Obiettivi Formativi

Fornire conoscenze approfondite sui modelli dei dispositivi attivi, sulle configurazioni fondamentali degli amplificatori a singolo transistore, sull’amplificatore operazionale e sue applicazioni. Sviluppare la capacità di analizzare e dimensionare circuiti elettronici analogici per applicazioni specifiche. Sviluppare un elevato grado di autonomia nella scelta delle tecniche di analisi più adatte per la risoluzione dei circuiti. Sviluppare la capacità di esprimersi con proprietà di linguaggio appropriata. Sviluppare l’attitudine al continuo aggiornamento sugli sviluppi scientifici e tecnologici, sulla disponibilità di nuovi componenti in un settore in rapidissima evoluzione quale è quello dell’elettronica.

Learning Goals

To provide in-depth knowledge of active device models, of the fundamental configurations of single transistor amplifiers, of the operational amplifier and its applications. To develop the ability to analyze and design analog electronic circuits for specific applications. To develop a high degree of autonomy in choosing the most suitable analysis techniques for the resolution of circuits. To develop the ability to express oneself with appropriate language properties. To develop the aptitude for continuous updating on scientific and technological developments, on the availability of new components in a sector in rapid evolution such as electronics.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge attraverso lezioni frontali, esercitazioni guidate ed esercitazioni svolte dagli studenti, con lo scopo di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico. Le attività sono svolte in parte alla lavagna e in parte con il supporto di slide delle lezioni. Le esercitazioni di progettazione e simulazione vengono svolte al pc.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, takes place through lectures, guided exercises and autonomous exercises with the aim of stimulating the approach to problem solving with autonomy and a critical thinking. The activities are carried out partly on the blackboard and partly with the support of lecture slides. The design and simulation exercises are carried out on the PC.

Prerequisiti

Conoscenza dei fondamenti della teoria dei circuiti e della teoria dei controlli (risposta in frequenza, concetto di retroazione).

Prerequisites

Basic knowledge about circuit theory and control theory (frequency response and feedback).

Verifiche dell'apprendimento

Il percorso di apprendimento da parte degli studenti viene verificato mediante una prova in itinere sulla prima parte di programma, consistente in esercizi di analisi di circuiti e domande a risposta multipla e/o aperta. La valutazione della prova sarà effettuata in trentesimi. L’apprendimento sulla seconda parte di programma (dagli amplificatori operazionali in poi) viene verificata mediante esercitazioni in aula, da svolgere anche con l’ausilio del simulatore. Verrà espressa una valutazione in trentesimi complessiva per tutte le esercitazioni, che farà media con la valutazione della prima prova. L’esame finale consiste in una prova scritta volta ad accertare il raggiungimento degli obiettivi fondamentali, mediante la valutazione della capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato e le competenze acquisite, ed in una prova orale, facoltativa, in cui verrà valutata anche la qualità dell’esposizione e la competenza nell’impiego del lessico specialistico. Durante le prove scritte non è ammessa la consultazione di materiale didattico o tecnico e il formulario viene fornito dal docente con il testo della prova. É consentito l’uso della calcolatrice. Con il solo esame scritto si può raggiungere una votazione massima di 26/30. Il superamento della prova in itinere e di tutte le esercitazioni esonera dallo svolgimento dell’esame. Durante la prima lezione del corso vengono comunque forniti tutti i dettagli circa lo svolgimento e i contenuti di prove in itinere ed esami.

Assessment

The students' learning path is verified by means of an ongoing test on the first part of the program, consisting of circuit analysis exercises and multiple choice and / or open questions. The evaluation of the test will be carried out out of thirty. Learning on the second part of the program (from the operational amplifiers onwards) is verified through classroom exercises, to be carried out also with the aid of the simulator. An overall evaluation out of thirty will be expressed for all exercises, which will be averaged with the evaluation of the first test. The final exam consists of a written test aimed at ascertaining the achievement of the fundamental objectives, by evaluating the ability to critically reason on the study carried out and the skills acquired, and in an optional oral test, in which the quality of the exposure and competence in the use of the specialized vocabulary are evaluated. Consultation of didactic or technical material is not allowed during the written tests and the formulary is provided by the teacher with the text of the test. The use of the calculator is allowed. With only the written exam, a maximum grade of 26/30 can be achieved. Passing the ongoing test and all exercises exempts students from taking the exam. In any case, during the first lesson of the course, all the details about the development and contents of ongoing tests and exams are provided.

