Obiettivi formativi
Conoscenza e comprensione:
-conoscenza di base dei circuiti elettronici analogici a transistore bipolare e MOS (amplificatori di segnale lineari e amplificatori di potenza)
-conoscenza delle caratteristiche dell'amplificatore operazionale e sue applicazioni
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
-sapere analizzare un amplificatore di segnale
-sapere dimensionare semplici circuiti analogici (a transistor o con amplificatore operazionale)
-sapere simulare un circuito analogico
-sapere assemblare un semplice circuito analogico, fornire i necessari segnali e caratterizzarlo per mezzo di strumentazione di laboratorio di base (multimetro e oscilloscopio).
Competenze trasversali (soft skill)
-Nell'ambito dell'attività di laboratorio di elettronica (assemblaggio e caratterizzazione sperimentale di semplici circuiti analogici) lo studente potrà sviluppare le necessarie abilità trasversali dovendo operare in un gruppo di lavoro.
Prerequisiti
1. Teoria dei circuiti lineari:
1.1 Metodi di analisi (kirchoff, analisi nodale, ecc.)
1.2 Circuiti lineari in regime permanente sinusoidale
1.3 Applicazione della trasformata di Laplace ai circuiti con componenti reattivi
2. Diagrammi di Bode
3. Dispositivi Elettronici (teoria di base): diodo, transistore bipolare, transistore MOS
Propedeuticità consigliate:
Principi e Applicazioni dell’Ingegneria Elettrica, Elettronica 1
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si divide in una parte teorica (57 ore), svolta con lezioni frontali in aula, ed una parte di laboratorio (6 ore).
TEORIA
1 Introduzione
1.1 Segnali analogici e segnali digitali.
1.2 Linearità di un sistema e condizioni di non-distorsione.
1.3 Concetto di Linearizzazione.
1.4 Circuito equivalente alle variazioni di un diodo p-n. Modello alle variazioni di un transistore bipolare (BJT) in regione attiva diretta e di un MOSFET in saturazione.
1.5 Amplificatori lineari. Funzioni di rete. Rappresentazioni matriciali.
2 Stadi amplificatori
2.1 Emettitore Comune (EC)
2.1.1 Analisi ai grandi segnali ed ai piccoli segnali; calcolo funzioni di rete
2.1.2 Polarizzazione del transistor
2.2 Stadi a Collettore Comune (CC) e Base Comune (BC)
2.3 Amplificatori elementari MOS: Source Comune, Gate comune e Drain comune
2.4 Amplificatori multi-stadio
2.5 Stadio differenziale a BJT
3 Specchi di corrente e amplificatori con carico attivo
3.1 Schemi base: bipolare-base, bipolare con terzo transistor, MOS
3.2 Schemi avanzati (cenni): widlar, wilson, cascode
3.3 amplificatore a source comune e emettitore comune con carico attivo
3.4 amplificatore differenziale con carico attivo
4 Comportamento in frequenza degli amplificatori
4.1 Risposta in frequenza dell’amplificatore EC
4.2 Approssimazione a polo dominante e metodo delle costanti di tempo.
5 Circuiti con retroazione
5.1 Schemi unifilari per la rappresentazione di sistemi lineari; retroazione positiva o negativa, concetto di desensibilizzazione; compromesso guadagno-banda
5.2 Stabilità dei circuiti in retroazione, margini di fase e guadagno (richiami)
5.3 Individuazione della retroazione nei circuiti elettronici con il metodo matriciale
6 Amplificatore Operazionale
6.1 Definizione e caratteristiche
6.2 Concetto di corto-circuito virtuale
6.3 Applicazioni
6.4 Non idealità degli amplificatori operazionali commerciali
6.5 Schema semplificato di un amplificatore operazionale e compensazione di Miller
7 Amplificatori ai grandi segnali
7.1 Potenza utile ed Efficienza
7.2 Distorsione non lineare
7.3 Stadi di uscita in classe A: collettore comune, emettitore comune.
7.4 Sollecitazioni sui dispositivi di uscita
7.5 Definizione delle classi di funzionamento: A,B,C,D
7.6 Amplificatori in controfase ed a simm. complementare
7.7 Amplificatori in classe C e D: schemi di principio
8 Stabilità del circuito in un punto di riposo
9 Simulazione numerica dei circuiti analogici
LABORATORIO
1 Simulazione di semplici circuiti analogici a transistor ed a operazionale per mezzo di un simulatore circuitale (lab. di simulazione circuitale)
2 Laboratorio di Elettronica
2.1 assemblaggio di circuiti analogici basati su amplificatore operazionale per mezzo del Developement Kit di Texas Instruments (ASLK Pro)
2.2 set-up del banco (alimentatore di tensione e generatore di segnali)
2.3 caratterizzazione dei circuiti assemblati tramite oscilloscopio e multimetro.
Programma esteso
Il corso si divide in una parte teorica (57 ore), svolta con lezioni frontali in aula, ed una parte di laboratorio (6 ore).
TEORIA
10 Introduzione
10.1 Segnali analogici e segnali digitali.
10.2 Linearità di un sistema e condizioni di non-distorsione.
10.3 Concetto di Linearizzazione.
10.4 Circuito equivalente alle variazioni di un diodo p-n. Modello alle variazioni di un transistore bipolare (BJT) in regione attiva diretta e di un MOSFET in saturazione.
