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 degli amplificatori operazionali, comprese le loro caratteristiche e limitazioni. Sarà in grado di comprendere e progettare i blocchi principali di un sistema integrato analogico e dei circuiti lineari contenenti amplificatori operazionali. Inoltre, lo studente acquisirà una conoscenza approfondita delle principali tecniche e architetture circuitali per la conversione da analogico a digitale e da digitale ad analogico.
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. Saranno forniti gli strumenti necessari per l'ottimizzazione del rapporto segnale-rumore, elemento chiave nella progettazione di catene di misura, anche tramite un'introduzione alle principali tecniche di filtraggio.
A seconda del progresso nell'apprendimento della classe, verranno introdotti i concetti base dei sistemi di rivelazione di radiazione basati su sensori a semiconduttore per affrontare i possibili aspetti applicativi nell'ambito dell’ingegneria fisica. Lo studente sarà 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.
• Comprensione approfondita e utilizzo di circuiti con retroazione. Valutazione della stabilità e dei parametri principali come guadagno ideale, guadagno reale, guadagno d’anello e banda di frequenza.
• 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
• Conoscenza dei i fondamenti di reti logiche combinatorie e sequenziali
• A seconda dei progressi della classe, 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.
• Circuiti non lineari con OpAmp
• Introduzione alla struttura interna di OpAmp: stadio differenziale, specchi di corrente e stadi di uscita.

Conversione Digitale-Analogica (DAC) e Analogico-Digitale (ADC)
• Se necessario, ripasso di fondamenti di elettronica digitale
• 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 e modelli fisici per il rumore termico, rumore “shot” e rumore 1/f.
• Sorgenti di rumore nei transistori e rappresentazione tramite generatori equivalenti di ingresso.
• Generatori di rumore equivalenti di ingresso negli Amplificatori Operazionali.

Rivelatori a semiconduttore e elettronica associata (trattato a seconda dei progressi della classe):
• Semiconduttori come rivelatori di radiazione.
• Tipica catena elettronica di lettura: architetture a basso rumore e filtraggio ottimo.
• 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

Struttura dell’Esame Finale:
L'esame finale valuta le conoscenze applicate e le capacità di problem-solving degli studenti attraverso esercizi basati sul materiale trattato a lezione, concentrandosi sull’analisi pratica di dispositivi e circuiti, sul design circuitale e sulla valutazione del rumore. Saranno inoltre valutate le conoscenze teoriche per verificare la comprensione dei concetti fondamentali.

• Problem-solving pratico (≥ 50-70% dell’esame): La maggior parte delle domande valuterà la conoscenza applicata sui dispositivi a semiconduttore e sui circuiti analogici, inclusi amplificatori (a singolo e multiplo transistore), configurazioni con amplificatori operazionali che includono anche strutture retroazionate e convertitori analogico-digitale.
• Conoscenze teoriche (fino a 9/30 del voto finale): Alcune domande valuteranno la comprensione teorica approfondita dei principali argomenti del corso.

Valutazione:
Ogni esercizio viene valutato singolarmente, e i punteggi sono sommati per determinare il voto finale. È richiesto un minimo di 18 punti per superare l’esame, mentre i voti superiori a 30 consentono di ottenere la lode

Criteri di Valutazione:
I voti riflettono sia la comprensione pratica sia la capacità di comunicare efficacemente le soluzioni tecniche. La scala di valutazione tiene conto dei diversi approcci per raggiungere lo stesso punteggio, sia tramite una copertura esaustiva degli argomenti sia attraverso una maggiore profondità in temi specifici.

Punteggi di 18-22 indicano:
• Competenze di base nel problem-solving e una comprensione fondamentale dei principi relativi a dispositivi a semiconduttore e circuiti.
• Capacità analitica limitata, con necessità di guida nell'interpretare i dati e applicare i concetti fondamentali.
• Competenze comunicative adeguate, con uso corretto ma essenziale della terminologia tecnica.
Punteggi di 23-26 riflettono:
• Una comprensione competente dei principi di elettronica, con buone capacità di problem-solving che coprono la maggior parte degli argomenti del corso.
• Abilità di problem-solving indipendente, con interpretazione efficace dei dati e giustificazione logica delle soluzioni.
• Linguaggio tecnico chiaro e strutturato, che comunica in modo efficace metodi e conclusioni.

Punteggi di 27-30 dimostrano:
• Conoscenza avanzata e forti competenze di problem-solving, con applicazione efficace dei principi ingegneristici alla maggior parte o a tutti gli argomenti del corso.
• Alte capacità analitiche e di giudizio indipendente, con conclusioni ben supportate e logiche.
• Comunicazione fluida e precisa, con uso accurato della terminologia tecnica e chiara esposizione di concetti complessi di ingegneria.

La “Lode” è attribuita per:
• Capacità analitiche eccezionali e comprensione completa, dimostrando padronanza del problem-solving in tutti gli argomenti trattati.
• Giudizio indipendente superiore e capacità di sintesi, affrontando problemi complessi con precisione.
• Eccellenti capacità comunicative, utilizzando un linguaggio professionale per presentare concetti avanzati, analisi e soluzioni con chiarezza e precisione.

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.

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