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Elettronica
| Settore scientifico disciplinare | Numero crediti formativi (CFU) | Docente |
| ING-INF/01 | 9 | Sergio Spanò |
INFORMAZIONI GENERALI
Obiettivi Formativi
Fornire allo studente una comprensione unitaria dei fondamenti dell’elettronica analogica e digitale, e la capacità di analizzare e progettare semplici circuiti e sistemi.
Un primo obiettivo è far acquisire padronanza dei concetti fondamentali di segnali, bipoli, leggi di Kirchhoff, teoremi di Thevenin/Norton e uso di condensatori/induttori, fino alle reti a due porte e agli amplificatori operazionali. Questo include la capacità di modellare e risolvere circuiti nel dominio del tempo e della frequenza, anche con strumenti come la trasformata di Laplace.
Un secondo obiettivo è comprendere il funzionamento fisico e circuitale di semiconduttori, giunzioni pn, diodi, BJT e MOSFET, collegando il modello fisico alla caratteristica corrente-tensione. Su questa base, il corso mira a sviluppare la capacità di progettare e analizzare amplificatori a transistor in diverse configurazioni e con modelli a piccolo segnale.
Sul versante digitale, l’obiettivo è fornire i fondamenti di sistemi combinatori e sequenziali: funzioni booleane e porte logiche CMOS.
Risultati di apprendimento attesi
I risultati di apprendimento attesi per questo corso triennale possono essere articolati in maniera esaustiva su tutti e cinque i Descrittori di Dublino
Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di descrivere i principi fondamentali dei circuiti elettrici, dei dispositivi elettronici (diodi, BJT, MOSFET) e degli amplificatori operazionali, collegandoli ai modelli matematici di analisi nel dominio del tempo e della frequenza. Sarà inoltre in grado di spiegare i concetti di base dei sistemi digitali.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente sarà in grado di analizzare e risolvere semplici circuiti analogici contenenti resistori, condensatori, induttori, diodi e transistor, utilizzando leggi di Kirchhoff, teoremi di rete e, ove necessario, la trasformata di Laplace.
Abilità di giudizio
Lo studente sarà in grado di valutare criticamente la validità di modelli ideali e reali di dispositivi e circuiti, scegliendo le approssimazioni più adeguate al problema in esame. Sarà anche in grado di confrontare diverse soluzioni circuitali o architetturali (analogiche e digitali) rispetto a vincoli di prestazioni, complessità e risorse hardware disponibili.
Abilità di comunicare
Lo studente sarà in grado di presentare in modo chiaro, utilizzando il lessico tecnico dell’elettronica, le soluzioni adottate per l’analisi o la progettazione di circuiti e sistemi digitali, sia in forma scritta sia orale. Sarà inoltre in grado di leggere e interpretare correttamente schemi elettrici, diagrammi temporali, comunicando il loro significato a interlocutori sia tecnici sia non specialisti del settore.
Capacità di apprendimento
Lo studente sarà in grado di aggiornare e approfondire autonomamente le proprie conoscenze in elettronica analogica e digitale, consultando testi avanzati, note di corso e documentazione tecnica dei produttori di dispositivi. Sarà anche in grado di collegare i contenuti del corso ad altri insegnamenti del CdS (ad es. sistemi di controllo, architetture dei calcolatori), sviluppando un percorso di apprendimento coerente con il profilo di ingegnere triennale.
PROGRAMMA DEL CORSO
Il programma è articolato in diverse UD (Unità Didattiche) pari a 1 CFU di contenuto. Per ogni UD sono previste 5 ore di didattica erogativa svolta in modalità asincrona e 2 ore di didattica interattiva svolta in maniera sincrona.
UD 1: Fondamenti Introduttivi
Introduzione all'Elettronica, I Segnali, Basi di analisi circuitale, Amplificatori, Fisica dei semiconduttori. Concetti base per l'analisi e la comprensione iniziale dei circuiti.
UD 2: Giunzioni e Diodi Base
Lezioni 6-10: Correnti in semiconduttori e Giunzioni pn, Giunzione pn in presenza di una tensione esterna, Il Diodo, Modelli della caratteristica diretta del diodo, Circuiti raddrizzatori. Principi fisici e modelli dei diodi.
UD 3: Applicazioni Diodi e BJT Intro
Filtri capacitivi e regolatori di tensione per circuiti raddrizzatori, Risoluzione di circuiti caricati con diodi, Il BJT, Fisica del BJT, Fisica del BJT e Circuiti equivalenti. Circuiti pratici con diodi e introduzione al BJT.
