facoltà di Ingegneria dell’Univ. Roma
Tre
A.A. 2009/2010
A.A. 2008/2009
corso di Progettazione Analogica e Digitale - Laurea Magistrale in Ingegneria
Elettronica per l’Industria e l’Innovazione, Ingegneria per l’Elettronica di Potenza
e Ingegneria Biomedica - Facoltà di Ingegneria dell’Univ. Roma Tre;
corso di Elettronica III - Laurea (triennale) in Ingegneria Elettronica - Facoltà di
Ingegneria dell’Univ. Roma Tre
dal 2006 al 2008 ha curato e tenuto l’attività di laboratorio per il corso Laboratorio di Ottica, per
la laurea triennale del corso di studi in Ottica e Optometria presso la facoltà di
Fisica dell’Univ. Roma Tre
dal 2003 al 2007 ha curato e tenuto le esercitazioni teorico-pratiche di laboratorio per il corso di
Elettronica II, per la laurea triennale del corso di studi in Ingegneria elettronica
dell’Univ. Roma Tre
dal 2001 al 2004 ha curato e tenuto in parte il secondo modulo del corso di Tecnologie e
materiali per l’elettronica incentrato sulla metodologia di progettazione di
circuiti integrati dedicati (ASIC)
A.A. 1999/2000
A.A. 2000/2001
A.A. 1998/1999
l'Università degli Studi di Roma TRE gli ha affidato lo svolgimento di lezioni e
attività relative al Laboratorio di Tecnologie Elettroniche, per gli studenti del III
anno del Diploma Universitario in Ingegneria Elettronica durante gli anni
accademici 1999/2000 e 2000/2001.
dichiarato dal Consiglio di Corso di Studio in Ingegneria Elettronica cultore delle
materie: "Dispositivi elettronici" e "Tecnologie e materiali per l'Elettronica", ha
condotto le esercitazioni sia teoriche che di laboratorio per gli studenti
frequentanti i corsi menzionati presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica,
Univ. Roma Tre
Attività Scientifica
dal 2000 ad oggi
Progettazione, realizzazione e collaudo dell'elettronica di front-end ed
elaborazione per il condizionamento e l’acquisizione dei deboli segnali dei
rivelatori in diamante (a pixel singolo o ad array). In particolare, Stefano Salvatori
ha progettato, realizzato e collaudato schede di acquisizione dedicate per
rivelatori a 64 pixel (matrici 8x8) a bassissimo rumore con risoluzione superiore a
16 bit e data-rate fino a 3 kSPS. Tale attività deriva anche dalla collaborazione
con la sezione di Medicina Nucleare dell’Istituto Superiore di Sanità (Roma) oggi
in atto per lo sviluppo di una elettronica di front-end per trattamento di segnali
provenienti da camere a ionizzazione a microstrip su cui incide un fascio di
sezione millimetrica di protoni emessi da apparato TOP LINAC.
dal 1994 al 2000 studio di fattibilità di rivelatori e dosimetri per radiazione UV-X, nonché
fortemente ionizzate, basati su diamante. Oltre ad attività sperimentali di
caratterizzazione del materiale (spettroscopia Raman, fotoluminescenza e
fotoconducibilità spettrali) e delle proprietà elettriche sia dei contatti che dei film,
il lavoro principale è indirizzato verso la progettazione e realizzazione di rivelatori
ottimizzati
dal 1993 al 1994 attività di ricerca, presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università
degli Studi Roma Tre, concentrata prima sui metodi di deposizione di film di
diamante policristallino mediante tecniche CVD ("Hot Filament" e "Plasma
Assisted"), poi rivolta all’analisi delle proprietà ottiche e di trasporto elettrico dei
depositi in diamante
dal 1992 al 1993 dopo la laurea, presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università
degli Studi “La Sapienza” di Roma, ha continuato a svolgere attività sperimentale
per l’analisi delle proprietà elettriche e optoelettroniche di film di a-Si:H (silicio
amorfo idrogenato) utili all'ottimizzazione delle celle solari a film sottile
Pubblicazioni
10/2011
S. Salvatori, “Introduzione alla progettazione con gli LPC2000”, ISBN 978-88548-4342-4, ed. Aracne, 2011
l’ing. Salvatori, ad oggi, è coautore di oltre 80 articoli pubblicati su riviste
internazionali, in oltre la metà delle quali è il principale autore
Roma, lì maggio 2015
Stefano Salvatori