SISTEMI ELETTRONICI ANALOGICI
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- GIORGIO VANNINI
- Crediti formativi
- 9
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- SSD
- ING-INF/01
Obiettivi formativi
- L'insegnamento si focalizza sui sistemi elettronici fondamentali per l'elaborazione dei segnali analogici, con particolare attenzione ai diversi componenti circuitali che li costituiscono.
L’obiettivo principale è di fornire, dopo avere introdotto le caratteristiche elettriche dei principali dispositivi a semiconduttore, gli strumenti fondamentali per l'analisi e il progetto di circuiti elettronici analogici lineari e non lineari con riferimenti applicativi ai principali sistemi dell’elettronica analogica. Verranno in particolare trattati: sistemi di alimentazione, sistemi di amplificazione, sistemi di generazione, acquisizione e condizionamento dei segnali.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
- caratteristiche elettriche di dispositivi a semiconduttore;
- analisi e sintesi di circuiti elettronici analogici;
- funzioni di rete e risposta in frequenza di amplificatori;
- elaborazione di segnali analogici con amplificatori operazionali;
- elementi fondamentali su circuiti non lineari: amplificatori e oscillatori;
- elementi fondamentali su circuiti di alimentazione lineari e in commutazione.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- individuare le caratteristiche elettriche di dispositivi a semiconduttore in funzione della relativa applicazione circuitale;
- analizzare il comportamento statico e dinamico di circuiti analogici lineari;
- analisi e sintesi di amplificatori lineari;
- implementare funzioni analogiche con amplificatori operazionali;
- dimensionare oscillatori e amplificatori di potenza in classe A e B;
- dimensionare i circuiti di alimentazione fondamentali. Prerequisiti
- E’ necessario avere acquisito e assimilato le conoscenze fornite nei seguenti insegnamenti (fra parentesi sono riportati gli argomenti più rilevanti):
- Circuiti elettrici (componenti circuitali e loro equazioni costitutive, leggi di Kirchhoff e loro applicazione, teoremi di Thevenin e Norton)
- Fondamenti di Automatica (funzioni di trasferimento e di risposta armonica, retroazione e stabilità)
- Segnali e Comunicazioni (segnali nel dominio del tempo e della frequenza - spettri, modulazione) Contenuti del corso
- L'insegnamento prevede 90 ore di didattica tra lezioni ed esercitazioni.
Argomenti svolti:
Introduzione e richiami:
Ruolo dell'elettronica analogica. Richiami sull'analisi di circuiti elettrici. Amplificazione di potenza e dispositivi elettronici. Esempi di elaborazione non lineare dei segnali.
Dispositivi a semiconduttore:
Cenni a semiconduttori, drogaggio e funzionamento della giunzione pn. Diodo e relativo modello. Analisi di circuiti con diodi. Transistori bipolari e a effetto di campo: principio e regioni di funzionamento, modelli elementari e loro impiego. Analisi stazionaria.
Sistemi elettronici di alimentazione:
Raddrizzatori e relativi filtri. Utilizzo di trasformatori. Regolatori DC/DC lineari. Il transistore come switch. DC/DC in commutazione. Amplificatore switching.
Sistemi elettronici di amplificazione:
Amplificatori per piccoli segnali - Il transistore come amplificatore. Polarizzazione dei transistori. Modelli linearizzati (per piccoli segnali). Stadi amplificatori elementari per piccoli segnali (banda passante, analisi in centro banda). Risposta in bassa e alta frequenza di stadi amplificatori. Analogia tra amplificatori per piccoli segnali a BJT e FET. Amplificatori a più stadi. Elaborazione differenziale dei segnali. Amplificatore differenziale.
Amplificatori per grandi segnali - Amplificatori di potenza in classe A e B. Distorsione, rendimento e dimensionamento termico. Amplificazione di segnali modulati angolarmente (amplificatore in classe C) e analogia con amplificatore switching PWM.
Sistemi elettronici di generazione, acquisizione e condizionamento dei segnali:
Amplificatori operazionali. Richiami su retroazione negativa e desensibilizzazione. Circuiti basati su operazionali. Non idealità degli operazionali. Limiti in frequenza. Stabilità e compensazione. Risposta nel dominio del tempo e slew-rate. Filtri attivi. Multivibratori (bistabile, astabile e monostabile) e oscillatori sinusoidali.
Esercitazioni in aula: riguarderanno esempi di analisi e progetto di circuiti e sistemi elettronici svolti a valle delle lezioni teoriche sui vari argomenti del corso con particolare attenzione agli argomenti oggetto della prova scritta d’esame. Metodi didattici
- Il corso è organizzato con la seguente modalità:
- lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso
- esercitazioni di analisi e sintesi di sistemi e circuiti elettronici in aula, con particolare attenzione agli argomenti oggetto della prova d'esame. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame consentirà di valutare la comprensione delle problematiche affrontate e la padronanza degli strumenti di analisi e sintesi introdotti. Si svolge in forma scritta e comprende:
- 2 domande di teoria nell'ambito dei tre macro-argomenti del corso: sistemi elettronici di alimentazione e/o sistemi elettronici di amplificazione (solo amplificatori per grandi segnali, NON amplificatori per piccoli segnali) e/o sistemi elettronici di generazione, acquisizione e condizionamento dei segnali;
- 1 esercizio di analisi e/o sintesi di circuiti/sistemi elettronici (funzionamento statico, dinamico, banda passante).
La prova è unica (teoria ed esercizio NON possono essere sostenuti separatamente) e tutte e due le parti devono risultare almeno sufficienti. Le risposte alle due domande di teoria sono valutate con un massimo di 8 punti ciascuna; la soluzione dell’esercizio è valutata con un massimo di 16 punti. Le risposte alle domande di teoria non possono essere solo discorsive ma devono riportare più o meno quanto sviluppato a lezione dal docente anche in termini di formule/procedimenti di analisi/progetto (è lecito e suggerito omettere i passaggi banali o puramente matematici, e.g. soluzione di integrali, ecc.).
Lo studente, in caso di superamento dell'esame, se non soddisfatto del voto, può richiedere al docente una integrazione della prova scritta con una prova orale che, indicativamente, può portare a un incremento/decremento della valutazione tra +3 e -3 punti.
La durata complessiva della prova scritta è di circa 2,5 ore.
Durante la prova NON è possibile consultare testi, appunti o altro materiale.
Per motivi organizzativi la lista d'esame si chiude cinque giorni prima della data dell'appello.
Il superamento dell’esame è prova dell’avere acquisito la capacità di applicare le conoscenze relative all'utilizzo di dispositivi a semiconduttore e all'analisi e sintesi di circuiti e sistemi elettronici per l'elaborazione analogica dei segnali. Testi di riferimento
- Materiale didattico fornito dal docente su tutti gli argomenti oggetto di domande di teoria nella prova d'esame.
Soluzioni degli esercizi d'esame svolti negli anni accademici precedenti.
Non esiste un testo che copra tutti gli argomenti del corso.
Per approfondimenti si suggerisce il seguente testo (o sue edizioni precedenti):
- R.C.Jaeger, T.N.Blalock, Microelettronica, quinta/quarta edizione, Mc Graw-Hill, 2018/2017-13.
- R.C.Jaeger, T.N.Blalock, Microelettronica, terza edizione, Mc Graw-Hill, 2009.
- R.C.Jaeger, Microelettronica, seconda edizione, Mc Graw-Hill, 2005. Volume 1 (e 2).
