ADVANCED ELECTRONICS - MOD. 1

L’insegnamento è una delle attività formative del curriculum della Laura Magistrale in Engineering Physics e permette allo studente di approfondire e mettere a frutto le conoscenze di elettronica di base acquisite durante la laurea di primo livello. Il programma copre diverse aree relative all’analisi e alla progettazione di circuiti elettronici e microelettronici, catene di misura e sistemi di rivelazione basati su sensori a semiconduttore.
Alla fine del corso lo studente avrà una solida conoscenza del funzionamento di amplificatori operazionali e delle loro caratteristiche e limitazioni. Lo studente sarà in grado di comprendere e progettare i blocchi principali di un sistema integrato analogico e di circuiti lineari contenti amplificatori operazionali.
Inoltre, il corso permetterà la comprensione del rumore nei circuiti elettronici e nei sistemi di acquisizione, attraverso lo studio delle sue sorgenti fisiche e delle sue rappresentazioni equivalenti. Lo studio delle principali tecniche di filtraggio e dell’implementazione di filtri attivi fornirà gli strumenti necessari per l’ottimizzazione del rapporto segnale-rumore che è un elemento chiave nella progettazione di catene di misura.
Per affrontare i possibili aspetti applicativi nell’ambito dell’ingegneria fisica, nel corso verranno anche introdotti i concetti base dei sistemi di rivelazione di radiazione basati su sensori a semiconduttore. Lo studente verrà introdotto ai concetti di base dell’interazione tra radiazione e materia e alle principali architetture di rivelatori al silicio con l’associata elettronica di lettura a basso rumore.

Conoscenza e capacità di comprensione
• Conoscenza approfondita delle configurazioni e delle caratteristiche fondamentali degli amplificatori operazionali e del loro utilizzo.
• Conoscenza delle principali architetture dei convertitori A/D e D/A.
• Comprensione delle sorgenti di rumore nei circuiti elettronici e conoscenza di tecniche di filtraggio di base
• Comprensione dei principi operativi di alcuni dei principali rivelatori di radiazione a semiconduttore e dell’elettronica di lettura associata.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
• Analisi di un circuito elettronico a partire dall’individuazione dei parametri di funzionamento dei componenti individuali, mantenendo la consapevolezza delle approssimazioni utilizzate.
• Progettazione e dimensionamento di circuiti analogici retroazionati contenenti amplificatori operazionali.
• Verifica delle analisi e del dimensionamento dei circuiti attraverso l’utilizzo di un simulatore. Conoscenza e uso autonomo di software per la simulazione circuitale (es. PSpice).
• Analisi e stima delle figure di merito e delle prestazioni di uno specifico sistema di rivelazione anche tenendo conto delle caratteristiche dell’elettronica di lettura utilizzata

Abilità comunicative
• Saper comunicare le conoscenze apprese e il risultato della loro applicazione utilizzando una terminologia appropriata

Capacità di apprendimento
• Saper prendere appunti, selezionando e raccogliendo le informazioni a seconda della loro importanza e priorità

Il corso richiede nozioni base di circuiti elettrici, dispositivi elettronici, e fondamenti di automatica. Lo studente deve essere familiare con il concetto di risposta in frequenza di un circuito e di trasformata di Laplace. Un breve richiamo a questi argomenti verrà fatto all’inizio del corso. È inoltre consigliata la conoscenza di base della fisica dei semiconduttori.

Concetti introduttivi e ripasso:
• concetti di base di teoria dei circuiti elettrici.
• Circuiti equivalenti Thevenin e Norton.
• Risposta nel tempo e analisi in frequenza di circuiti elementari.
• Diagrammi di Bode.
• Diodi e transistori MOS.

Amplificatori Operazionali (OpAmps)
• Caratteristiche principali di amplificatori operazionali ideali e non ideali.
• Utilizzo di OpAmp ad anello aperto (comparatore)
• Caratteristiche di sistemi retroazionati. Concetto di guadagno ideale, guadagno d’anello e guadagno reale. Calcolo delle impedenze di ingresso e di uscita.
• Risposta in frequenza e stabilità di circuiti retroazionati con OpAmp
• Circuiti con amplificatori operazionali: amplificatore sommatore, amplificatore delle differenze, amplificatore per strumentazione, integratore di Miller e approssimato, derivatore ideale e derivatore approssimato, filtri.
• Blocchi elementari della struttura interna di OpAmp: stadio differenziale, specchi di corrente e stadi di uscita
• Circuiti non lineari con OpAmp e configurazioni con retroazione positiva. Cenni di generatori di forme d'onda e oscillatori.

Conversione Digitale-Analogica (DAC) e Analogico-Digitale (ADC)
• Convertitori DAC: architetture principali (es. R scalate, R-2R), precisione, errori e non linearità.
• Convertitori ADC. Caratteristica di trasferimento di un ADC, errore di offset, di guadagno, di nonlinearità, INL e DNL, errore di quantizzazione.
• Esempi delle principali architetture ADC: flash, a contatore-rampa, tracking a gradinata, ad approssimazione successiva
• Circuiti di Sample-and-Hold

Rumore nei dispositivi e nei circuiti elettronici:
• Sorgenti di rumore nei resistori e nei transistori e rappresentazione tramite generatori equivalenti di ingresso. Romore termico, rumore shot e rumore 1/f.
• Generatori di rumore equivalenti di ingresso negli Amplificatori Operazionali.


Rivelatori a semiconduttore e elettronica associata:
• Semiconduttori come rivelatori di radiazione.
• Tipica catena elettronica di lettura.
• Principali caratteristiche dei sensori in Si (es. PIN diodes, CCDs, Active pixels).
• Esempi di applicazioni.

• Sedra, Smith: Microelectronic Circuits, 7th Ed. Oxford University Press. CI sono diverse edizioni. Tutte le edizioni a partire dalla quinta possono essere utilizzate
• Richard Jaeger, Travis Blalock, Microelectronic Circuit Design, 6th Edition, ISBN10: 1259852687 | ISBN13: 9781259852688

Il raggiungimento degli obiettivi dell'insegnamento viene valutato attraverso la partecipazione alle attività e alle esercitazioni assegnate durante il corso e un esame finale scritto.

scritto

Lezioni frontali in aula. Per la maggior parte degli argomenti le lezioni teoriche verranno accompagnate da esempi ed esercizi svolti in aula.

Nelle ore di laboratorio è previsto l’utilizzo di un software di simulatore circuitale. Questo permetterà allo studente di verificare le conoscenze acquisite e apprezzare l’impatto delle approssimazioni introdotte per la soluzione analitica di alcuni esercizi.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Capitale umano, salute, educazione" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile