HENRicevimento: Giovedi’ 16:15 – 18:15

HERE Dip. di Elettronica, Informazione e BioingegneriaEd. 24, Via Golgi 40

Andrea.Castoldi@polimi.itSubject: Fondamenti di Elettronica 02 2399 6321

HODocente: Andrea CASTOLDIEsercitatore: Pietro KING

ORARIO DELLE LEZIONI

Giorno Ora Aula

Lunedi' 14:15 - 17:15 3 ore 4.0.1 (ex I.0.1)

Martedi’ 10:15 - 12:15 2 ore N.0.1

Mercoledi’(*) 10:15 - 13:15 3 ore 5.1.1 (ex C.1.1)

lezioni/esercitazioni

(*) 7/12 esercitazioni

ORARIO DELLE LEZIONI

Giorno Ora Aule (3 sq.)

Mer 27 marzoGio 28 marzo(simulaz SPICE/realizz. circuiti RC /CMOS)

16:15 - 19:1515:15 - 18:15

G.0.2G.0.1 –G.0.2

Mer 8 maggioGio 9 maggio(simulaz., realizz., test circuito digitale)

16:15 - 19:1515:15 - 18:15

G.0.2G.0.1 –G.0.2

Mer 30 maggio(simulaz., realizz., test circuito analogico)

16:15 - 19:15 G.0.1 –G.0.2

3 laboratori sperimentali

LIBRI DI RIFERIMENTO E PAGINA WEB

Sedra/Smith Microelectronics Circuit >=5th

edition, Oxford University press

Richard C. Jaeger, Microelettronica, McGraw-Hill 2017

http://home.deib.polimi.it/castoldi/fde

MODALITA’ D’ESAME

L'esame consta di una prova scritta che verte su tutto il programma del corso.

Non sono previste prove in itinere a meta’/fine corso

In generale le domande possono richiedere la risoluzione di problemi/circuiti specifici oppure possono anche essere domande di carattere teorico.

- Tipicamente 2 o 3 circuiti diversi, ciascuno con 3-4 domande, per un totale di 8-12 esercizi. Il sito web del corso riporta numerosi esempi di temi d’esame risolti

- Possono essere introdotti esercizi «zero» o «obbligatori» che, se non risolti correttamente, non consentono il superamento della prova:

*potrebbe essere un esercizio di base, con un blocco di domande;*oppure, all'interno dei 2-3 blocchi di esercizi del tema d'esame, alcune domande in ciascun blocco sono richieste come obbligatorie (le domande piu' di base).

MODALITA’ D’ESAME -esempi

caso 10 esercizi totali:5 esercizi  @100%: 18/3010 esercizi  @100%: 33/30

mediamente:3/30 per esercizio

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

# esercizi (risolti al 100%)

voto

in 3

0mi

12 punti (4 es.)

9 punti (3 es.)

9 punti (3 es.)

MODALITA’ D’ESAME - esempi

uso (talvolta) di domande obbligatorie:

MODALITA’ D’ESAME

E' bene ricordarvi che:

la prova scritta d'esame non puo' essere sostenuta con profitto senza una fase adeguata di assimilazione dei concetti e della loro applicazione prima si studia sui testi di riferimento/appunti poi si fanno esercizi sull’argomento studiato (pochi esercizi fatti bene,

senza guardare la soluzione !) solo alla fine si provano i temi d’esame

(e’ il metodo piu’ veloce !!!)

bisogna essere in grado di autovalutare la propria prova e si chiede di consegnarla per la correzione solo se si ritiene possibile un esito sufficiente

il docente e' sempre disponibile sia nelle ore di ricevimento sia durante l'esame per qualunque spiegazione o dubbio.

AVVERTENZE GENERALI PER LE PROVE SCRITTE

‐ si prega di portare fogli protocollo per lo svolgimento della prova e una tessera identificativa.

