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Oggetto:
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Elettronica

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Electronics

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
MFN0573
Docente
Luca Pacher (Titolare del corso)
Corso di studio
008703 Laurea in Fisica
Anno
3° anno
Periodo
Secondo semestre
Tipologia
C=Affine o integrativo, D=A scelta dello studente
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Propedeutico a

Tesi triennale di ambito elettronico/sperimentale. Inserimento nel mondo del lavoro o della ricerca. Insegnamenti successivi di ambito elettronico della Laurea Magistrale quali Elettronica Applicata (FIS0010), Elettronica Digitale (FIS0117), Laboratorio Avanzato di Elettronica (MFN1324) e Microelettronica (FIS0119)

Electronics/experimental research work during the final Bachelor's Degree thesis. Job or professional research placement. Electronics courses of the Master's Degree programme such as Applied Electronics (FIS0010), Digital Electronics (FIS0117), Advanced Electronics Laboratory (MFN1324) and Microelectronics (FIS0119)

Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Scopo formativo dell'insegnamento è fornire un'introduzione all'uso delle trasformate di Fourier e  di Laplace (calcolo simbolico generalizzato) nell'analisi della risposta dei circuiti elettronici a segnali qualunque e una prima introduzione al funzionamento dei principali dispositivi elettronici a semiconduttore (diodi, transistori BJT/MOS, amplificatori operazionali) e al loro impiego per la realizzazione di circuiti attivi usati in strumentazione di misura.

La trattazione teorica degli argomenti è accompagnata da esercitazioni pratiche al calcolatore per introdurre l'uso di un simulatore circuitale SPICE professionale per lo studio e la progettazione dei circuiti elettronici.

Le conoscenze di base ottenute dall'insegnamento, che completa la sequenza Esperimentazioni II (FIS0112) e Laboratorio di Elettronica (MFN0580) per coloro interessati ad una formazione di primo livello in campo elettronico,  sono poi utilizzate negli insegnamenti di argomento elettronico più avanzati della Laurea Magistrale quali Elettronica Applicata (FIS0010), Elettronica Digitale (FIS0117), Laboratorio Avanzato di Elettronica (MFN1324) e Microelettronica (FIS0119)

The goal of the course is to give an introduction to the usage of Fourier and Laplace transforms for the analysis of the response of linear circuits (generalized s-plane symbolic circuit analysis) to generic signals and a first introduction to semiconductor electronic devices (diodes, BJT/MOS transistors, operational amplifiers) used to implement active circuits for measurements and instrumentation.

The theoretical treatment of the topics is accompanied by practical exercises with the computer to introduce the usage of a professional SPICE circuit simulator for the study and design of electronic circuits.

This course may be seen as a complement to the sequence Physics Laboratory II (FIS0112) and Electronics Laboratory (MFN0580) for students aiming to a first level introduction to electronics, also leading to more advanced electronics courses in the Master's Degree programme.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi



Conoscenza e capacità di comprensione

Familiarità con il processamento dei segnali nel dominio del tempo e della frequenza. Comprensione del funzionamento di semplici circuiti lineari, sia attivi che passivi. Comprensione del funzionamento dei sistemi a retroazione negativa e del problema della stabilità. Capacità di utilizzare un programma di simulazione circuitale SPICE per lo studio e la progettazione di circuiti elettronici.



Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Capacità di analisi di segnali in regime DC, AC e impulsivo. Capacità di analisi e sintesi di semplici circuiti passivi e attivi, anche mediante l'utilizzo di un simulatore circuitale SPICE.



Knowledge and understanding

Understanding of signals processing fundamentals in both time and frequency domains. Understanding of simple linear circuits, both passive and active. Understanding of negative-feedback systems and stability issues. Usage of a SPICE circuit simulator for the analysis and design of electronic circuits.



Applying knowledge and understanding

DC, AC and impulsive signals analysis. Analysis and synthesis of simple circuits, both passive and active, also with the support of a SPICE circuit simulator.

Oggetto:

Programma

L'insegnamento si articola su 48 ore di lezioni frontali. Di seguito un programma dettagliato degli argomenti proposti (cliccare su ogni sezione per espandere e visualizzare il contenuto).

 a) Richiami di teoria dei circuiti e legami con le equazioni di Maxwell

 

  • Forze elettriche, campo elettromotore. Definizione di tensione tra due punti e di forza elettromotrice. Campi elettrici conservativi e differenza di potenziale. Unità di misura, esempi di ordini di grandezza. Riepilogo sulle quazioni di Maxwell nel vuoto e in presenza di dielettrici, potenziale vettore e potenziale scalare, espessione generale di un campo elettrico.

  • Corrente elettrica: vettore densità di corrente elettrica, intensità di corrente elettrica, unità di misura. Legge di Ohm microscopica. Conducibilità e resistività. Dipendenza dalla frequenza e dalla temperatura. Legge di Ohm per un conduttore filiforme. Resistenza e conduttanza, unità di misura. Conduttori, semiconduttori e isolanti. Ordini di grandezza rappresentativi di correnti e tensioni in ambito elettrotecnico ed elettronico.