UD 4: BJT Avanzato
BJT: regione di saturazione, breakdown e riepilogo, BJT in circuiti DC, Il MOSFET, Regioni operative di un MOSFET, Caratteristica iD-vGS, resistenza di uscita ed Effetto body in un MOSFET. Operatività e analisi DC del BJT, transizione al MOSFET.
UD 5: MOSFET e CMOS
PMOS e CMOS, Riepilogo delle caratteristiche di un MOSFET, MOSFET in circuiti DC, Amplificatori a transistor, Amplificatori lineari a transistor. Caratteristiche complete e CMOS del MOSFET.
UD 6: Progettazione Amplificatori Base
Scelta del punto di lavoro in un amplificatore a transistor, Funzionamento a piccoli segnali del MOSFET, Circuiti per amplificatori MOSFET a piccolo segnale, Funzionamento a piccoli segnali del BJT, Circuiti per amplificatori BJT a piccolo segnale. Modelli a piccoli segnali per transistor.
UD 7: Configurazioni Amplificatori
Configurazioni circuitali per amplificatori a transistor, Amplificatori a source ed emettitore comune, Amplificatori a source (emettitore) comune con un resistore di source (emettitore), Amplificatori a gate e base comune, Inseguitori di source ed emettitore come buffer di tensione. Topologie circuitali standard degli amplificatori.
UD 8: Circuiti Integrati
Introduzione ai circuiti integrati, Amplificatori a CS e CE in IC, Amplificatore differenziale, Analisi per piccolo segnale dell’amplificatore differenziale, Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR). Transizione ai circuiti integrati e differenziali.
UD 9: Operazionali e Digitale
L’amplificatore operazionale, Amplificatore operazionale in configurazione invertente, Amplificatore operazionale in configurazione non invertente, Amplificatore operazionale come amplificatore differenziale, Elettronica digitale. OpAmp nelle principali configurazioni e introduzione al digitale.
Testi consigliati
Il docente consiglia l’integrazione del materiale fornito (videolezioni, slides, esercitazioni) con i seguenti testi, a cui il docente può fare riferimento durante le lezioni:
· Sedra Adel, S., Smith Kenneth, C., Corsi, F., Capineri, L., Caputo, D., Catini, A., ... & Zanoni, E. (2019). Circuiti per la microelettronica. In Microelectronic Circuits, International Seventh Edition (pp. 302-359). Edises srl.
ORGANIZZAZIONE DIDATTICA
Modalità di erogazione del corso:
L’insegnamento è interamente erogato a distanza.
Per ogni UD di 1 CFU sono previste 5 ore di didattica erogativa svolta in modalità asincrona e 2 ore di didattica interattiva svolta in maniera sincrona.
Attività didattiche previste
Le attività di didattica, suddivise tra didattica erogativa (DE) e didattica interattiva (DI), saranno costituite da 7 ore per CFU e ripartite secondo una struttura di almeno 2,5 ore di DE (tenuta in considerazione la necessità di riascolto) e di 2 ore di DI sincrona per ciascun CFU.
Attività didattica erogativa (22,5 ore):
- 45 lezioni frontali videoregistrate, della durata di circa 30 minuti ciascuna (tenuta in considerazione la necessità di riascolto) sempre disponibili in piattaforma.
Attività didattica interattiva (18 ore):
- 18 lezioni frontali in diretta, della durata di circa 1 ora ciascuna tenute durante l’anno accademico con replica semestrale.
Attività di autoapprendimento:
- Studio individuale del materiale fornito (videolezioni, slide, appunti, capitoli di libro di testo e materiale integrativo), con particolare attenzione alla rielaborazione personale dei concetti teorici di elettronica analogica e digitale.
- Svolgimento autonomo di esercizi numerici e di progettazione, inclusa la revisione degli esempi presentati a lezione e la preparazione a quesiti a scelta multipla.
- Utilizzo dei test di autovalutazione disponibili in piattaforma per monitorare il proprio livello di comprensione e orientare lo studio in vista dell’esame.
- Preparazione di schemi riassuntivi, mappe concettuali e formulari essenziali a supporto del ripasso.
L'articolazione tra DE e DI, per ciascuna unità didattica, sarà organizzata coerentemente con gli obiettivi formativi specifici dell’insegnamento.
Ricevimento studenti
Da concordarsi col docente tramite e-mail: sergio.spano@uniroma5.it
MODALITÀ DI ESAME, PREREQUISITI, ESAMI PROPEDEUTICI
Modalità di accertamento dei risultati di apprendimento acquisiti dallo studente
L’apprendimento viene accertato tramite un’unica prova scritta. La prova copre in modo bilanciato i contenuti di elettronica analogica, digitale e gli aspetti applicativi/casi di studio sviluppati durante il corso.