10.5 Amplificatori lineari. Funzioni di rete. Rappresentazioni matriciali.
11 Stadi amplificatori
11.1 Emettitore Comune (EC)
11.1.1 Analisi ai grandi segnali ed ai piccoli segnali; calcolo funzioni di rete
11.1.2 Polarizzazione del transistor
11.1.2.1 A batteria, a resistenza e condensatore di disaccoppiamento, con resistenza sull'emettirore
11.1.2.2 Coefficienti di sensibilità della polarizzazione
11.2 Stadi a Collettore Comune (CC) e Base Comune (BC)
11.3 Amplificatori elementari MOS: Source Comune, Gate comune e Drain comune
11.4 Amplificatori multi-stadio
11.4.1 schema a blocchi
11.4.2 CC+EC, EC+CC, cascode, Darlington
11.5 Stadio differenziale a BJT
12 Specchi di corrente e amplificatori con carico attivo
12.1 Schemi base: bipolare-base, bipolare con terzo transistor, MOS
12.2 Schemi avanzati (cenni): widlar, wilson, cascode
12.3 amplificatore a source comune e emettitore comune con carico attivo
12.4 amplificatore differenziale con carico attivo
13 Comportamento in frequenza degli amplificatori
13.1 Risposta in frequenza dell’amplificatore EC
13.2 Approssimazione a polo dominante e metodo delle costanti di tempo.
14 Circuiti con retroazione
14.1 Schemi unifilari per la rappresentazione di sistemi lineari; retroazione positiva o negativa, concetto di desensibilizzazione; compromesso guadagno-banda
14.2 Stabilità dei circuiti in retroazione, margini di fase e guadagno (richiami)
14.3 Individuazione della retroazione nei circuiti elettronici con il metodo matriciale
15 Amplificatore Operazionale
15.1 definizione e caratteristiche
15.2 concetto di corto-circuito virtuale
15.3 applicazioni
15.3.1 Amplificatore invertente, non invertente, sommatore, inseguitore
15.3.2 Amplificatori differenziali lineari: schemi a uno e tre operazionali
15.3.3 integratore e derivatore
15.3.4 circuiti non-lineari: rettificatori, rivelatori di picco, amplificatore logaritmico
15.3.5 NIC
15.4 Non idealità degli amplificatori operazionali commerciali
15.4.1 guadagno finito, resistenza di ingresso e uscita
15.4.2 Tensione di Offset, corrente di polarizzazione
15.4.3 PSRR e CMRR
15.4.4 Limitazione di slew-rate
15.4.5 Esempi di effetto delle non-idealità sui circuiti basati su amplificatore operazionale
15.5 Schema semplificato di un amplificatore operazionale e compensazione di Miller
16 Amplificatori ai grandi segnali
16.1 Potenza utile ed Efficienza
16.2 Distorsione non lineare
16.3 Stadi di uscita in classe A: collettore comune, emettitore comune.
16.4 Sollecitazioni sui dispositivi di uscita
16.4.1 Surriscaldamento, trasmissione del calore nei dispositivi elettronici
16.4.2 Zona di funzionamento sicuro di un dispositivo
16.5 Definizione delle classi di funzionamento: A,B,C,D
16.6 Amplificatori a rendimento elevato
16.6.1 Classe B ed AB in controfase
16.6.2 Classe C e D: schemi di principio
17 Stabilità del circuito in un punto di riposo
17.1 Analisi nel dominio di Laplace: effetto dei poli
17.2 Modi naturali
17.3 Instabilità: innesco sinusoidale ed esponenziale
18 Simulazione numerica dei circuiti analogici
LABORATORIO
1 Simulazione di semplici circuiti analogici a transistor ed a operazionale per mezzo di un simulatore circuitale (lab. di simulazione circuitale)
2 Laboratorio di Elettronica
2.1 assemblaggio di circuiti analogici basati su amplificatore operazionale per mezzo del Developement Kit di Texas Instruments (ASLK Pro)
2.2 set-up del banco (alimentatore di tensione e generatore di segnali)
2.3 caratterizzazione dei circuiti assemblati tramite oscilloscopio e multimetro.
Bibliografia
P. R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, R. G. Meyer, “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”, 5th Edition, Wiley.
C. Morandi, “Fondamenti di Elettronica C”, disponibile su Lea alle pagine dek corso (categoria "DISPENSE")
R. Menozzi, “Appunti di Elettronica”, Pitagora.
S. Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits” McGraw-Hill
J. Milmann and C.C. Halkias, “Micro Elettronica”, Boringhieri, cap. 9
Metodi didattici
Lezioni orali
Esercitazioni: svolgimento di esercizi in aula
Esercitazioni integrative: ove possibile verranno organizzate esercitazioni integrative con svolgimento guidato di esercizi e prove scritte di esame.
Modalità verifica apprendimento
L’esame comprende una prova scritta e una prova orale: il superamento della prova scritta è condizione necessaria per accedere alla prova orale.
Durante la prova scritta non è possibile consultare testi o appunti.
La prova scritta richiede la soluzione di alcuni esercizi a risposta chiusa.
Il risultato positivo ottenuto nella prova scritta è valido entro la sessione di esami in cui è stato conseguito; pertanto la prova orale dovrà essere sostenuta entro la medesima sessione di esami.
In caso di esito negativo della prova orale, il risultato della prova scritta perde validità
La valutazione finale è una media (pesata) del risultato conseguito nella prova orale e scritta.
Sono ammessi alle prove scritte solo gli studenti iscritti per via telematica.
Altre informazioni
Sito web del corso con:
-materiale didattico
-testi di esame con soluzione
sul portale lea.unipr.it
L'iscrizione alla mailing list del corso (che viene azzerata ad ogni inizio di A.A.) è vivamente consigliata.