  • Derivazione delle leggi dei circuiti a partire dalle equazioni di Maxwell. Equazione di continuità e legge di Kirchoff per le correnti. Il problema della corrente di spostamento. Legge di Kirchoff per le tensioni. Limiti di validità delle leggi di Kirchoff, approssimazioni di quasi-staticità. Effetti di propagazione. Implicazioni sulle dimensioni fisiche di un circuito vs. frequenza operativa massima. Effetti di propagazione. Circuiti a parametri concentrati vs. distribuiti.

  • Bipoli elettrici: definizioni e loro classificazione. Caratteristica I/V e relazioni costitutive. Convenzione sui versi di tensione e corrente (convenzione dei generatori vs. utilizzatori). Bipoli passivi fondamentali: resistore, condensatore e induttore. Resistore: resistenza e conduttanza, ordini di grandezza rappresentativi in elettronica. Dipendenza dalla temperatura, coefficiente di temperatura, resistori PTC vs. NTC, termistori. Definizione di resistenza differenziale per componenti non lineari. Derivazione dei valori standard delle resistenze discrete commerciali. Significato statistico della tolleranza, introduzione all'importanza dell'analisi MonteCarlo nella progettazione di circuiti elettronici. Combinazioni serie e parallelo di resistori, resistenza equivalente.

  • Bipoli dinamici: condensatore e induttore, relazioni integro-differenziali tensione/corrente. Energia immagazzinata. Memoria e condizioni iniziali. Combinazioni serie e parallelo, capacità equivalente e induttanza equivalente. Impedenze complesse per tensioni sinusoidali. Sfasamento corrente-tensione.

  • Richiami sul calcolo simbolico fasoriale per tensioni sinusoidali, notazione di Steinmetz. Reattanza, ammettenza e suscettanza. Effetti parassiti e modellizzazione di elementi reali.

  • Bipoli degeneri: corto-circuito ideale, circuito aperto ideale. Bipoli teorici: nullatore, noratore.

  • Bipoli attivi: generatori tensione/corrente e loro classificazione. Generatori ideali vs. reali, caratteristiche I/V, resistenza interna, simboli circuitali, esempi. Partitore di tensione e partitore di corrente. Equivalenza tra generatori. Potenza elettrica, teorema di Tellegen. Teorema del massimo trasferimento di potenza, estensione al caso di impedenze complesse. Potenza vs. efficienza. Adattamento di impedenza. Generatori controllati, classificazione (vcvs/vccs/ccvs/cccs) e loro utilizzo per la modellizzazione di circuiti attivi. Teorema di sostituzione per impedenze. Collegamenti in serie e parallelo di generatori ideali. Alcune precisazioni sull'utilizzo del power-supply da laboratorio.

  • Ripasso su teoremi sui circuiti: teorema di sovrapposizione degli effetti e limiti di validità, teorema di Thevenin, teorema di Norton, teorema di Millman, teorema di Miller.

 

 b) Segnali e reti lineari tempo-invariante, calcolo simbolico generalizzato

 

  • Quadripoli, definizioni. Quadripoli passivi vs. attivi. Esempi: trasformatore ideale, partitore di tensione ed effetti di carico, partitore capacitivo. Partitori reattivi. Richiami su circuiti RC/RL passa alto e passa basso. Funzione di trasferimento per stimoli sinusoidali e dipendenza dalla frequenza. Rappresentazione modulo/fase e diagrammi di Bode, frequenza di taglio, decibel. Cenni alla rappresentazione di funzioni di trasferimento in forma polare e ai diagrammi di Nyquist, esempi (passa basso, passa alto, passa tutto).

  • Quadripoli lineari. Modello a parametri di impedenza. Definizione di impedenza di ingresso e uscita. Modello a parametri di ammettenza. Modello a parametri ibridi. Modello a parametri di trasmissione. Rappresentazione circuitale mediante generatori controllati. Effetti di carico e alterazione dei parametri. Quadripoli non lineari: linearizzazione e concetto di punto di lavoro. Esempi di calcolo di parametri di impedenza e ammettenza. Teorema di reciprocità, modelli a T e π per quadripoli passivi. Connessione a stella e triangolo.

  • Segnali e loro classificazione: definizione di segnale, esempi, segnali analogici, digitali e campionati, segnali deterministici e stocastici. Regime DC, AC, impulsivo. Esempi di segnali periodici e aperiodici di uso comune in elettronica: treno di impulsi, onda a dente di sega, onda triangolare, impulso esponenziale, impulso rettangolare. Funzioni gradino di Heaviside e delta di Dirac.

  • Segnali periodici e sviluppo in serie di Fourier. Spettro dei coefficienti. Dominio del tempo e della frequenza. Teorema di sovrapposizione. Esempi di calcolo dei coefficienti di Fourier per segnali di uso comune in elettronica: onda quadra e raddrizzamento a singola semionda. Esempio pratico: filtraggio di un segnale di tipo Pulse Width Modulation (PWM) e realizzazione di un semplice 1-bit DAC.

  • Estensione a segnali aperiodici, trasformata e anti-trasformata di Fourier, proprietà. Esempi di calcolo di trasformate di Fourier. Cenni all'adattamento della trattazione a segnali discreti campionati: teorema del campionamento di Nyquist-Shannon, frequenza di Nyquist, trasformata di Fourier a tempo discreto (DTFT), trasformata di Fourier discreta (DFT) e algoritmo Fast Fourier Transform (FFT). Esempio pratico: FFT all'oscilloscopio di un segnale di tipo onda quadra.

