Ingegneria Biomedica L-9

Fornire allo studente una comprensione unitaria dei fondamenti dell’elettronica analogica e digitale, e la capacità di analizzare e progettare semplici circuiti e sistemi digitali reali.​

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, porte logiche CMOS, mappe di Karnaugh, moduli combinatori standard e somma di numeri binari. Lo studente deve essere in grado di passare dalla specifica a uno schema logico minimizzato e realizzabile fisicamente.​

Un ulteriore obiettivo è comprendere a fondo il comportamento dei sistemi sequenziali sincroni (latch, flip-flop, registri, contatori) e le loro limitazioni fisiche in termini di tempi di setup/hold e frequenza massima di clock. Questo include la capacità di descrivere e verificare reti sequenziali a livello di macchina a stati finiti.​

Infine, il corso mira a far acquisire familiarità con l’implementazione pratica su FPGA, dal flusso di sviluppo (descrizione, test-bench, sintesi, implementazione, deployment) all’uso del linguaggio VHDL ai diversi livelli di astrazione. L’obiettivo formativo ultimo è rendere lo studente capace di descrivere, simulare e realizzare semplici sistemi digitali programmabili a partire da specifiche funzionali.​

I risultati di apprendimento attesi per questo insegnamento 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, delle funzioni booleane, delle reti combinatorie e sequenziali, delle memorie e dell’architettura FPGA.

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. Sarà inoltre in grado di progettare e verificare reti logiche combinatorie e sequenziali, selezionando moduli standard (decoder, multiplexer, registri, contatori) e implementandoli su FPGA con linguaggio VHDL a un livello introduttivo.

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 e descrizioni VHDL a livello elementare, 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 e FPGA. 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.

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.

• UD1 – Fondamenti di circuiti ed elementi base

Comprende l’introduzione all’elettronica e ai segnali elettrici, i componenti base (bipoli, generatori), le leggi di Kirchhoff, il principio di sovrapposizione, i teoremi di Thevenin e Norton e il ponte di Wheatstone, fino ai cenni sulla trasformata di Laplace applicata ai circuiti.​

• UD2 – Analisi dei circuiti nel dominio delle trasformate e primi amplificatori

Tratta condensatori, induttori e circuiti RC/CR, l’uso di Laplace/Fourier nell’analisi dei circuiti, le reti a due porte, il concetto di amplificatore e il teorema di Miller, fino agli amplificatori ideali e reali e agli amplificatori operazionali in configurazione invertente e non invertente.​

• UD3 – Circuiti con operazionali e basi di fisica dei semiconduttori

Affronta i circuiti standard con OP-AMP (sommatore, differenziale, integratore, derivatore) e introduce la fisica dei semiconduttori: materiali, bande energetiche, banda di valenza e conduzione, drogaggio n/p, correnti di deriva e diffusione, giunzione pn e primi modelli di diodo.​

• UD4 – Diodi, conversione di potenza e transistor bipolari

Copre il diodo (equazione caratteristica, punto di lavoro, modelli semplificati e a piccoli segnali), i circuiti standard con diodi (selettori, clipper, clamper, moltiplicatori, Zener), la conversione AC/DC (alimentatori, raddrizzatori, rilevatori di picco) e l’introduzione al BJT con le sue caratteristiche corrente–tensione e modelli in zona attiva e saturazione.​

• UD5 - MOSFET e amplificatori a transistor, introduzione ai sistemi digitali

Comprende l’introduzione al MOSFET (formazione del canale, pinchoff, sotto soglia, caratteristiche  – ), gli amplificatori a transistor e le configurazioni fondamentali, quindi apre la parte digitale con l’introduzione ai sistemi digitali e ai sistemi combinatori di base.​

• UD6 – Logica digitale implementativa e progettazione combinatoria

Tratta la logica CMOS (inverter e porte), le caratteristiche fisiche delle porte logiche, i circuiti di interconnessione (alta impedenza, pass transistor, transmission gate, buffer tri‑state), la progettazione di reti combinatorie con universal set of gates e mappe di Karnaugh e i principali moduli combinatori standard.​

• UD7 – Aritmetica digitale e reti sequenziali

Affronta la somma di numeri binari (half/full adder, carry ripple), i sistemi sequenziali sincroni e asincroni, le macchine di Mealy e Moore, le reti sequenziali con latch e flip‑flop, le caratteristiche temporali (setup/hold, frequenza massima di clock) e i moduli sequenziali standard (registri, shift‑register, contatori).​

• UD8 – Memorie, FPGA, introduzione a VHDL e conversione A/D

Copre gli array di memorie (ROM, RAM, flash), le architetture FPGA e i relativi componenti, il flusso di sviluppo su FPGA (descrizione, test‑bench, sintesi, implementazione, deployment) e introduce il linguaggio VHDL con livelli di astrazione, entities/architectures, processi e un semplice esempio di codice. Introduce la conversione Analogico-Digitale e viceversa.

• UD9 – Didattica innovativa – Casi di studio e interviste con esperti del settore

Dedicata all’analisi guidata di casi di studio reali e alla discussione con professionisti del settore (industria, progettazione hardware, aziende che sviluppano sistemi embedded o FPGA). Gli studenti lavorano su esempi applicativi che integrano contenuti di elettronica analogica e digitale, discutendo scelte progettuali, vincoli e compromessi tra prestazioni, costi e affidabilità.

 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.

· Donzellini, G., Oneto, L., Ponta, D., & Anguita, D. (2018). Introduzione al progetto di sistemi digitali. Springer Milan

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.

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 (analisi di circuiti, sintesi di reti logiche, semplici descrizioni VHDL), 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, anche in vista delle attività di didattica interattiva e dei casi di studio discussi nell’UD di didattica innovativa.

L'articolazione tra DE e DI, per ciascuna unità didattica, sarà organizzata coerentemente con gli obiettivi formativi specifici dell’insegnamento.