Il programma del corso prevede una prima fase di presentazione dei segnali e la loro trattazione analitica finalizzata alla risoluzione di circuiti, con l’individuazione degli intervalli operativi di frequenza e ampiezza, mediante filtri e limitazioni da saturazione dei livelli. Partendo dai metodi di caratterizzazione elettrica di specifici bipoli, vengono introdotte le reti due porte, specificatamente le quattro tipologie di amplificatori e in particolare l’operazionale. Con quest’ultimo è prima implicitamente e poi successivamente in modo esplicito evidenziata la base metodologica della tecnica della retroazione negativa e dei suoi effetti sui parametri caratterizzanti l’amplificatore senza retroazione. Vengono esaminati vari circuiti con OP che conducono lo studente alle possibili applicazioni di elaborazione dei segnali (integrazione, derivazione, somma, differenza, mixaggio, tosatura, …). L’introduzione della retroazione positiva amplia la panoramica dei circuiti agli oscillatori, multivibratori e generatori di funzioni. Segue una fase di dettaglio elettronico, che si cala nella descrizione dei componenti che realizzano gli OP e in generale i circuiti integrati. Dopo una breve introduzione della fisica dello stato solido, volta a identificare la specificità nei semiconduttori della presenza di due tipi di cariche elettriche mobili (elettroni e lacune) e a poter introdurre le due differenti correnti di trasporto e diffusione, sono presentati i componenti base: diodi a giunzione e transistori (bipolari e unipolari). La parte finale del corso esamina le differenti configurazioni dei transistori e la descrizione di alcune configurazioni notevoli di stadi in cascata di transistori, volti a esaltare/migliorare i parametri di amplificazione del singolo stadio (differenziale, cascode, Darlington, …). Le lezioni giornaliere sono quelle elencate di seguito: I riferimenti ai capitoli e alle appendici sono da intendersi quelli relativi al testo: Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Circuiti per la Microelettronica, Ed. EdiSES Università, V Edizione, 2019. Le dispense sono fornite nella sezione del corso e-learning di Sapienza. Settimana 1 Presentazione del corso. I segnali: analogici, digitali, spettro di frequenza. Richiami sui segnali periodici: sviluppo in serie, analisi spettrale del segnale, trasformata di Laplace, trasformata di Fourier. Realizzabilità dei sistemi di comunicazione, controllo e calcolo per la disponibilità di tecnologie elettroniche. Metodi di soluzione di circuiti non lineari: analitico, numerico al calcolatore (Spice), lineare a tratti, grafico. (Cap. 1.1, Cap. 1.2, Cap. 1.3) Presentazione del programma di simulazione di circuiti elettronici Spice-Capture. Altri prodotti di simulazione: LTSpice, Fritzing. Progettazione hardware e software: esempi prototipi Arduino. Esercitazione introduttiva SPICE-Capture, analisi: statica (punto di lavoro di un componente non lineare), soluzioni nel dominio del tempo (transient), soluzioni nel dominio della frequenza (AC). (Appendice B + Manuale Spice) Nozioni e metodi di base per la soluzione di circuiti elettronici: bipoli, reti due porte, reti due porte sbilanciate, caratteristiche statiche I-V, resistenze, generatori di tensione e corrente indipendenti, componenti passivi e attivi, resistenze serie, resistenze parallelo. Quadranti e potenza dissipata/erogata. Metodo grafico: bipoli in serie e parallelo. Applicazione del principio di sovrapposizione degli effetti. Equazioni alle maglie e ai nodi. Circuiti equivalenti di Thevenin e Norton. Regola del partitore di tensione. Regola del partitore di corrente. Teorema dell’assorbimento (Esercizi applicativi) (Appendici C e D) Settimana 2 Caratteristiche V-I di componenti elettronici e relativi modelli. Modelli lineari a tratti della caratteristica V-I di un bipolo. Esempi: caratteristica V-I di diodi, diodi zener, fotodiodi, cella solare, diodo tunnel. Modelli per grandi segnali del diodo. Modelli approssimati del diodo. Punto di lavoro. Sovrapposizione di un segnale di piccole dimensioni, limitazioni delle distorsioni, linearità. Separazione delle analisi: statica e di piccolo