  • Estensione a segnali qualunque. Sinusoidi generalizzate e frequenza complessa. Trasformata e anti-trasformata di Laplace e proprietà. Esempi di calcoli di trasformate e anti-trasformate di Laplace per segnali notevoli. Introduzione all'uso delle tabelle delle trasformate. Risposta all'impulso h(t). Sistemi lineari tempo-invarianti (LTI) e integrale di convoluzione. Applicazione ai circuiti. Utilizzo della trasformata di Laplace per la risoluzione di equazioni differenziali. Trasformata di Laplace di elementi circuitali R, L, C. Impedenze complesse generalizzate. Metodo del calcolo simbolico generalizzato. Risposta al gradino e alla delta di circuiti RC/RL del primo ordine. Risposta al gradino e alla delta di circuiti del secondo ordine (RLC serie/parallelo). Poli, zeri e loro classificazione. Criteri di stabilità in base alla posizione dei poli. Cenni all'estensione della trasformata di Laplace a segnali discreti campionati (trasformata z).

  • Poli e zeri di funzioni di trasferimento. Scomposizione in fratti semplici e metodo dei residui, esempi. Risposta di quadripoli a stimoli sinusoidali. Risposta stazionaria sinusoidale per sistemi asintoticamente-stabili, teorema della risposta in frequenza. Fattorizzazione della funzione di trasferimento in forma di costante di tempo. Diagrammi del modulo e della fase, decibel. Approssimazione asintotica di Bode. Costruzione dei diagrammi di Bode per modulo e fase. Legame tra risposta in frequenza e sviluppo in serie di Fourier. Esempio: probe dell'oscilloscopio e sua compensazione, cancellazione polo-zero.

 

 c) Sistemi a retroazione negativa e amplificatori operazionali

 

  • Introduzione agli amplificatori e loro classificazione. Funzioni di trasferimento ingresso/uscita per quadripoli: guadagno di tensione, guadagno di corrente, guadagno di trans-impedenza e guadagno di trans-ammettenza. Effetti di carico. Modelli circuitali per amplificatori di tensione, corrente, trans-impedenza e trans-conduttanza. Segnali differenziali vs. single-ended.

  • Principio di funzionamento dei sistemi retroazionati. Retroazione negativa. Funzione di trasferimento a maglia aperta e a maglia chiusa. Approssimazione del guadagno a maglia chiusa per elevati guadagni a maglia aperta, errore percentuale sul guadagno a maglia chiusa. Modello equivalente per amplificatori di tensione retroazionati. Vantaggi e benefici della retroazione negativa: stabilizzazione del guadagno a maglia chiusa, effetti su impedenza di ingresso/uscita, effetti sulla banda passante.

  • Amplificatori operazionali (OP-AMPs). OP-AMP ideale vs. reale, caratteristiche. Principio della massa virtuale. Applicazioni: comparatore di tensione, amplificatore invertente e non-invertente, buffer, photo-diode amplifier, sommatore, amplificatore differenziale, integratore e derivatore, amplificatore logaritmico e anti-logaritmico, moltiplicazione tra tensioni. Risposta in frequenza e diagrammi di Bode per il guadagno a maglia aperta. Banda passante, frequenza di guadagno unitario e prodotto guadagno-banda. Effetto della retroazione sulla banda passante. Risposta al gradino. Limitazione di slew-rate. Introduzione al problema della stabilità nei sistemi a retroazione negativa. Criteri di Barkhausen.

 

 d) Introduzione al processamento dei segnali da rivelatori di radiazione

 

  • Richiami di interazione radiazione-materia. Rilascio di carica al passaggio di radiazioni ionizzanti. Rivelatori a gas e a stato solido. Capacità del rivelatore. Teorema di Shockley-Ramo. Profilo di corrente nel sensore e approssimazione a delta di Dirac. Circuito elettrico equivalente di piccolo segnale per rivelatori di radiazione. Accoppiamento AC vs. DC tra elettronica e sensore.

  • Amplificatore di carica ideale. Effetto del guadagno finito sull'efficienza di raccolta della carica. Teorema di Miller.

  • Formazione del segnale. Definizioni: peak-time, rise-time, pulse-amplitude. Filtro CR-RC e funzione di trasferimento. Implementazione con amplificatori operazionali. Discriminatore e binary readout.

 

 e) Richiami di fisica dei dispositivi a semiconduttore (se necessario)

 

  • Richiami sulla conduzione elettrica nei metalli. Modello di Drude. Modello a gas di elettroni di Sommerfeld-Fermi. Potenziale periodico e teorema di Bloch. Potenziale di Kronig-Penney. Origine fisica della struttura a bande di energia. Banda di valenza e banda di conduzione. Energy gap. Teoria delle bande energetiche nei solidi. Classificazione tra conduttori/semiconduttori/isolanti in termini di bande energetiche.

  • Semiconduttori non-drogati (intrinseci). Moto di portatori in un potenziale periodico. Relazione di dispersione energia/impulso. Massa efficace e introduzione del concetto di lacuna. Calcolo delle concentrazioni di elettroni/lacune all'equilibrio per un semiconduttore intrinseco. Dipendenza dalla temperatura.

  • Semiconduttori drogati (estrinseci). Necessità del drogaggio. Atomi donori e accettori. Drogaggio n-type e p-type. Legge di azione di massa. Correnti in un semiconduttore drogato. Corrente di diffusione e corrente di deriva. Relazione di Einstein tra mobilità e coefficiente di diffusione.

  • Giunzione PN. Trattazione all'equilibrio. Moti di diffusione e ricombinazione, formazione della zona di svuotamento. Profili spaziali di densità di carica, campo elettrico e potenziale elettrico. Potenziale di built-in. Funzionamento in polarizzazione inversa. Estensione della regione di svuotamento. Corrente di saturazione inversa. Capacità di giunzione. Utilizzo come rivelatori di radiazione. Funzionamento in polarizzazione diretta. Raddrizzamento delle bande. Forward current. Equazione di Shockley.

 

 f) Dispositivi elettronici e circuiti attivi

 

  • Introduzione storica agli amplificatori elettronici. Circuiti attivi, rigenerazione del segnale. Cenni sul principio di funzionamento del diodo a vuoto (realizzazione, equazione di Richardson–Dushman, equazione di Child-Langwir). Cenni sul principio di funzionamento delle valvole termoioniche (triodo, tetrodo e pentodo) per realizzare circuiti di amplificazione.

  • Richiami sul diodo al silicio e sui principali circuiti con diodi (se necessario).

  • Richiami sul transistor bipolare a giunzione (BJT). Struttura geometrica, drogaggi, transistor NPN vs PNP, Regioni di funzionamento e principio di funzionamento. Correnti di emettitore, base e collettore. Coefficiente di trasmissione e guadagno in corrente a emettitore comune β. Caratteristiche I/V in ingresso e in uscita. Saturazione e interdizione. Amplificatore common-emitter. Punto di lavoro, linearizzazione e amplificazione in tensione.

  • Introduzione al transistore ad effetto di campo MOS. Struttura geometrica, principio di funzionamento, drogaggi, aspect-ratio, oxide capacitance, polarizzazione del substrato, parametri di progetto vs. parametri di processo. NMOS vs. PMOS transistors. Il condensatore MOS: accumulo di carica nel canale, inversion layer, distinzione tra weak/moderate/strong inversion, definizione di tensione di soglia. Introduzione alle tecnologie CMOS moderne. Il transistor MOS come interruttore digitale on/off. Livelli logici CMOS. Realizzazione CMOS delle porte logiche digitali fondamentali: NOT, NAND, NOR, AND, OR. Teorema di De Morgan. NAND e NOR come porte logiche universali.

  • Derivazione della caratteristica I/V in regione deep-triode, lineare e di saturazione. Square-law. Effetto di modulazione della lunghezza di canale. Amplificatore common-source. Linearizzazione e amplificazione. Modello equivalente di piccolo segnale e transconduttanza.

  • Circuiti fondamentali attivi BJT e MOS: amplificatori a singolo stadio e multi-stadio, connessione a diodo, specchi di corrente, amplificatori differenziali, amplificatori operazionali.

The course consists of 48 hours of lectures. In the following a detailed overview of topics proposed and discussed in the course (left-click on each section to expand and view the content).


 a) Review of circuit theory fundamentals and links with Maxwell's equations

 

  • Voltage and electromotive force definitions. Electric current density vector. Electric current intensity. Microscopic form of the Ohm's law. Electrical conductivity and resistivity. Frequency and temperature variations. Ohm's law for a linear conductor. Resistance and conductance. Conductors, semiconductors and insulators. Electric power. Measurement units. Representative orders of magnitude for currents and voltages in electrical and electronic engineering fields.

  • Derivation of fundamental circuits laws from Maxwell's equations. Continuity equation and Kirchoff's current law. Displacement current. Kirchoff's voltage law. Limits of validity for Kirchoff's laws, quasi-static approximations. Propagation effects. Lumped vs. distributed circuits.

  • Fundamental two-terminals passive circuit elements: resistor, capacitor and inductor. I/V characteristics and constitutive equations. Series and parallel combinations, equivalent resistance, capacitance and inductance. Complex impedances for sinusoidal voltage waveforms. Current-voltage phase relationships. Review of symbolic circuits analysis. Reactance, admittance and susceptance. Parasitic effects and modeling of real two-terminal circuit elements.

  • Voltage/current sources and classification. Ideal vs. real sources, I/V characteristics, internal resistance, electrical circuit symbols, examples. Voltage divider and current divider. Equivalence between voltage and current sources. Electric power. Maximum power transfer theorem. Impedance matching. Controlled sources and their usage for active-circuits modeling. Thevenin's theorem. Norton's theorem. Millman's theorem. Some clarifications about the usage of the bench power supply in the lab.

 

 b) Signals and time-invariant linear networks, generalized symbolic circuit analysis

 

  • Classification of electric signals. DC, AC and impulsive signals. Two-ports networks. Passive two-ports networks, examples. Review of high-lass and low-pass RC/RL circuits. Transfer function for sinusoidal input stimuli and frequency dependency. Loading effects. Linear two-ports networks. Impedance parameters model. Admittance parameters model. Hybrid parameters model. Non-linear four terminal networks. Linearization, DC operating point. Examples. Four-networks T and π models. Star and triangle connections.