Le domande sono progettate per verificare:
- conoscenza e comprensione di principi, modelli e dispositivi;
- capacità di applicare tali conoscenze ad analisi rapide di circuiti e schemi logici, attraverso quesiti numerici essenziali o interpretazione di grafici/diagrammi;
- autonomia di giudizio su scelte progettuali di base e capacità di collegare teoria e applicazioni presentate nei casi di studio.
Modalità di esame
L’esame si strutturerà in un unico percorso diviso in due momenti complementari:
1. Prova intermedia
L’esonero online rappresenta la prova di valutazione principale dell’esame
e il risultato ottenuto costituirà la parte preponderante del tuo voto finale.
La prova si svolgerà online e consisterà in un test a risposta multipla (30 domande) con esito
immediato. Il risultato rimarrà valido per un anno dalla data di svolgimento.
2. Prova finale obbligatoria in presenza
La prova finale in presenza, basata su un breve colloquio di sintesi del percorso, è obbligatoria per il completamento dell’esame, anche nel caso in cui sia stato conseguito il punteggio massimo nell'esonero online.
Questo momento conclusivo permette di migliorare il punteggio ottenuto online, aumentandolo fino a un massimo di 2 punti.
Per gli studenti che seguono la didattica interattiva sono previsti bonus sul voto dell’esame scritto, a riconoscimento della partecipazione attiva e del lavoro svolto durante il semestre. In particolare:
- +1 punto sul voto d’esame se lo studente ha seguito almeno il 50% delle lezioni erogate in modalità sincrona e ha superato i relativi test in itinere.
- +2 punti sul voto d’esame se lo studente ha seguito almeno il 75% delle lezioni sincrone e ha superato i relativi test in itinere.
I punti aggiuntivi vengono applicati solo se il voto ottenuto alla prova scritta finale è almeno pari a 18/30 e possono contribuire all’attribuzione della lode nel caso in cui il punteggio complessivo raggiunga o superi la soglia prevista per 30 e lode.
Propedeuticità
Non sono previste propedeuticità
Prerequisiti
Per seguire il corso con adeguata proficuità, è opportuno che lo studente abbia già superato i seguenti esami, da considerarsi prerequisiti:
· ANALISI MATEMATICA I E GEOMETRIA
· FONDAMENTI DI INFORMATICA
· FONDAMENTI DI CHIMICA E CHIMICA ORGANICA
· ANALISI MATEMATICA II
· FISICA SPERIMENTALE E FISICA MATEMATICA
· FONDAMENTI DI AUTOMATICA
· ELETTROTECNICA
Lezioni
Introduzione all'Elettronica
I Segnali
Basi di analisi circuitale
Amplificatori
Fisica dei semiconduttori
Correnti in semiconduttori e Giunzioni pn
Giunzione pn in presenza di una tensione esterna
Il Diodo
Modelli della caratteristica diretta del diodo
Circuiti raddrizzatori
Filtri capacitivi e regolatori di tensione per circuiti raddrizzatori
Risoluzione di circuiti caricati con diodi
Il BJT
Fisica del BJT
Fisica del BJT e Circuiti equivalenti
BJT: regione di saturazione, breakdown e riepilogo
BJT in circuiti DC
Il MOSFET
Regioni operative di un MOSFET
Caratteristica iD-vGS, resistenza di uscita ed Effetto body in un MOSFET
PMOS e CMOS
Riepilogo delle caratteristiche di un MOSFET
MOSFET in circuiti DC
Amplificatori a transistor
Amplificatori lineari a transistor
Scelta del punto di lavoro in un amplificatore a transistor
Funzionamento a piccoli segnali del MOSFET
Circuiti per amplificatori MOSFET a piccolo segnale
Funzionamento a piccoli segnali del BJT
Circuiti per amplificatori BJT a piccolo segnale
Configurazioni circuitali per amplificatori a transistor
Amplificatori a source ed emettitore comune
Amplificatori a source (emettitore) comune con un resistore di source (emettitore)
Amplificatori a gate e base comune
Inseguitori di source ed emettitore come buffer di tensione
Introduzione ai circuiti integrati
Amplificatori a CS e CE in IC
Amplificatore differenziale
Analisi per piccolo segnale dell?amplificatore differenziale
Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR)
L?amplificatore operazionale
Amplificatore operazionale in configurazione invertente
Amplificatore operazionale in configurazione non invertente
Amplificatore operazionale come amplificatore differenziale
Elettronica digitale