segnale. Sistemi lineari e non lineari: linearità locale e sovrapposizione degli effetti. Esempi di retta di carico statica e dinamica. Utilizzo dei modelli lineari a tratti per analisi circuitale e rappresentazione grafica della caratteristica ingresso-uscita. (Cap. 3.3+Cap. 3.4+Cap. 3.7, Appendice della Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”) Amplificatori: reti due porte. Tipi di amplificatori: AV, AI, GM, RM. Guadagno espresso in decibel. Legame tra dB di potenza e dB di tensione e corrente. Amplificatori in cascata. Relazioni tra i quattro modelli di amplificatori. Modelli unilaterali e retroazionati. (Cap. 1.4 e 1.5) Esercizi circuitali. Spice: Estrazione della caratteristica statica di un componente (DC sweep, impostazioni del Plot), misura mediante cursori, esempio di estrazione della caratteristica statica V-I di un bipolo (diodo 1N4002). Rete due porte con generatore controllato di tensione (Av_E) ad anello aperto e con retroazione. Componenti reattivi (C, L). Esempi di filtri RC. Risposta in frequenza degli amplificatori. Banda passante e definizione delle frequenze di taglio a -3dB inferiore e superiore. Richiamo di poli e zeri della funzione di trasferimento nel dominio di Laplace e nel dominio della frequenza. Reti a singola costante di tempo STC. Soluzioni nel dominio del tempo. Soluzioni nel dominio di Laplace e di Fourier. Metodo analitico di valutazione dei diagrammi di Bode di Ampiezza e Fase. (Cap. 1.6, Cap. 9.1: calcolo della frequenza di taglio inferiore+9.1.2+9.4, Appendice E, Appendice F) Settimana 3 Partitore compensato. Circuito RC con applicazione di un segnale a gradino; evoluzione nel tempo: costante di tempo. STC: relazione tra costante di tempo, frequenza di taglio a -3dB superiore e tempo di salita; relazione tra tilt (sag) e frequenza di taglio a -3dB inferiore. Calcolo della frequenza di taglio mediante il metodo delle costanti di tempo: approssimazione relativa agli zeri della funzione di trasferimento (Esercizi applicativi) (Appendice E, Appendice F, Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”) Introduzione all'operazionale ideale, realizzazione di una massa virtuale e sua valutazione analitica. Guadagno ad anello aperto di OP ideale e reale. Segnali differenziali e di modo comune. Interpretazione mediante la teoria delle controreazioni. Retroazione ideale. Amplificatore con retroazione negativa. Configurazione invertente, non invertente. Calcolo dell’amplificazione con guadagno ad anello aperto finito dell’OP. Resistenze di ingresso e d’uscita dell’OP ed effetto della retroazione. Circuiti con OP: somma pesata, circuiti somma-differenza, inseguitore di tensione, DAC, NIC. (Cap. 2.1, Cap 2.2, Cap 2.3) Esercizi circuitali con OP. Circuiti con OP: differenziale (modo comune e CMRR), derivatore, differenziale da laboratorio, differenziale con due OP. Teorema di Miller. Circuiti con OP: integratore di Miller, derivatore. (Cap. 2.4. Cap. 2.5, Cap. 9.3.3) Settimana 4 Struttura interna OP (cascata amplificatore differenziale, amplificatore di tensione e buffer d'uscita). Dipendenza dai parametri interni dell'amplificazione Ado e della frequenza di taglio a -3 dB ad anello aperto. OP: non idealità in continua (VOS, IOS, IBIAS), effetti del guadagno e banda di valore finito. Risposta in frequenza degli amplificatori ad anello chiuso. Limiti di funzionamento per grandi segnali (Saturazione della tensione d’uscita, corrente d’uscita, Slew rate, larghezza di banda a piena potenza). (Cap. 2.6, Cap. 2.7, Cap. 2.8) Approfondimento sulle tecniche di retroazione. Retroazione negativa. Guadagno d’anello. Fattore di retroazione. Proprietà della retroazione negativa. Le quattro tipologie di retroazione serie-parallelo, serie-serie, parallelo-serie, parallelo-parallelo. Effetti della retroazione sui parametri di amplificazione. (Cap. 10.1, Cap. 10.2, Cap. 10.3, Cap.10.5) Retroazione ideale e analisi sistematica. Uso del guadagno d’anello. Approccio alternativo: analisi utilizzando il “return ratio” (Rosenstark). Casi reali e tecniche di risoluzione. Effetto della retroazione sui poli della risposta in frequenza di un amplificatore: caso dell’OP. Effetti sulle resistenze