  • Periodic signals and Fourier series. Coefficients spectrum. Frequency domain and time domain. Superimposition theorem. Examples for commonly used electronic signals. Extension to non-periodic signals. Fourier transform and inverse Fourier transform. Short account on sampled discrete signals, Discrete Fourier Transform (DFT) and Fast Fourier Transform (FFT) algorithm. Practical example: FFT at the oscilloscope of a square waveform.

  • Extension to generic signals. Laplace transform and inverse Laplace transform. Properties and examples. Introduction to the usage of Laplace transform tables. Usage of the Laplace transform to solve circuits differential equations. Laplace transform of basic R,L,C two-terminal electric components. Generalized complex impedances. Generalized symbolic circuits analysis. Step and impulse response of first-order RC/RL circuits. Step and impulse response of second-order circuits (RLC series/parallel). Poles, zeros and classification. Stability criteria according to poles positioning.

  • Poles and zeroes of transfer functions. Partial fraction decomposition and residue theorem, examples. Factorization in time-constant form. Impulse response h(t). Steady-state sinusoidal response for asymptotically-stable systems, frequency response theorem. Magnitude and phase plots, decibel unit. Asymptotic Bode diagram approximation. Construction rules for Bode magnitude and phase diagrams. Frequency response and Fourier series. Practical example: oscilloscope probe compensation, pole-zero cancellation.

 

 c) Negative feedback systems and operational amplifiers

 

  • Introduction to electronic amplifiers and classification. Input/output transfer functions for two-ports networks: voltage gain, current gain, trans-impedance gain and trans-admittance gain. Loading effects and ideal conditions. Circuit models for voltage amplifiers, current amplifiers, trans-impedance amplifiers and trans-conductance amplifiers. Differential signals vs. single-ended signals.

  • Fundamentals of feedback systems. Negative feedback. Open-loop and closed-loop transfer functions. Closed-loop gain approximation for high open-loop gain. Voltage-feedback amplifier two-ports equivalent model. Advantages of negative feedback: closed-loop gain stabilization, effects on input/output impedances, bandwidth increase, noise and distortion improvements.

  • Operational amplifiers (OP-AMPs). Ideal vs. real OP-AMP. Virtual ground principle. Applications: voltage comparator, inverting and non-inverting amplifier, buffer, photo-diode amplifier, summing amplifier, differential amplifier, integrator and differentiator amplifiers, log/anti-log amplifiers, analog voltage multiplication. Frequency response and Bode diagrams for the open-loop gain. Bandwidth, unity-gain frequency and gain-bandwidth product. Feedback effect on the closed-loop bandwidth. Step response. Slew-rate limitation. Introduction to stability issues for negative-feedback systems. Barkhausen stability criteria.

 

 d) Introduction to signal processing for radiation sensors

 

  • Review of radiation interaction with matter. Radiation-induced charge deposition from ionizing particles. Gas and silicon detectors. Detector capacitance. Shockley-Ramo theorem. Detector current profile and Dirac delta-like approximation. Small-signal electric equivalent model for radiation sensors. AC vs. DC coupling between sensor and electronics.

  • The ideal charge amplifier (Charge Sensitive Amplifier, CSA). Effect of the finite open-loop gain on the charge-collection efficiency. Miller theorem.

  • Signal shaping. Definitions: peak-time, rise-time, pulse-amplitude. RC-CR filter and transfer function. Practical implementation using operational amplifiers. Hit discrimination and binary readout.

 

 e) Review of the physics of semiconductor devices (if needed)

 

  • Review of electrical conduction in metals. Drude model. Sommerfeld-Fermi free electron-gas model. Periodic potential and Bloch theorem. Kronig-Penney potential. Origin of the electronic band structure in solids. Valence band and conduction band. Energy gap. Theory of band structure in solids. Classification of conductors/semiconductors/insulators in terms of electronic band.

  • Non-doped (intrinsic) semiconductors. Charge carriers movement into a periodic potential. Energy/momentum dispersion relation. Effective mass and introduction to holes. Evaluation of electrons/holes concentrations at equilibrium for an intrinsic semiconductor. Temperature dependence.

  • Doped (extrinsic) semiconductors. Necessity of doping. Donors and acceptors atoms. n-type and p-type doping. Mass action law. Electric currents in doped semiconductors. Diffusion current and drift current. Einstein relation between mobility and diffusion coefficient.

  • PN junction. Zero-bias (equilibrium) operating mode. Diffusion and recombination, depletion region. Spatial of charge carrier densities, electric field and electric potential. Built-in potential. Reverse-bias operating mode. Widening of the depletion layer. Reverse saturation current. Junction capacitance. Solid states ionization chambers. Forward-bias operating mode. Band flattening, forward current, Shockley equation.

 

 f) Electronic devices and active circuits

 

  • Short historical introduction to electronic amplifiers. Principles of operation of vacuum diodes and vacuum tubes (triode, tetrode and pentode).

