1G.V. Persiano – Elettronica
Elettronica (9 CFU)Prof. G.V. Persiano
• Tipologia di esame– Scritto + Orale
• Programma– Dispositivi e circuiti fondamentali– Circuiti e sistemi analogici – Circuiti e sistemi digitali
• Testi e materiale di riferimento– Sedra, Smith: Circuiti per la Microelettronica, Edises, 2005– Jaeger, Blablock: Microelettronica, McGraw-Hill, 2009 (*)
(*) solo come testo di ulteriore consultazione
2G.V. Persiano – Elettronica
Versione Inglese Versione Italiana
3G.V. Persiano – Elettronica
Introduzione all’elettronica
• Breve storia dell’elettronica– Tappe fondamentali– Stato dell’arte e proiezioni future
• Classificazione dei segnali elettronici– Segnali analogici e digitali– Spettro di frequenza dei segnali
• Introduzione agli amplificatori– Modelli circuitali – Risposta in frequenza
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L’inizio dell’era dell’elettronica moderna
Bardeen, Shockley, e Brattain neiLaboratori Bell – Brattain e Bardeen inventarono il transistore bipolare nel
1947.
Il primo transistore bipolare al germanio. Approssimativamente 50 anni dopo, l’elettronica rappresenta il 10% (4000
miliardi di dollari) del prodotto interno lordomondiale (PIL).
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Tappe fondamentali dell’elettronica
1874 Braun inventa il raddrizzatore a stato solido.
1906 DeForest inventa il triodo a vuoto.
1907-1927Primi circuiti radio sviluppati con diodi e triodi.
1925 Lilienfeld brevetta il dispositivo ad effetto di campo
1947 Bardeen e Brattain ai Laboratori Bell inventano il transistore bipolare.
1952 Texas Instruments inizia la produzione commerciale di transistori bipolari.
1956 Bardeen, Brattain, e Shockley ricevono il premio Nobel.
1958 Kilby e Noyce sviluppano i circuiti integrati
1961 Primo circuito integratocommercializzato dalla Fairchild Semiconductor
1963 Si forma l’IEEE dall’unione diIRE e AIEE
1968 Primo amplificatore operazionaleintegrato
1970 Cella DRAM a un transistoreinventata da Dennard alla IBM.
1971 Presentazione del processoreIntel 4004.
1978 Prima memoria commerciale da1 Kbit.
1974 Presentazione del processore8080.
1984 Presentazione del chip di memoria da 1 Mbit.
1995 Presentazione del chip di memoria da 1 Gbit
2000 Alferov, Kilby, e Kromer vinconoil premio Nobel
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Evoluzione dei dispositivi elettronici
Tubi a vuoto Transistori
CircuitiIntegrati
SSI e MSI
CircuitiIntegrati
VLSI in surfacemount
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Dimensione caratteristica dei dispositivi
• Le innovazioni produttiveconsentono la riduzione delladimensione caratteristica.
• Minore dimensione caratteristicaporta ad un maggior numero ditransistori per unità di area e quindi ad una maggiore densità.
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Rapido incremento della densità in microelettronica
Densità circuiti di memoria nel tempo Complessità microprocessori nel tempo
9G.V. Persiano – Elettronica
I segnali del mondo fisico e la loro elaborazione
• I segnali contengono informazioni su fenomeni della realtà quotidiana:
Condizioni meteorologiche temperatura, pressione, velocità vento, ecc.
Conversazione telefonica trasmissione e ricezione delle voci (acustica)
Necessità di rifornimento automobile livello di carburante
Ecc, ecc.
Trasduttore: il dispositivo nel suo complesso, che trasforma la grandezza fisica da misurare in un segnale di natura elettrica.
Sensore: elemento sensibile che converte la grandezza fisica in ingresso in una grandezza fisica inuscita facilmente acquisibile per via elettrica.
• Per estrarre informazioni, è necessario elaborare i segnali
grandezza fisica
segnale elettrico
10G.V. Persiano – Elettronica
Andamento temporale di un segnale arbitrario vs(t)
Generatori di segnale: (a) di Thévenin; (b) di Norton
Rappresentazione dei segnali elettrici
11G.V. Persiano – Elettronica
Segnale tempo-discreto risultante
Segnali elettrici analogici e digitali
Campionamento del segnale analogico tempo-continuo
12G.V. Persiano – Elettronica
Andamento temporale di un segnale digitale
Conversione analogico-digitale
13G.V. Persiano – Elettronica
Spettro di frequenza dei segnali elettrici
• Lo spettro di frequenza di un segnale riporta l’ampiezza e la fase delle componenti del segnale in funzione della frequenza
• Segnali periodici si possono comporre con un insieme di segnali sinusoidali di differente ampiezza, frequenza e fase Serie di Fourier
• Segnali non periodici hanno spettri continui occupantispesso una vasta gamma di frequenze trasformata di Fourier
14G.V. Persiano – Elettronica
tVtv aa ωsin)( =
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +++= ...5sin
513sin
31sin4)( 000 tttVtv ωωω
π
Serie di Fourier
Segnale periodico: onda sinusoidale
Segnale periodico: onda quadra
(fase φ=0)(frequenza f=ω/2π)
15G.V. Persiano – Elettronica
Spettro di frequenza di una forma d’onda arbitraria (non periodica)
Spettro di frequenza dell’onda quadra
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Suoni udibili (uomo) 20 Hz - 20 KHzSegnale TV a banda base 0 - 4.5 MHzRadio FM 88 - 108 MHzTelevisione (Canali 2-6) 54 - 88 MHzTelevisione (Canali 7-13) 174 - 216 MHzComunicazioni navali e governative 216 - 450 MHzTelefoni cellulari e wireless 1.71 – 2.69 GHzTV via satellite 3.7 - 4.2 GHzDispositivi Wireless 5.0 - 5.5 GHz
Gamma di frequenze di segnali comuni
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Convenzioni per grandezze elettriche
Valore continuo Simbolo maiuscolo, pedice maiuscolo IC
Valore variabile Simbolo minuscolo, pedice minuscolo ic
Valore istantaneo Simbolo minuscolo, pedice maiuscolo iC
Picco sinusoide Simbolo maiuscolo, pedice minuscolo Ic
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