d’ingresso e d’uscita. Il problema della stabilità dei sistemi controreazionati (cenni di analisi della stabilità con i diagrammi di Bode. Cenni su margine di fase e margine di guadagno). (Cap. 10.4, Cap. 10.5, Cap. 10.6, Cap 10.8.1÷10.8.4, Cap. 10.9.1÷10.9.2) Settimana 5 Introduzione alla retroazione positiva. Oscillatori sinusoidali e non lineari. Criterio di Barkhausen. Esempio di oscillatore sinusoidale: oscillatore a ponte Wien. Multivibratori bistabili. Generatori di forme d’onda quadre e triangolari. Multivibratore monostabile. (Cap. 14.1, Cap. 14.2.1, Cap. 14.4, Cap. 14.5) Continuazione multivibratori: generatori di forme d’onda quadre e triangolari. Multivibratore monostabile. Oscillatore controllato in tensione (VCO). (Cap. 14.4, Cap. 14.5, Cap. 14.6) Cenni di fisica dei dispositivi: semiconduttori intrinseci, estrinseci e degeneri. Bande di energia, equazione di continuità, correnti di deriva e di diffusione. La giunzione p-n, equazione di Shockley del diodo. Capacità di giunzione e di svuotamento. (Cap. 1.7, Cap. 1.8, Cap. 1.9, Cap. 1.10, Cap.1.11, Cap. 1.12, per approfondimenti Dispensa “Complementi di Elettronica dello Stato solido”) Settimana 6 Continuazione: La giunzione p-n, equazione di Shockley del diodo. Capacità di diffusione e di svuotamento. Richiamo di bipoli con caratteristiche V-I non lineari: diodi. Diodo ideale: caratteristica e prime applicazioni (raddrizzatore, limitatori o tosatori con diodi. porte logiche OR e AND con diodi, rivelatore di massimo e di minimo, circuito di aggancio (clamp), moltiplicatore di tensione continua, demodulatore di inviluppo). (Cap. 3.1, Cap. 3.2, Cap. 3.5.4, Cap. 3.6) Circuiti con diodo: analisi grafica, procedura iterativa di soluzione circuitale con Esercitazione modello esponenziale dei diodi. Effetto della frequenza sul circuito raddrizzatore: tempo di recupero inverso. Diodo come regolatore di tensione. Completamento regione inversa del diodo: breakdown, diodo zener. Coefficienti termici. Completamento effetto fotoelettrico: diodo led, laser, fotodiodo, cella solare. Diodi particolari: diodo a barriera, varactor. Rivelatore di massimo e di minimo, circuito di aggancio (clamp), moltiplicatore di tensione continua, superdiodo, rettificatore di precisione. Commutazione veloce: tempo di recupero inverso. Circuiti elettronici per le telecomunicazioni: esempio di utilizzo del modello generatore controllato polinomiale: prodotto misto di due tensioni. Porta di campionamento a diodi. Demodulatore di inviluppo. Mixer a diodo e mixer a diodi doppiamente bilanciato. (Cap. 3.3, Cap. 3.4, Cap. 3.7, Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”) Concetti base dell'architettura di un sistema elettronico: trasduttori, alimentatori, sincronizzatori, amplificazione, conversione, elaborazione, adattamento ingresso-uscita... Caratterizzazione di un sistema elettronico: analogico/digitale, banda di frequenza, dinamica, dissipazione, rumore endogenerato,... Il problema dell'alimentazione (richiamo del concetto "punto di lavoro"). Accenno sui sistemi di conversione AC-DC e DC-DC. Circuiti raddrizzatori a diodi: a semionda, a doppia semionda, con filtro capacitivo, raddrizzatore di precisione. Concetti di regolazione e stabilizzazione. Sottosistema alimentatore. Alimentatore stabilizzato a zener e regolazione. (Cap. 3.5, Dispensa “scheda_alimentatori_3.2.pdf”) Settimana 7 Introduzione ai transistori unipolari. Fisica del transistore JFET. Fisica e caratteristiche di un MOSFET a canale n e p. Caratteristiche ID-VDS e transcaratteristica ID-VGS in zona di saturazione. Resistenza d’uscita di valore finito in regione di saturazione. La tecnologia complementare CMOS. (Cap. 5.1, Cap. 5.2) Esercitazione su circuiti MOS in continua: connessione a diodo, generatore di corrente, circuiti CMOS. Circuiti in continua e polarizzazione dei transistori MOS. (Cap. 5.3) Continuazione esercitazione su circuiti MOS in continua: connessione a diodo, generatore di corrente, circuiti CMOS. Circuiti di polarizzazione per transistori MOS. Effetto body, effetti della temperatura, breakdown. MOSFET a svuotamento. (Cap. 5.3, Cap. 5.4) Settimana 8 Introduzione ai transistori