  • The Bipolar Junction Transistor (BJT). NPN and PNP devices. Geometrical structure. Operating modes and working principle. Emitter, base and collector currents, forward transmission coefficient. Common-emitter forward current gain β. Input and output I/V characteristics. Saturation and interdiction. Common-emitter amplifier. Quiescent point, linearization and voltage gain.

  • The MOS field effect transistor. NMOS and PMOS devices. Geometrical structure. Operating modes and working principle. Oxide capacitance and threshold voltage. Evaluation of the I/V characteristic in triode and saturation operating modes. Square-law. Channel-length modulation effect. The common-source amplifier. Quiescent point, linearization and voltage gain. Small-signal equivalent model and transconductance.

  • Fundamental active circuits with BJT and MOS transistors: single-stage amplifiers, current mirrors, differential amplifiers, operational amplifiers.

 

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Tradizionale utilizzando la lavagna. Per le lezioni non si utilizzano diapositive proiettate.

Ad integrazione delle lezioni teoriche in aula seguiranno anche alcune ore di esercitazione al computer nelle quali si farà utilizzo di un simulatore circuitale SPICE, nello specifico il pacchetto software LTspice messo a disposizione gratuitamente dalla Analog Devices. Per seguire queste esercitazioni si richiede di installare in autonomia questo programma, liberamente scaricabile a partire dal seguente indirizzo:

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

Il software è ufficialmente supportato per i sistemi operativi Windows e Mac ma può essere utilizzato senza alcun problema di installazione anche sotto Linux utilizzando l'applicazione Wine.

LTspice può essere inoltre installato senza privilegi di amministratore sul proprio account Windows centralizzato UniTo utilizzando una qualsiasi macchina disponibile nelle aule informatiche a partire dal seguente zip file:

http://personalpages.to.infn.it/~pacher/didattica/Elettronica/LTspice/LTspice_17.1.8.zip



INFORMATIVA COVID-19

In ottemperanza alle ultime direttive di Ateneo le lezioni si terranno in presenza.

Traditional using the blackboard. No slides will be used for lecturing.

Theoretical lectures will be followed by hands-on laboratories to introduce the usage of a SPICE circuit simulator, in particular the free LTspice software package provided by Analog Device. Each student is therefore requested to install this program, which is freely available starting from the following link:

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

This software is officially supported for Windows and Mac operating systems, but it runs out-of-the-box also under Linux through the Wine application.

LTspice can be also installed without high-privileges on any machine available in computing rooms and accessing UniTo central Windows accounts using the following zip file:

http://personalpages.to.infn.it/~pacher/didattica/Elettronica/LTspice/LTspice_17.1.8.zip



 COVID-19 INFORMATION

All lectures will be held in presence in agreement with present University and sanitary rules.

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Breve esame scritto della durata di circa un'ora (risoluzione di 3-4 esercizi di analisi e sintesi di semplici circuiti come quelli discussi a lezione) seguito da discussione orale. Il superamento dell'esame scritto permette di accedere alla prova orale. Esame scritto e orale vengono sostenuti nello stesso giorno. Durante lo svolgimento dell'esame scritto non è consentito l'utilizzo di appunti, formulari, libri di testo o altro materiale. L'utilizzo della calcolatrice, sebbene non necessario, è invece consentito. Parte integrante dell'esame orale anche una domanda "pratica" relativa all'utilizzo del simulatore circuitale LTspice per lo studio di un circuito proposto dal docente. Si ricorda inoltre che non è richiesto l'utilizzo del proprio PC, in quanto il docente metterà a disposizione un computer con LTspice installato.

Esempi di esame scritto sono disponibili alla voce Materiale didattico di questa pagina.

Per gli studenti/studentesse Erasmus: in caso di conoscenza limitata della lingua italiana o di altre difficoltà linguistiche entrambi gli esami scritto e orale possono essere sostenuti in lingua inglese senza alcuna limitazione.

 



INFORMATIVA COVID-19

Come previsto dalle ultime direttive di Ateneo gli esami dovranno tenersi in presenza.

Coloro 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.

Le modalità di esame in remoto non cambiano rispetto a quelle dell'esame in presenza.

Short written exam of the duration of about one hour (resolution of 3-4 exercises of analysis and synthesis of simple circuits as those proposed during lectures) followed by an oral discussion. Passing the written exam allows to proceed with the oral session. Both written and oral exams will occur on the same day. During the written exam the usage of personal notes, forms, textbooks or other resources is forbidden. Despite not required the usage of a calculator is allowed instead. As part of the oral discussion there will be a "practical" question related to the usage of the LTspice circuit simulator to study a circuit proposed by the teacher. For this part it is not required to bring your own laptop. A PC with a proper LTspice installation will be provided to students by the teacher in fact.

Sample past written exams are available in the Course material section of this page.

For Erasmus students: in case of limited knowledge of the Italian language both written and oral exams can be given in English instead.

 



 COVID-19 INFORMATION

In accordance to present University directives related to the COVID-19 situation exams should be held 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 request to give the exam remotely through the Webex UniTO platform by providing a valid motivation during the registration procedure in the "notes" field of the online registration form.

Remote examination procedures do not change with respect to those for the exam in presence.