‐ indicare nome, cognome, matricola, firmare e numerare i fogli (n.parziale/n.totale)

‐ la leggibilita' e l'uso di commenti che spiegano chiaramente i passaggi intermedisignificativi sono elementi di giudizio essenziali (!) per valutare ogni risposta.in loro mancanza viene applicata una forte penalizzazione, anche se la risposta e'numericamente corretta.

in particolare: ‐ spiegare sinteticamente cosa state facendo e perche' nei passaggi significativi‐ ricavare le espressioni simboliche a partire da concetti noti e, successivamente,calcolare i risultati numerici, indicando sempre le unita' di misura. ‐ non applicare formule «a scatola chiusa» senza aver adeguatamente  giustificato il loro impiego nel contesto  !!! ‐ indicare chiaramente le approssimazioni che adottate e perche’. Verificate a posteriori.  ‐ non ultimo: stesura ordinata e precisa 

A.Castoldi, Fondamenti di Elettronica

CONOSCENZE DI BASE…

Leggi di Kirchhoff Equivalente Thevenin e Norton Concetto di impedenza - Reti in regime sinusoidale Reti elementari in regime transitorio: circuito RC e

CR, risposta al gradino….

senza sufficiente padronanza e capacita’ di applicazione di questi concetti e’ difficile superare l’esame di Fondamenti di Elettronica

Si intende che non bisogna solo «conoscere» il teorema o il concetto solo di nome o «teoricamente»….

Bisogna padroneggiare questi strumenti (esercitarsi, esercitarsi…) e saperli applicare in casi reali

PROGRAMMA DEL CORSO – PARTE I

10 Crediti1. Sistemi Elettronici

1.1 Segnali: generatori e sensori reali. Rappresentazione nel tempo e componenti in frequenza.1.2 Richiami di Elettrotecnica: partitore di tensione e di corrente, circuiti RC e CR…

2. Dispositivi Elettronici2.1 Generalita’ sui semiconduttori: droganti, portatori.2.2 Diodo: principio di funzionamento, caratteristiche statiche ideali, impiego come raddrizzatore.2.3 Transistore MOS: principio di funzionamento, caratteristiche statiche ideali, impiego come interruttore.

3. Elettronica Digitale 3.1 Inverter CMOS: prestazioni statiche e dinamiche, margini di rumore.3.2 Porte Logiche CMOS: prestazioni statiche e dinamiche. 3.3 Componenti MSI: combinatori (decoder, mux) e sequenziali (flip-flop, registri), memorie RAM statiche e dinamiche

4. Elettronica Analogica4.1 Transistore MOS: impiego come amplificatore. Stadi elementari.

e PRIMA PROVA IN ITINERE--------

PROGRAMMA DEL CORSO – PARTE II

4. Elettronica Analogica4.3 Amplificatori operazionali (OA): caratteristiche ideali e deviazioni dall'idealita', funzionamento lineare; comparatore. 4.4 Reazione negativa: concetto di terra virtuale, configurazioni invertente e non invertente.4.5 Circuiti con OA reali per la somma, la differenza, l’integrazione, la derivazione e il filtraggio di forme d’onda

5. Conversione Analogica/Digitale 5.1 Generalità sul campionamento: criteri di ricostruzione, spettro ed equivocazione.5.2 Sample&Hold: struttura circuitale, parametri e non idealita'. 5.3 Convertitori DAC: esempi di struttura interna, errori e non-linearità.5.4 Convertitori ADC: esempi di struttura interna, quantizzazione, risoluzione, precisione ed accuratezza.

domande?

DEFINIZIONE(/I) DI ELETTRONICAElettronicaTecnologia di elaborazione delle informazioni basata sul trattamento dei segnali di tipo elettrico.

ElettronicaScienza che si occupa dell’acquisizione, elaborazione e trasmissione dell’informazione con segnali elettromagnetici. 

Elettronica: scienza e tecnologia che studia come “controllare” il moto degli elettroni

Progettazione di apparati di elaborazione dell’informazione Progettazione di apparati di misura di grandezze fisiche Progettazione di dispositivi elettronici e circuiti Progettazione apparati per il controllo e l’automazione Apparati di trasmissione/ricezione di informazione ………

Un sistema elettronico…

PressioneTemperaturaIntensita’ luminosa, spettroradiazione, …Posizione di incidenza, tempo, ….

