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Corso di Fondamenti di ElettronicaCorso di laurea in Ingegneria Informatica

A.A. 2018/19Prof. M. Mosca

Prova in itinere (22/11/2018)Durata massima della prova: 2h30min

Candidato: Cognome .............................................Nome ............................................. Matricola .............................................Mail .............................................

(indicare i propri dati in MAIUSCOLO E A STAMPATELLO)___________________________________________________________________________

Londra. Una radiosa giornata di novembre si prospetta per l’ispettore capo di Scotland Yard: la nebbia è più fitta del solito, il traffico è impazzito, piove ininterrottamente da cinque giorni, così tanto che anche i pesci stanno affogando nel Tamigi. E, come se non bastasse, ci si mette pure quel rompiscatole d’irlandese, Scass O’ Tutt, noto alle polizie di tutto il mondo per essere il leader del P.A.P.E.R.I.N.O. (Partito Ambientalista Particolarmente Estremista Riguardo Inquinamento, Natura e Oceani) e per avere fatto fesse le medesime più volte.

Il buon irlandese, celebre per le sue battaglie ecologiste, ha dichiarato guerra all’ultimo progetto del governo inglese: la bonifica del Tamigi. Sembra infatti che il risanamento del fiume porterebbe all’estinzione del Piscis Fitusus Nauseabondus, ossia di una specie ittica (simile ad un incrocio tra un pesce, un maiale ed uno scarafaggio) che si nutre degli scarichi fognari che si gettano nel fiume.

Intrufolatosi nottetempo nel cantiere di bonifica, il nostro eroe, per sabotare la pompa di prosciugamento ha bisogno di conoscere la velocità di rotazione del motore.

Sull'asse del motore elettrico è montato un dispositivo (encoder) che genera 10 impulsi elettrici al giro. Si deve realizzare un sistema che permetta di visualizzare su un display digitale il valore della velocità del motore in giri/secondo.

Inoltre, se la velocità dell'asse supera i 100 giri/secondo deve essere generato un segnale TTL-compatibile che ferma il motore facendo scattare un interruttore sul suo circuito di alimentazione.

Si richiede lo schema a blocchi dell'apparecchiatura, il progetto di ogni singolo blocco, la relazione tecnica ed eventuali note per la messa a punto.



ESAME DI FONDAMENTI DI ELETTRONICA(31/01/2019)

Durata massima della prova: 4h00min


Prova n. 1 (max 6 punti)

Quale operazione realizza il circuito sotto in figura? Se ne spieghi in dettaglio il suo funzionamento.

Variabili utili: R, R1, R2, Rn, vs1, vs2, vsn, vo

Equazioni predefinite:

i=❑❑

❑❑+❑❑

❑❑+… ❑❑

❑❑ , ❑❑=(❑❑

❑❑+

❑❑

❑❑+… ❑❑

❑❑) , ❑❑=−∑

i=1

n

❑❑

vsn

vs2

vs1

G D

SS

gmvgs

RG

RS

RD

vi

+VDD

+VGG

vo


Si dimensionino le resistenze dell’amplificatore in figura, in modo che la corrente di drain a riposo sia pari a ID = 2 mA, che la resistenza d’ingresso dell’amplificatore sia uguale a Ri = 500 k e che il modulo dell’amplificazione di tensione sia |Av| = 10. Per il MOSFET si abbia: K = 2 mA/V2 e Vt = 2 V.

Si consideri, infine, che la reattanza dei condensatori sia uguale a zero alla frequenza di funzionamento del circuito.

Variabili utili: ID, VDS, VGS, VDD, VGG, vi, vo, Av, K, RS, RD, RG

Formule utili: I D=K (V GS−V t )2, gm=2 K (V GS−V t ) , VGS ≥ Vt (accensione), VDS ≥ VGS – Vt (in pinch-off)

Equazioni predefinite: I D=(❑❑−❑❑)❑ , V GS=❑❑±√❑❑

❑ , gm=(❑❑−❑❑) ,

RD=|❑❑|❑❑

, RS=❑❑−❑❑

❑❑ , V DS=❑❑−❑❑ ∙❑❑−❑❑ ∙❑❑

Simboli circuitali utili:

VDD = 12 V

VGG = 4 VCi

Co

CS

vi

+ + VGG vo

RS

+ VDD

RD

RG

Prova n. 3 (max 8 punti):

Un nastro trasportatore, la cui velocità di avanzamento è pari a 10 cm/s, trasporta due tipi di oggetti; questi hanno forma di parallelepipedo, medesima altezza e lunghezza rispettivamente di 5 cm, oppure di 15 cm, così come riportato in figura.

