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Oggetto:
Oggetto:

Elettronica applicata

Oggetto:

Applied Electronics

Oggetto:

Anno accademico 2021/2022

Codice attività didattica
FIS0010
Docenti
Prof. Angelo Rivetti (Titolare del corso)
Prof. Luca Pacher (Titolare del corso)
Corso di studio
008510-101 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Nucleare e Subnucleare e Biomedica
008510-103 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica dell'Ambiente e delle Tecnologie Avanzate
008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica del Sistema Meteoclimatico e delle Tecnologie Avanzate
Anno
1° anno, 2° anno
Periodo
Primo semestre
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Erogazione
Mista
Lingua
Italiano/ English upon request of an Erasmus student
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
È consigliata la frequenza del corso di Elettronica (MFN0573) della Laurea Triennale in Fisica.
It is recommended to have attended the Electronics (MFN0573) course during the Bachelor Degree in Physics.
Propedeutico a
Laboratorio Avanzato di Elettronica (MFN1324) e altri corsi di elettronica per la Laurea Magistrale in Fisica.
Advanced Electronics Laboratory (MFN1324) and other electronics courses for the Master Degree on Physics.
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Obiettivi formativi:

• fornire allo studente del secondo biennio, specializzando in fisica di tipo sperimentale, nozioni sul funzionamento di circuiti elettronici normalmente usati nei sistemi di misura, valutandone le prestazioni ed i limiti.

• il corso tratta le basi dell’ elettronica analogica e digitale con un approccio teorico-pratico, supportato dall'uso di un simulatore circuitale professionale.

 

Course goals: give the students a solid back ground on the design and use of the basic analog and digital building blocks employed in modern electronic systems. The learning will be supported by the use of a professional circuit simulator.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding)

Fondamenti di elettronica analogica e digitale in tecnologia CMOS.

 

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Alla fine del corso lo studente è in grado di analizzare e simulare blocchi analogici e digitali di base in tecnologia CMOS alla base dei moderni sistemi elettronici integrati e di progettare semplici interfacce per sensori di grandezze fisiche.

 

 

Knowledge and understanding

Fundamentals of analog and digital circuits in CMOS technology.

 

Applying knowledge and understanding

At the end of the course, the student should be able to analyse and simulate the fundamental analog and digital building blocks and to design simple readout circuits for sensors and transducers.

Oggetto:

Programma

Il corso si articola su 48 ore (corrispondenti a 6 CFU) di lezioni e risulta essere suddiviso in due parti.

PARTE I - Elettronica analogica [Prof. Rivetti - 32 ore]

Concetti fondamentali sugli amplificatori e loro rappresentazione con modelli a doppio bipolo. La retroazione negativa. Classificazione dei circuiti retroazionati: reazione parallelo-serie, parallelo-parallelo, serie-serie, serie-parallelo. Effetti  della retroazione sulle impedenze di ingresso e di uscita. Effetti di carico della retroazione. Stabilità e compensazione in frequenza dei circuiti retroazionati.

Richiami sui transistor MOS e BJT. Amplificatori elementari a transistors. Amplificatori differenziali. Common mode input range e common mode rejection ratio. Amplificatori operazionali a singolo stadio e multi-stadio. Driver di uscita in classe A e AB. Amplificatori fully differential e concetto di common mode feedback.  Riferimenti di tensione e corrente. Regolatori lineari. Introduzione al rumore nei circuiti elettronici.


 

PARTE II - Elettronica digitale [Dott. Pacher - 16 ore]

Introduzione. Segnali analogici vs. digitali, logica binaria, costanti e variabili logiche, esempi elettrici (TTL, CMOS, NIM, LVDS), ottici (fibra ottica, compact-disk) e magnetici (hard-disk). Stringhe binarie, MSB/LSB, endianess (big-endian vs. little-endian). Bit, byte e multipli (kB, MB, GB, TB). Sistemi di numerazione posizionali: decimale, ottale, esadecimale, binario. Esempi di codici binari: straight binary, BCD, one-hot/one-cold, termometrico, Gray.

Classificazione dei circuiti digitali (combinatori vs. sequenziali, sincroni/asincroni). Funzioni logiche combinatorie e tabelle di verità. Operatori logici fondamentali: NOT, AND, OR. Algebra di Boole e teoremi di DeMorgan, principio di dualità, NAND e NOR come porte logiche universali. Esempio (applicazione pratica): misura dell'efficienza di un rivelatore di tipo scintillatore. Equazioni di semplificazione e loro dimostrazione. Derivazione delle equazioni logiche a partire da tabelle di verità: minterms/maxterms, equazioni logiche come somma di prodotti (SOP) e prodotti di somme (POS). Equazione minima. Introduzione alle mappe di Karnaugh: costruzione, numerazione Gray, caselle/ righe adiacenti, esempi.

