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: ggiusi@unime.it tel: 090-397-7560 (7381)

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).

Informazioni sul corso

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 : slides delle lezioni disponibili su

www.ginogiusi.com

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).

EsempioEsempio:: l’amplificatorel’amplificatore audioaudioMicrofono: 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).

EsempioEsempio:: sistemisistemi didi telecomunicazionitelecomunicazioni

L’Elettronica

Scienza dei sistemi hardware dedicati a elaborare l’informazione contenuta in

grandezze fisiche (tensioni/correnti elettriche, campi elettromagnetici).

EsempioEsempio:: computercomputer

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.

trasformatoricondensatoribatteriebatterie

motoriinduttori

resistori

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.

L’Elettronica

tubi a vuoto diodi

I componenti attivi (e quindi i circuiti elettronici) consentono di elaborare

l’informazione immagazzinata nei segnali elettrici.

circuiti integratitransistors

L’elettronica è parte fondamentale della nostra società

L’Elettronica

Branche dell’Elettronica

analogica �������� digitale

bassa frequenza �������� alta frequenzabassa frequenza �������� alta frequenza

bassa potenza �������� alta potenza

discreta �������� integrata

L’Elettronica Analogica

In elettronica analogica l’informazione può assumere una numero infinito di

valori.

Esempio: l’amplificatore audio

L’Elettronica Digitale

segnale elettrico digitale

In elettronica digitale l’informazione può assumere solo un numero finito di

valori.

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 20 Hz - 20 KHz

Alte Frequenze

Radio FM 88 - 108 MHz

Televisione 54 - 216 MHz

Comunicazioni navali e governative. 216 - 450 MHz

Telefoni cellulari e wireless 1710 - 2690 MHz

TV via satellite 3.7 - 4.2 GHz

Dispositivi Wireless 5.0 - 5.5 GHz

L’Elettronica di potenzaalimentatore

carica batterie

UPS

macchine elettriche

amlificatore audio di potenza

L’’’’inizio dell’’’’era dell’’’’elettronica moderna

• componente fondamentale di qualunque

apparecchiatura elettronica

Il transistor

• 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

terminale di

controllo

terminale B

corrente A --> B

Transistor = Transfer Resistor (resistenza di trasferimento)

la tensione (corrente) al terminale di

controllo determina la conducibilità

(corrente) tra i terminali A e B.

terminale A

funzioni principali:

� 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 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.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

Le innovazioni produttive consentono la

riduzione della dimensione caratteristica

1958: Kilby e Noice sviluppato

il primo circuito integrato

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) 100-104Large Scale Integration (LSI) 100-10

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 statosolido.

1895 Marconi effettua le primetrasmissioni via radio

1904 Fleming inventa il diodo a vuoto

1906 DeForest inventa il triodo a vuoto

1907-27 Primi circuiti radio sviluppati condiodi e triodi.

1925 primo prototipo di TV

1958 Kilby e Noyce sviluppano i circuitiintegrati

1961 Primo circuito integratocommercializzato dalla FairchildSemiconductor

1968 Primo amplificatore operazionaleintegrato

1970 Cella DRAM a un transistore inventata daDennard alla IBM.

1925 primo prototipo di TV

1925 Lilienfeld brevetta il dispositivo adeffetto di campo

1947 Bardeen e Brattain ai Laboratori Bellinventano il transistore bipolare.

1952 Texas Instruments inizia laproduzione commerciale di transistoribipolari.

1956 Bardeen, Brattain, e Shockleyricevono il premio Nobel.

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 1Megabit.

1995 Chip di memoria da 1 gigabit presentato

alla IEEE International Solid-State

CircuitsConference (IEEE ISSCC)

2000 Alferov, Kilby, e Kromer vincono ilpremio Nobel

Il mercato dell’elettronica

l’elettronica rappresenta il 10% (4 trilioni di dollari) del prodotto

interno lordo mondiale (PIL).

analogica �������� digitale

bassa frequenza �������� alta frequenza

Contenuti del corso

bassa frequenza �������� alta frequenza

bassa potenza �������� alta potenza

discreta �������� 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 ElettroniciParte 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