Oggetto:

Attività di supporto

Al termine delle lezioni il docente mette a disposizione alcune ore di lezione aggiuntive in preparazione dell'esame per rispondere a domande e per discutere la soluzione di ulteriori esercizi in stile di quelli proposti nell'esame scritto.

Video-registrazioni lezioni A.A. 2021/2022

I link Webex alle video-registrazioni delle lezioni tenute nell'Anno Accademico 2021/2022 sono disponibili sulla pagina dell'insegnamento 2021/2022. L'elenco delle video-registrazioni è disponibile anche nella sezione Orario lezioni di questa pagina.

Video-registrazioni esercitazioni LTspice


Ulterioriore materiale video-registrato

Come materiale integrativo sulla piattaforma Moodle sono inoltre disponibili:

 

At the end of official course lectures the teacher is available for extra hours in preparation of the exam for questions and to discuss further exercises similar to those proposed in the written exam.

Video-recorded lectures A.Y. 2021/2022 (in Italian)

Webex links to video-recorded lectures held in the Academic Year 2021/2022 can be found on the 2021/2022 course page.

Video-recorded LTspice exercises (in Italian)


Additional video-recorded resources (in Italian)

Additionally on the Moodle platform students can also find:

 

 

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Non è richiesto acquistare un libro di testo specifico. Tutto il materiale di riferimento viene fornito dal docente ed è disponibile alla voce Materiale didattico di questa pagina.

Altri riferimenti utili sono:

  • G. Rizzoni, Principles and Applications of Electrical Engineering - McGraw-Hill
  • P.A. Lynn, An Introduction to the Analysis and Processing of Signals - Macmillan
  • A. Rivetti, CMOS Front-End electronics for Radiation Sensors - CRC Press
  • S.M. Sze, Semiconductor Devices, Physics and Technology - Wiley&Sons
  • G. Parker, Introductory Semiconductor Device Physics - CRC press
  • B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics - Wiley&Sons
  • D.A. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design - Wiley&Sons
  • C. May, Passive Circuit Analysis with LTspice: An Interactive Approach - Springer

 

Può forse interessare che il testo di Razavi è anche quello di riferimento per l'insegnamento di Elettronica Applicata (FIS0010), mentre il testo di Sze è tra i testi consigliati per l'insegnamento di Fisica dei Semiconduttori con Laboratorio (FIS0121), entrambi parte dell'offerta didattica della Laurea Magistrale.

Il libro Fundamentals of Microelectronics è inoltre accompagnato da una collezione di 45 video-lezioni tenute dall'autore Razavi e liberamente disponibili sul canale YouTube.

NOTA IMPORTANTE

Le "dispense" PDF delle lezioni (tracce delle lezioni redatte dal Prof. Menichetti, titolare dell'insegnamento fino all'Anno Accademico 2020-21) disponibili alla voce Materiale Didattico coprono buona parte degli argomenti proposti a lezione ma non tutti. Nello specifico questo materiale di riferimento non tratta:

  • il ripasso iniziale sui teoremi circuitali fondamentali
  • la teoria dei segnali discreti campionati (DTFT, DFT, FFT, trasformata-z)
  • il partitore compensato (probe dell'oscilloscopio)
  • la teoria della retroazione negativa
  • gli amplificatori operazionali
  • l'introduzione al processamento dei segnali da rivelatori di radiazione

La trattazione di questi argomenti è messa invece a disposizione nel materiale didattico presente nelle sezioni Articoli e Testi della stessa pagina. Si segnala inoltre che le stesse "dispense" contengono un vasto capitolo di ripasso sulla teoria dei semiconduttori da intendersi solo come riferimento in caso di lacune su questo argomento già trattato nell'insegnamento Struttura della Materia con Laboratorio. I due capitoli sul rumore elettronico (termico, flicker e shot) infine non fanno parte del programma proposto dal docente.

It is not required to buy a specific book for the course. All course material is available in the Materiale didattico section of this page.

Other additional useful references are:

  • G. Rizzoni, Principles and Applications of Electrical Engineering - McGraw-Hill
  • P.A. Lynn, An Introduction to the Analysis and Processing of Signals - Macmillan
  • A. Rivetti, CMOS Front-End electronics for Radiation Sensors - CRC Press
  • S.M. Sze, Semiconductor Devices, Physics and Technology - Wiley&Sons
  • G. Parker, Introductory Semiconductor Device Physics - CRC press
  • B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics - Wiley&Sons
  • D.A. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design - Wiley&Sons
  • C. May, Passive Circuit Analysis with LTspice: An Interactive Approach - Springer

 

It might be of interest to mention that the book by Razavi is the main reference texbook recommended for the Applied Electronics (FIS0010) course, while the book by Sze is one of the reference textbooks adopted for the Semiconductor Physics with Laboratory (FIS0121) course, both courses offered by the Master's Degree programme.

The book Fundamentals of Microelectronics is also accompanied by a collection of 45 video-lectures given by the author Razavi and freely available on the YouTube channel.