Programma del Corso

INTRODUZIONE: Elettronica Analogica. -RICHIAMI SU ELETTRONICA E SEMICONDUTTORI: semiconduttori intrinseci. Semiconduttori drogati. La corrente nei semiconduttori. Giunzione pn. -I DIODI: il diodo ideale. Caratteristiche di un diodo a giunzione. Modelli della caratteristica diretta del diodo. Diodi Zener. Circuiti raddrizzatori. Circuiti limitatori e di aggancio. Tipi particolari di diodo (Schottky, varactor, fotodiodi, LED). -IL TRANSISTORE BIPOLARE A GIUNZIONE (BJT): struttura del dispositivo e funzionamento fisico. Caratteristiche I/V. Polarizzazione e funzionamento a piccolo segnale. Amplificatori a BJT. -IL TRANSISTORE A EFFETTO DI CAMPO (MOSFET): struttura e funzionamento fisico del dispositivo. Caratteristiche I/V. Polarizzazione e funzionamento a piccolo segnale. Amplificatori a MOS. -RISPOSTA IN FREQUENZA: risposta in frequenza degli amplificatori studiati. Diagrammi di Bode. -AMPLIFICATORI PER CIRCUITI INTEGRATI: filosofia di progetto dei CI. La cella di guadagno elementare. L’amplificatore cascode. Generatori di corrente per la polarizzazione dei CI. Specchi di corrente. L’amplificatore differenziale. Studio dell'amplificatore differenziale a transistori bipolari. L'amplificatore differenziale come blocco costruttivo fondamentale per la realizzazione di amplificatori operazionali. -AMPLIFICATORI OPERAZIONALI: L'amplificatore operazionale come blocco fondamentale per la sintesi di circuiti in reazione. L'amplificatore operazionale ideale. Caratteristiche ai terminali di amplificatori operazionali reali con compensazione a polo dominante. Principio del corto circuito virtuale. Prodotto guadagno banda. -CIRCUITI REAZIONATI: Impedenza di ingresso e di uscita. Guadagni di tensione, corrente, transresistenza e transconduttanza. L'impiego della reazione nei circuiti elettronici lineari. Il teorema di scomposizione come strumento di analisi e sintesi di circuiti reazionati. -CONFIGURAZIONI ELEMENTARI DI AMPLIFICATORI REAZIONATI: tensione-serie, tensione-parallelo, corrente-serie, corrente-parallelo. Amplificatori ideali. Criteri per l'applicazione del teorema di scomposizione. Calcolo del guadagno e delle impedenze di ingresso e di uscita di amplificatori reazionati. -CIRCUITI AD AMPLIFICATORI OPERAZIONALI E CIRCUITI NON LINEARI PER IL TRATTAMENTO DEI SEGNALI: Amplificatore invertente, amplificatore non invertente, sommatore, amplificatore differenziale, amplificatore per strumentazione. Amplificatore di corrente, amplificatore transresistivo e transconduttivo. Circuito integratore e derivatore. Circuiti sfasatori. Amplificatore bifase. Oscillatori lineari. Principio di Barkhausen. Oscillatore a rete di sfasamento e oscillatore a ponte di Wien. Comparatore. Comparatore rigenerativo. Generatori di forme d'onda: circuito monostabile e astabile. Generatore di onde triangolari. Oscillatore controllato in frequenza. NE 555.

Course Syllabus

-INTRODUCTION: Analog Electronics. - ELECTRONICS AND SEMICONDUCTORS, AN OVERVIEW: intrinsic semiconductors. Doped semiconductors. Current in semiconductors. PN junction. -DIODES: the ideal diode. Characteristics of a junction diode. Models of the direct characteristic of the diode. Zener diodes. Rectifier circuits. Limiting and latching circuits. Particular types of diode (Schottky, varactor, photodiodes, LED). - THE BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT): structure of the device and physical operation mode. I / V features. Bias and small signal operation. BJT amplifiers. - THE FIELD EFFECT TRANSISTOR (MOSFET): structure and physical operation mode of the device. I / V features. Bias and small signal operation. MOS amplifiers. - FREQUENCY RESPONSE: frequency response of the studied amplifiers. Bode plots. -AMPLIFIERS FOR INTEGRATED CIRCUITS: IC design philosophy. The elementary gain cell. The cascode amplifier. Current generators for the polarization of ICs. Current mirrors. Differential amplifiers. Differential amplifier with bipolar transistors. The differential amplifier as a fundamental building block for the realization of operational amplifiers. -OPERATIONAL AMPLIFIER: The operational amplifier as a fundamental block for the synthesis of feedback circuits. The ideal operational amplifier. Characteristics of the terminals of real operational amplifiers with dominant pole compensation. Principle of virtual short circuit. Gain bandwidth product. -FEEDBACK CIRCUITS: Input and output impedance. Voltage, current, transresistance and transconductance gain. The use of feedback in linear electronic circuits. The decomposition theorem as a tool for analysis and synthesis of feedback circuits. -ELEMENTARY CONFIGURATIONS OF FEEDBACK AMPLIFIERS: voltage-series, voltage-shunt, current-series, current-shunt. Ideal amplifiers. Criteria for the application of the decomposition theorem. Calculation of the gain and of the input and output impedances of feedback amplifiers. -OPERATIONAL AMPLIFIERS BASED LINEAR AND NON-LINEAR CIRCUITS FOR SIGNAL PROCESSING: Inverting amplifier, non-inverting amplifier, adder, differential amplifier, instrumentation amplifier. Current amplifier, transresistive and transconductive amplifier. Integrator and shunt circuit. Phase shifter circuits. Two-phase amplifier. Linear oscillators. Barkhausen's principle. Wien phase shift oscillator and bridge oscillator. Operational amplifiers based non-linear circuits for signal processing: Comparator. Regenerative comparator. Waveform generators: monostable and astable circuit. Triangular wave generator. Frequency controlled oscillator. NE 555.