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: [email protected] 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
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