IMPORTANT NOTE

The available "dispense" in PDF (lecture notes written by Prof. Menichetti, lecturer for this course until Academic Year 2020-21) available in the Materiale didattico section of this page cover most of topics proposed during lectures but not all. In particular this reference material doesn't cover:

  • the initial review of circuits theorems and fundamentals
  • the theory of discrete-time sampled signals (DTFT, DFT, FFT, z-transform)
  • the compensation of the oscilloscope probe
  • the negative-feedback theory
  • operational amplifiers
  • the introduction to signal processing for radiation sensors

These topics are discussed instead in the additional material available in the Articoli and Testi sections of the same page. Moreover it is important to mention that these "dispense" contain a large review chapter  about the semiconductors theory that has to be considered as a reference for students missing fundamental concepts in these topic already covered ito the Matter Structure with Laboratory course. Finally, the two chapters giving an introduction to the electronic noise (thermal, flicker and shot) are not part of the program.



Oggetto:

Note

Frequenza non obbligatoria. Tuttavia è fortemente consigliato di seguire in presenza le lezioni.

Studenti/studentesse con Disturbi Specifici dell'Apprendimento (DSA) o disabilità sono pregati di prendere visione della documentazione ufficiale di Ateneo in merito alle modalità di supporto e alle modalità di accoglienza, ed in particolare delle procedure necessarie per il supporto in sede d'esame.

 

FAQ

In questa sezione possono essere raccolte le risposte alle domande frequenti in merito a questo insegnamento a scelta.


 

Attending lectures is not mandatory. However it is strongly recommended to attend the class.

Students with Specific Learning Disorders (SLD) or disabilities are encouraged to review the official documentation related to support and hospilatilty, with particular attention to the exam support procedures foreseen by the Ateneo.

 

FAQ

In this section can be collected frequently asked questions about this optional course. 


 

Oggetto:

Orario lezioniV

Lezioni: dal 29/02/2024 al 04/06/2024

Nota:

Le lezioni si terranno prevalentemente nella fascia oraria 16-18 con alcuni spostamenti nella fascia 14-16 oppure la mattina. Anche l'assegnazione delle aule varia in base al giorno di lezione.


Si consiglia quindi di prendere visione dell'orario dettagliato del corso sotto riportato, disponibile anche su CampusNet al seguente indirizzo:


https://fisica.campusnet.unito.it/do/documenti.pl/Show?_id=4vhq



Giorno       Orario     Aula     Note    
29/02/2024 - Gio 16-18 Verde Lezione  1 - Leggi dei circuiti vs. equazioni di Maxwell
07/03/2024 - Gio 16-18 Verde Lezione  2 - Effetti di propagazione. Potenza elettrica. Bipoli: definizioni
15/03/2024 - Ven 16-18 Aula A Lezione  3 - Bipoli dinamici, richiami sul calcolo fasoriale
22/03/2024 - Ven 09-11 Franzinetti Lezione  4 - Bipoli attivi. Ripasso di teoremi sui circuiti
03/04/2024 - Mer 16-18 Avogadro Lezione  5 - Quadripoli
04/04/2024 - Gio 16-18 Aula A Lezione  6 - Quadripoli (cont'd)
05/04/2024 - Ven 14-16 Verde CANCELLATA
16/04/2024 - Mar 09-11 B (Biochimica) CANCELLATA
30/04/2024 - Mar 14-16 Verde Lezione  7 - Effetti di carico su quadripoli. Classificazione dei segnali
02/05/2024 - Gio 16-18 Verde Lezione  8 - Trasformata di Fourier, teoria dei segnali campionati e FFT
03/05/2024 - Ven 16-18 Aula A Lezione  9 - Trasformata di Laplace
09/05/2024 - Gio 16-18 Verde Lezione 10 - Calcolo simbolico generalizzato, sistemi LTI
10/05/2024 - Ven 16-18 Informatica B Lezione 11 - Esercitazione LTspice
14/05/2024 - Mar 14-16 Verde Lezione 12 - Risposta al gradino e alla delta di circuiti RC
16/05/2024 - Gio 16-18 Verde Lezione 13 - Partitore compensato, probe dell'oscilloscopio
17/05/2024 - Ven 16-18 Franzinetti Lezione 14 - Risposta al gradino circuito RLC. Cenni alla trasformata z
20/05/2024 - Lun 09-11 B (Biochimica) Lezione 15 - Funzioni di trasferimento e diagrammi di Bode
21/05/2024 - Mar 14-16 Verde Lezione 16 - Quadripoli vs. funzioni di trasferimento
23/05/2024 - Gio 16-18 Verde Lezione 17 - Classificazione amplificatori
24/05/2024 - Ven 16-18 Aula A Lezione 18 - Retroazione negativa e OPAMP ideale
27/05/2024 - Lun 09-11 Avogadro (Chimica) Lezione 19 - Circuiti con OPAMP
30/05/2024 - Gio 16-18 Wick Lezione 20 - Analisi OPAMP in frequenza. Elettronica di Front-End
31/05/2024 - Gio 16-18 Informatica B Lezione 21 - Esercitazione LTspice
03/06/2024 - Lun 09-11 Disegno (Chimica) Lezione 22 - Elettronica di Front-End (cont'd)
03/06/2024 - Lun 14-16 Aula Verde Lezione 23 - MOS transistor
04/06/2024 - Mar 09-11 Aula Franzinetti Lezione 24 - MOS transistor (cont'd)




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    Ultimo aggiornamento: 16/06/2024 14:09
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