Una fotocellula, costituita da un LED e da un fototransistor, permette di stabilire quando uno degli oggetti arriva alla fine del nastro trasportatore: non appena l’oggetto si frappone tra il LED e il fototransistor, il segnale generato dal fototransistor è nullo, altrimenti questi fornisce una corrente costante, pari a 1 mA.

Si richiede di progettare un sistema elettronico che permetta di contare SOLTANTO i pezzi più lunghi (cioè quelli da 15 cm) e di visualizzarli su un display a sette segmenti. Per semplicità si supponga che il numero massimo di pezzi da contare sia pari a 9, pertanto si utilizzi un unico display.

Uno schema a blocchi di massima è riportato sotto in figura. Lo studente può liberamente progettare i circuiti dei singoli blocchi, oppure fornire uno schema a blocchi (e circuitale) alternativo. In ogni caso è sempre richiesta la relazione tecnica.

Si noti che scegliendo una finestra temporale avente un tempo intermedio tra 0,5 s e 1,5 s, nel caso in cui il pezzo sul nastro sia da 15 cm, esisterà un breve intervallo di tempo in cui i due segnali S1 e S2 saranno entrambi a livello basso. Questa considerazione può essere utile nella progettazione dei blocchi “finestra temporale” e “confronto”.

Per il progetto dei circuiti si considerino i datasheet riportati di seguito. Come porte logiche e flip-flop si utilizzino dei dispositivi generici (senza indicarne, cioè, la sigla corrispondente). Anche nel caso in cui fosse necessario utilizzare un circuito integrato non riportato nei datasheet, si utilizzi un dispositivo generico, specificandone la funzione, nonché le linee d’ingresso, d’uscita e – se necessario – di controllo.

S2

S1finestra

temporale(? secondi)

L

LS2 t0,5 s1,5 s

S1 t? s

Variabili utili: Iphototransistor, R


Datasheet utili:


A cosa serve il circuito riprodotto sotto in figura? Se ne descriva in dettaglio il funzionamento.

Variabili utili: SOC, Va, V a'

Prova n. 5 (max 2 punti, un punto ogni due circuiti corretti):

Nei circuiti riportati in figura si stabilisca se i diodi siano in conduzione (ON) o in interdizione (OFF). I diodi si suppongano ideali con tensione di soglia V = 0,6 V.

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

D1 OFF, D2 OFF

D1 OFF, D2 ON

D1 ON, D2 OFF

D1 ON, D2 ON



ESAME DI FONDAMENTI DI ELETTRONICA(13/02/2019)

Durata massima della prova: 4h00min



Il circuito riprodotto in figura è un amplificatore. Se ne spieghi in dettaglio il suo funzionamento, calcolando l’amplificazione di tensione Af, la resistenza d’ingresso Ri e quella d’uscita Ro.

Variabili utili: R1, R2, Ri, Ro, ri, ro, vi, vs, vi, v1, v2, isc, Af, AOL

Equazioni predefinite:

A f=v o

v s=

−❑❑

❑❑=

−❑❑

❑❑ , {vo=❑❑

vs=❑❑ , Ri=¿ , vo=

−❑❑

❑❑❑❑ ,

isc=❑❑−❑❑=❑❑

❑❑+❑❑−❑❑

❑❑

❑❑≈−❑❑

❑❑

❑❑=

−❑❑

❑❑❑❑

❑❑

❑❑+❑❑ ,

Ro=❑❑

❑❑=(−❑❑

❑❑❑❑) ⋅( −❑❑

❑❑❑❑

❑❑+❑❑

❑❑)=❑❑

❑❑(1+

❑❑

❑❑) ,

Ro=❑❑❑❑

❑❑

Figure utili:


L’interruttore I del circuito in figura controlla l’accensione e lo spegnimento del display a sette segmenti. Esso è costituito da una schiera di sette diodi LED, aventi il terminale di catodo in comune (CC) connesso al collettore del BJT. Dopo aver illustrato le modalità di funzionamento del circuito, si dimensionino le resistenze R e RB del circuito nell’ipotesi che sul display – se acceso – venga rappresentata la cifra “8” (cioè tutti i LED accesi). Si assuma una corrente di 10 mA in ciascun LED (ILED) ed una corrispondente tensione di soglia (VLED) pari a 1,5 V. Il guadagno del transistor sia pari a 100.

Di seguito sono riportati alcuni maximum ratings (valori limite delle condizioni alle quali un dispositivo può operare) estratti dai datasheet di cinque transistor disponibili in commercio (2N3904, BF420, BF422, 2N2222, 2N2222A). Quali scegliereste o quali escludereste per realizzare il circuito relativo all’esercizio precedente? Si motivi la scelta effettuata.