MicrofonoTermocoppia, resistenza calibrata (ad es. Pt) Fotodiodo, FototransistoreSolenoide,……

AltoparlanteRiscaldatoreLED, lasermotore……

ELETTRONICA: tecnologia di elaborazione delleinformazioni basata sul trattamento dei segnali elettrici

Es.:FOTOCAMERA DIGITALESensore per la conversione della

luce in un segnale elettrico

Matrice monolitica di sensori

Catena di elaborazione (una per colonna)

Pre‐elab. analogica, conversione A/D, elaborazione digitale

SEGNALI ANALOGICI E DIGITALIvariabile casuale

Segn

aliana

logici

Segn

ali

digitali

Segn

ali

tempo

 con

tinui

Segn

ali

campion

ati

campionamento di un segnale tempo continuo

SEGNALI NEL DOMINIO DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA

Segnale sinusoidale

Ampiezza Periodo Frequenza Pulsazione angolare Fase

Segnale a Onda Quadra

Serie di Fourier e Spettro in frequenza4 1

3 315 5

⋯

Va(t)= Va*sin(t)   == Va*sin(2ft) == Va*sin(2 ).

f= [Hz]

=2f= [rad/s]

NOTA:Frequenza (no. cicli per unita’ di tempo) e frequenza angolare(radianti al secondo) hannodiverse unita’ di misura ma le stesse dimensioni fisiche [T‐1] !!!

SEGNALI NEL DOMINIO DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA

Ricostruzione di un’onda quadra dai termini della Serie di Fourier4 1

3 315 5

17 7

19 9 ⋯

SEGNALI NEL DOMINIO DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA

Segnali non periodici

Banda di un segnale: intervallo di frequenze alle quali le ampiezze del suo spettro sono di valore significativo

Rappresentazione nel dominio del tempo

Rappresentazione nel dominio dellafrequenza

Necessita’ di rappresentareefficacemente le 

proprieta’/informazionicontenute in un generico

segnale analogico

banda

Volt2/H

z

Segnali non periodici: TdF

Serie di Fourier (SdF) Trasformata di Fourier (TdF)

“spettro” di frequenzedel segnale

Spettro in frequenza di un segnale

Un segnale viene descritto mediante il suo «contenuto di armoniche», cioe’ come somma (pesata) di sinusoidi che consideriamo le sue componenti elementari:

L’insieme dei “pesi” di ogni frequenzanella sommatoria costituiscono lo “spettro in frequenza” del segnale

Spettro in frequenza di un segnale

l’approccio piu’ rigoroso alla TdFrichiede un po’ 

piu’ di matematica(opzionale nelnostro caso) 

Esempi

Esempi

Esempi

Amplificatore lineare:CIRCUITO EQUIVALENTE

Sensore Amplificatore Trasduttore

Eq. Thevenin(o Norton)

Ampl. di tensione

(o di corrente)

Resistenzadi carico

Generatoreequivalente

Resistenzaequivalente

Resistenza di ingresso

Resistenza di uscita

Guadagno di tensione (corrente)

Amplificatore REALE:saturazione

Caratteristica di trasferimento

ideale

Caratteristica di trasferimentoreale (effetto di saturazione)

Amplificatore REALE: piccolo segnale

amplificazione in elettronica: concetto di piccolo segnale

caratteristica di trasferimento quasi linearesolo in un intorno del punto di lavoro

(polarizzazione)

Segnali DIGITALI

Tempo discretoAmpiezze continue

Tempo continuoAmpiezze continue

Tempo discretoAmpiezze discrete

Perche’ analogico? I segnali provenienti dai sensori sono analogici Per comandare un attuatore e’ necessario fornire un segnale elettrico di 

ingresso analogico con opportuna impedenza, ampiezza e potenza Necessita’ di elaborare il segnale proveniente dal sensore prima di poterlo

digitalizzare: Livello troppo basso (µV !) Presenza di disturbi da eliminare Rapporto S/N troppo basso …..

Il livello di precisione complessivo del sistema e’ spesso determinatoesclusivamente dalla parte analogica (piu’ challenging)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Analogprocessing 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

S

N

Perche’ digitale?

Insensibile ai disturbi (entro certi limiti !!!)

Logica binaria facilmente riproducibile con circuiti elettronici (on/off) Facilita’ nell’eseguire elaborazioni complesse Possibilita’ di memorizzare dati per un tempo arbitrario

PERO’……

E’ necessario (anzi essenziale!) che il segnale analogico sia opportunamentetrattato prima della conversione A/D

Convertitori A/D e D/A

Tempo discretoAmpiezze continue