Semplificazione delle mappe di Karnaugh con esempi vari. XOR e XNOR. Realizzazione di blocchi combinatori di uso comune: multiplexer/demultiplexer, decoders, encoders, esempi (binary/Gray, Gray/binary, one-hot). Comparatore binario. Somma binaria, half-adder/full-adder, ripple-carry-adder. Sottrazione binaria, half-subtractor/full-sutractor. Moltiplicazione binaria (cenni). Barrel shifters. Esempio semplificato di Arithmetic Logic Unit (ALU) a 1-bit.

Realizzazione di circuiti digitali in logica CMOS. Il transistor MOS come interruttore, simboli usati in elettronica digitale, CMOS logic levels. CMOS inverter: richiami sull'amplificatore common-source, voltage-transfer characteristic (VTC), NMOS-only inverter e svantaggi, importanza del processo CMOS, CMOS inverter. Implementazione CMOS di NAND/NOR/AND/OR gates. Implementazione CMOS di funzioni logiche più complesse, pull-up network (PUN) vs. pull-down network (PDN). CMOS XOR/XNOR gates. CMOS switch, pass-gate logic, esempi (multiplexer pass- gate).

Lo stato di alta impedenza, esempi pratici (protocollo I2C). 3-state CMOS logic ed esempi: 3-state inverter, 3-state buffer, 3-state multiplexer. Ulteriori considerazioni sull'inverter CMOS: calcolo del consumo di potenza dinamico, noise margin, definizione operativa di tempo di ritardo (delay), input- slew vs. load capacitance, fan-in/fan-out, optimum transistor sizing per inverter, NOR e NAND gates. Dimostrazione del fatto che NMOS (PMOS) sia un buon pull-down (pull-up) device ma non il viceversa.

Introduzione all'elettronica digitale sequenziale. Circuiti con memoria, elemento bistabile di base, derivazione della caratteristica esponenziale in transitorio. Ring-oscillator come generatore di clock, oscillatore di Pierce. Latches vs. FlipFlops: NOR-based e NAND-based S/R latches, gated S/R latch, D-latch e D-Flip-Flop, tempo di setup e di hold.

Implementazione CMOS di latches e FlipFlops. Reset sincrono vs. asincrono. T-FlipFlop, J/K FlipFlop. Esempi di circuiti sequenziali: clock-divider, 1-bit register, ripple-counter, contatore sincrono binario, shift-registers (SISO/SIPO/PISO/PIPO), Johnson counter. Introduzione alle macchine a stati finiti, derivazione del diagramma di stato a partire da un circuito, encoding degli stati (straight binary, Gray, one-hot/one-cold), minimum cost vs. minimum risk, macchine di Mealy vs. Moore.

Il problema del timing nei circuiti digitali: timing-hazards e glitches nei circuiti combinatori (esempi), derivazione di setup/hold constraints per i circuiti sincroni. Introduzione alle memorie e loro classificazione. Implementazione CMOS della cella di RAM di base a 6 transistor e concetto di puntatore.

 

 

PART I - Analogic electronics [Prof. Rivetti - 32 hours]

Fundamental concepts on amplfiier. Amplifiers as dual port-networks. Negative feedback. Type of feedback: parallel-series, parallel-parallel, series-series, series-parallel. Effect of feedback on the input and output impedance. Loading effects of feedback networks. Stability and frequency compensation in feedback systems.

Fundamentals of MOS and BJT transistors. Review of elementary amplifying configurations. Differential amplifiers. Common mode input range and common mode rejection. Single stage and multi-stage operational amplifiers. Class A and AB output drivers. Fully differential amplifiers and common-mode feedback. Introduction to the noise in electronics circuits.

PART II - Digital electronics Dott. Pacher - 16 hours]

Principle of CMOS logic: combinatorial CMOS gates: NOT, AND, NAND, OR, NOR, XOR. Digital buffers. Sequential gates. RAM cells.

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Tradizionale alla lavagna con supporto di trasparenze proiettate in aula.

In ottemperanza alle ultime direttive ministeriali le lezioni si terranno in presenza nel rispetto del numero massimo di studenti ammessi in aula secondo le norme vigenti. Per poter seguire le lezioni in presenza gli studenti devono prenotare l'accesso alle aule attraverso la piattaforma Student Booking messa a disposizione dai servizi MyUniTO.