I

R

R

R

R

RR

RB

R+ VCC

VCC = 5 V

ILED = 10 mAVLED = 1,5 V

= 100

|V

2N3904

BF420-BF422

2N2222-2N2222A

Variabili utili: IC(sat), IB, IB(EOS), VCE(sat), VBE(sat), ILED, VLED, VCC, , R, RB

Equazioni predefinite: V CE (sat)=❑❑−❑❑❑❑−❑❑ , RC=

❑❑−❑❑−❑❑

❑❑ , I B (EOS)=

❑❑

❑ ,

V BE (sat)=❑❑−❑❑❑❑ , RB=❑❑−❑❑

❑❑


Si progetti un sistema elettronico che permetta di aprire una cassaforte dopo aver digitato correttamente il codice di due cifre decimali (in effetti non è una cassaforte troppo sicura...) su un tastierino numerico che riporta le cifre da 0 a 9. Una volta introdotto il codice, è necessario pigiare un tasto ENTER per richiedere l’apertura della cassaforte. Il codice di apertura (fissato dal costruttore e non modificabile) è 81.

Se il codice digitato è corretto, il sistema deve generare un livello alto TTL-compatibile che provvede ad abilitare il meccanismo di apertura della cassaforte. Se il codice digitato è errato, il sistema deve abilitare una sirena di allarme. Tale sirena, alimentata a 12 V, è provvista di un piedino di abilitazione che in stand-by viene mantenuto costantemente a 12 V anch’esso; se tale piedino viene portato a 0 V, oppure viene staccato, la sirena inizia a suonare. Come circuito di pilotaggio della sirena può utilizzarsi un BJT che commuti dallo stato di interdizione (sirena spenta) a quello di saturazione (sirena attiva). Come corrente di saturazione si consideri un valore di ICC(sat) = 12 mA e una tensione collettore-emettitore VCE(sat)

= 0. Sia inoltre = 100.Uno schema a blocchi di massima è riportato sotto in figura. Si noti che il segnale “EN

MEM BLOCK” provvede ad abilitare di volta in volta uno dei due blocchi da 4 bit di cui è composta la memoria a 8 bit, necessari per memorizzare i valori delle due cifre del codice digitato. Per realizzare ciò può essere conveniente utilizzare il demultiplexer integrato 74FST3257 riportato sotto nei datasheet, altrimenti si può ricorrere ad una semplice rete logica. Lo studente può liberamente progettare i circuiti dei singoli blocchi, oppure fornire uno schema a blocchi (e circuitale) alternativo. In ogni caso è sempre richiesta la relazione tecnica. Si richiede altresì di progettare i valori delle due resistenze RB e RC, rispettivamente sulla base e sul collettore del BJT.

Per il progetto dei circuiti si considerino i datasheet riportati di seguito. Come porte logiche e flip-flop si utilizzino dei dispositivi generici (senza indicare, cioè, la sigla corrispondente). Anche nel caso in cui fosse necessario utilizzare un dispositivo o un circuito integrato non riportato nei datasheet, si utilizzi un dispositivo generico, specificandone la funzione, nonché le linee d’ingresso, d’uscita e – se necessario – di controllo.

Variabili utili: RB, RC, IC(sat), IB, IB(EOS), VCE(sat), VBE(sat), VCC, V OUT (H), V OUT (L), , EN C, EN MEM BLOCK, OUT, OUT

Equazioni predefinite: V CE (sat)=❑❑−❑❑❑❑ , RC=❑❑−❑❑

❑❑ , I B (EOS)=

❑❑

❑ ,

V BE (sat)=❑❑−❑❑❑❑ , RB=❑❑−❑❑

❑❑


Datasheet utili:


Si descriva il principio di funzionamento fisico di un fotodiodo al silicio, descrivendo il processo di generazione e separazione delle coppie elettrone-lacuna in seguito all’irradiazione luminosa di lunghezza d’onda opportuna.

Si risponda inoltre in maniera esaustiva alle seguenti domande:- A cosa è dovuto il fenomeno della dark current? - Cosa è la responsivity di un fotodiodo?- Quali sono le principali differenze tra un fotodiodo ed una fotoresistenza?

Figure utili:


Tra i circuiti riportati di seguito in figura, solo uno è correttamente funzionante e può funzionare da amplificatore.

Si individui tale circuito e si spieghi il motivo per il quale esso è polarizzato correttamente, mentre gli altri non possono funzionare. Si dia una breve spiegazione qualitativa ma chiara ed esauriente.

Variabili utili: VGS, VDS, Vt, VDD, ID, RG, RD, RS

a

– VGG

RG

RS

+ VDD

RD

b

RG

+ VDD

RD

c

RG

+ VDD

RD

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