BJT. Struttura fisica. Transistori npn e pnp. Funzionamento e modelli nelle regioni attiva, saturazione e interdizione. Caratteristiche IC-VCE, IB-VBE. (Cap. 4.1, Cap. 4.2) Circuiti a BJT in continua. Breakdown e dipendenza dalla temperatura. Caratteristica di trasferimento in tensione VTC. Limiti dell’amplificazione Av=f(VDD,Vov). Amplificazione e punto di lavoro. (Cap. 4.3, Cap. 6.1) Modelli per piccoli segnali di transistori MOS e BJT e parametri di amplificazione. Condizioni per modelli semplificati dei modelli per piccoli segnali. Modellizzazione dell’effetto body. Configurazioni base per MOS e BJT: CS, CD, CG, CB,CB,CE. Retroazione stabilizzante con resistenza di source e Drain-Gate. (Cap. 6.2, Cap. 6.3) Settimana 9 Continuazione configurazioni base per MOS e BJT: CS, CD, CG, CB,CB,CE. Circuiti di polarizzazione dei transistori. Esercitazione con circuiti BJT e MOS. Svolgimento dell’analisi per piccoli segnali direttamente sullo schema circuitale. (Cap. 6.3, Cap. 6.4) Retroazione stabilizzante del punto di lavoro, effetti sul segnale. Eliminazione della retroazione per il segnale. Amplificatori in cascata con separazione mediante condensatori di blocco e uso di condensatori di bypass. Criteri per la scelta della configurazione in un problema di adattamento e amplificazione di una grandezza elettrica. Risposta in frequenza degli amplificatori, in bassa e alta frequenza. Modelli ad alta frequenza. Metodo delle costanti di tempo. (Cap. 6.5, Cap. 9.1, Cap. 9.2, Cap. 9.3, Cap. 9.4.3) MOSFET: Componenti discreti e componenti integrati. Limiti imposti dalla tecnologia: guadagno intrinseco. Blocchi circuitali fondamentali degli amplificatori integrati: generatori d corrente, circuiti di pilotaggio in corrente. Tecniche di polarizzazione: polarizzazione con generatori di corrente. (Cap. 7.1, Cap. 7.2) Settimana 10 MOSFET: Cella di guadagno elementare. Gli amplificatori a source comune e ad emettitore comune con generatore di corrente di carico. Tecnologia CMOS. Amplificatori CG e CB (Cap. 7.3, Cap. 7.4) Amplificatore cascode e sue caratteristiche. Specchi a prestazioni elevate: cascode , Wilson, Widlar. Coppie notevoli di stadi a transistori. Configurazione Darlington. Bootstrap (Cap. 7.5, Cap. 7.6, Cap. 7.7) Continuazione: Amplificatore cascode e sue caratteristiche. Specchi a prestazioni elevate: cascode , Wilson, Widlar. Coppie notevoli di stadi a transistori. Configurazione Darlington. Bootstrap (Cap. 7.5, Cap. 7.6, Cap. 7.7) Settimana 11 Coppie notevoli di stadi a transistori. Amplificatore differenziale a BJT. Reiezione di modo comune. Offset di tensione di ingresso, offset di corrente e correnti di polarizzazione. (Cap. 8.2, Cap. 8.3.2, Cap. 8.4.2, Cap. 8.4.3) Amplificatore differenziale a BJT con carico attivo. Guadagno di modo comune e CMRR. Esercitazione: circuiti con transistori. (Cap. 8.5.4, Cap. 8.5.5) ATTIVITA’ DI LABORATORIO E’ prevista un’attività di laboratorio (esercitazione assistita) costituita da due ore settimanali (12/14 ore totali) di attività di simulazione software (Cadence/PSPICE) (Appendice B) e da 12/14 ore totali di esperienze ai banchi di misura. In particolare le esperienze ai banchi di misura riguardano: •Esperienze su schede elettroniche riconfigurabili realizzate in Dipartimento e contenenti: o OP (Configurazioni invertente e non invertente, integratore di Miller, Slew-rate e settling time, VCO) o Diodi (Rettificatore a semionda, onda intera, demodulatore di inviluppo, clamp, rettificatore di precisione) o BJT (Caratteristica statica di trasferimento ingresso uscita di una configurazione CE. Amplificatore in configurazione CE, effetti sull'amplificazione di un carico a basso valore resistivo; cascata CE-CC; bootstrap. Amplificatore differenziale BJT, generatore di corrente: Widlar, specchio di corrente). •Attività di progettazione con schede della Texas Instruments: Analog system Lab kit PRO.

Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Circuiti per la Microelettronica, Ed. EdiSES Università, V Edizione, 2019. Materiale integrativo Dispense, schemi PSPICE ed esercizi distribuiti in aula e disponibili sul sito web https://elearning2.uniroma1.it/course/view.php?id=4923