Gli studenti che per motivi di salute, fragilità o altra motivazione tra quelle previste dal regolamento di ateneo sono impossibilitati a seguire le lezioni in presenza potranno seguire le lezioni da remoto in modalità sincrona attraverso la piattaforma Webex UniTO.

Gli studenti possono liberamente consultare le video-registrazioni delle lezioni disponibili sulla pagina del corso dell'anno accademico 2020/21.

Nel caso in cui la situazione epidemiologica dovesse aggravarsi le lezioni torneranno ad essere svolte soltanto a distanza tramite piattaforma Webex previa decisione da parte degli organi competenti in merito.

Le room virtuali per seguire le lezioni da remoto saranno accessibili ai seguenti indirizzi:

https://unito.webex.com/meet/angelo.rivetti
https://unito.webex.com/meet/luca.pacher

 

Traditional using the blackboard with the help of additional slides.

In agreement with present University and sanitary rules all lectures will be held in presence according to the maximum number of students allowed in the class. In order to be able to attend the lectures in presence students have to book a seat in the class through the Student Booking platform from MyUniTO online services.

A streaming remote connection will be also always available though the Webex Unito platform for students that are not able to attend lectures in presence due to health issues, fragility or other motivations as specified by University rules.

All students can access past video lectures recorded during the Academic Year 2020/2021.

Webex links to attend lectures remotely are:

https://unito.webex.com/meet/angelo.rivetti
https://unito.webex.com/meet/luca.pacher

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame scritto (esercizi di analisi/sintesi di semplici circuiti analogici e digitali) seguito da esame orale. Il superamento dello scritto permette di accedere alla prova orale.

Come previsto dalle ultime direttive di Ateneo in merito all'emergenza sanitaria ancora in corso gli esami dovranno tenersi preferibilmente in presenza.

Gli studenti che per motivi di salute, fragilità o altra valida motivazione tra quelle previste dal regolamento in vigore sono impossibilitati a sostenere l'esame in presenza possono richiedere di sostenere l'esame da remoto attraverso la piattaforma Webex UniTO, specificando al momento della registrazione all'appello alla voce "note" valida motivazione per giustificare tale richiesta.

La modalità di esame in remoto non cambia rispetto all'esame in presenza.

 

 

Written exam (exercises) followed by an oral discussion.

In accordance to present University directives related to the COVID-19 emergency exams should be preferably in presence.

Students that due to health issues, fragility or other motivations as specified by University rules are not able to give the exam in presence can give the exam remotely through the Webex UniTO platform by providing a valid motivation during the registration procedure in the "notes" field fo the online registration form.

The remote exam also consists into a written part (exercises) followed by an oral discussion. 

Oggetto:

Attività di supporto

Al termine delle lezioni entrambi i docenti del corso mettono a disposizione alcune ore di lezione aggiuntive in preparazione dell'esame per rispondere a domande da parte degli studenti e discutere la soluzione di esercizi in stile di esame.

 

Extra hours for student questions and futher exercises before the first written exam.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

  • B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics, Wiley&Sons
  • B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill 
  • J.F. Wakerly, Digital Design, Principles and Practice, Prentice Hall
  • A.K. Maini, Digital Electronics, Principles, Devices and Applications, Wiley&Sons
  • M.M. Mano, C.R. Kime, Logic and Computer Design Fundamentals, Pearson
  • S. Kang, Y. Lebebici, CMOS Digital Integrated Circuits: Analysis and Design, McGraw-Hill
  • J.M. Rabaey, Digital Integrated Circuits: A Design Perspective, Pearson

  • B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics, Wiley&Sons
  • B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill
  • J.F. Wakerly, Digital Design, Principles and Practice, Prentice Hall
  • A.K. Maini, Digital Electronics, Principles, Devices and Applications, Wiley&Sons
  • M.M. Mano, C.R. Kime, Logic and Computer Design Fundamentals, Pearson
  • S. Kang, Y. Lebebici, CMOS Digital Integrated Circuits: Analysis and Design, McGraw-Hill
  • J.M. Rabaey, Digital Integrated Circuits: A Design Perspective, Pearson



Oggetto:

Note

 

Nessuna propedeuticità obbligatoria, ma è consigliata la frequenza del corso di Elettronica della laurea triennale. La frequenza delle lezioni e' fortemente consigliata.

 

It is advised to have already studied the material presented in the Electronics course of the first three years. Attending lectures is strongly advised.

Oggetto:

Orario lezioniV

GiorniOreAula
Martedì9:00 - 11:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica
Giovedì9:00 - 11:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 05/10/2021 al 13/01/2022

Registrazione
  • Aperta
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 04/03/2022 20:09
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