Concetti di base di elettromagnetismo (dai corsi di Fisica e/o Elettrotecnica).
ll corso offre una vasta panoramica sull'elettronica analogica e digitale, con particolare attenzione alle problematiche relative ai sistemi elettronici di misura in campo industriale. L'obiettivo è rendere gli studenti familiari con dispositivi e tecniche ampiamente utilizzati nella strumentazione elettronica. Gli argomenti principali affrontati durante il corso sono tecnologie e dispositivi microelettronici, amplificatori operazionali (applicazioni ad elaborazione lineare e nonlineare di segnali analogici), convertitori analogico-digitali, sistemi digitali in tecnologia CMOS (dalle porte logiche elementari fino a sistemi logici complessi come le memorie RAM e ROM).
1. Introduzione. Evoluzione delle tecnologie microelettroniche. Legge di Moore. Catena elettronica di acquisizione e controllo. Segnali analogici e digitali. 2. Strumenti matematici. Analisi di Fourier. Spettro in frequenza. Metodo delle variabili complesse. Impedenze complesse. Filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda. Diagrammi di Bode. Analisi della risposta al gradino. 3. Dispositivi elettronici. Semiconduttori intrinseci e drogati. Diodi a giunzione P-N. Dispositivi MOSFET. NMOS e PMOS. Caratteristiche statiche e dinamiche. Processo di fabbricazione in tecnologie "deep submicron". 4. Amplificatori operazionali. Amplificatori differenziali a MOSFET. Amplificatore operazionale ideale. Reazione negativa. Amplificatore invertente e non invertente. Amplificatore per strumentazione. Integratore (puro e approssimato). Differenziatore. Filtro passa-banda. 5. Circuiti non lineari con amplificatori operazionali. Comparatore. Rettificatori a mezza onda e a onda intera. Rivelatori di picco. Amplificatori logaritmici ed esponenziali. Circuiti analogici con interruttori. Multiplexer. Sample & Hold. 6. Elettronica digitale. Stati logici. Immunità al rumore. Codice binario e codice Gray. Famiglie logiche. Margini di rumore, ritardo di propagazione, dissipazione di potenza. Porte OR, AND, NOT, NAND, NOR, Exclusive OR. Identità logiche. Teorema di De Morgan. Porte logiche in tecnologia CMOS (Inverter, NAND e NOR). Dimensionamento dei dispositivi. Circuiti combinatori e sequenziali CMOS. Decoder. Strutture CMOS per circuiti VLSI. Logiche pseudo NMOS. Latch a porte NAND e NOR. Flip-flop D. Flip-flop J-K. Contatori. Sistemi per misure di frequenza e di tempo. Memorie ROM. Tempo di accesso. RAM. Cella elementare SRAM. Sense amplifier. Cella elementare DRAM. 7. Convertitori analogico-digitali. Campionamento. Errore di quantizzazione. Flash ADC.
lezioni frontali, esercitazioni in aula
Prova scritta al termine del corso. L'esame richiede la risoluzione di due problemi relativi all'analisi di circuiti elettronici, e la risposta a tre domande sugli argomenti svolti durante il corso.
Basic electromagnetism
The course provides a broad survey of analog and digital electronics, with particular focus on the issues relevant to electronic measurement systems in industry. The aim is to familiarise students with the devices and techniques commonly used in electronic instrumentation. The main topics are microelectronic technologies and devices, operational amplifiers (linear and non-linear analog signal processing), analog-to-digital converters, CMOS digital systems (from basic logic gates to complex systems such as RAM and ROM memories).
1. Introduction. Evolution of microelectronic technologies. Moore's Law. Electronic systems for signal acquisition and control. Analog and digital signals. 2. Mathematical tools. Fourier analysis. Frequency spectrum. Inductive and capacitive impedances. Low pass, high pass, bandpass filters. Bode diagrams. Step response. 3. Electronic devices. Intrinsic and doped semiconductors. P-N junction diodes. MOSFET. NMOS e PMOS. Static characteristics and small-signal model. Deep submicron CMOS fabrication process. 4. Operational amplifiers. MOSFET differential amplifiers. Ideal operational amplifier. Negative feedback. Inverting and noninverting amplifier. Instrumentation amplifier. Integrators and differentiators. Bandpass filter. 5. Nonlinear circuits with operational amplifiers. Comparator. Half-wave and full-wave rectifiers. Peak detectors. Logarithmic and exponential amplifiers. Analog circuits with switches. Multiplexer. Sample & Hold. 6. Digital electronics. Logic states. Noise immunity. Binary code, Gray code. Logic families. Noise margin, propagation delay, power dissipation. OR, AND, NOT, NAND, NOR, Exclusive OR. De Morgan theorem. CMOS logic gates (Inverter, NAND, NOR). Combinatorial and sequential CMOS circuits. Decoder. CMOS VLSI circuits. Pseudo-NMOS logic. NAND and NOR gate Latch. D Flip-flop. J-K Flip-flop. Counters. Systems for frequency and time measurements. Memories. ROM. Access time. RAM. SRAM elementary cell. Sense amplifier. DRAM elementary cell. 7. Analog-to-digital converters. Sampling. Quantization error. Flash ADC.
Classroom lectures
Written exam at the end of the course. The exam requires that students provide the solution to two exercises about electronic circuits, and answer three questions about the subjects discussed during the course.