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PORTALE DELLA DIDATTICA

Sistemi elettronici, tecnologie e misure

03QXVOA

A.A. 2019/20

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Informatica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 67
Esercitazioni in aula 15
Esercitazioni in laboratorio 18
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Crovetti Paolo Stefano - Corso 2 Professore Associato ING-IND/31 36 15 0 0 4
Donati Guerrieri Simona - Corso 1 Professore Associato ING-INF/01 36 15 0 0 3
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-INF/01
ING-INF/07
6
4
B - Caratterizzanti
C - Affini o integrative
Ingegneria elettronica
Attività formative affini o integrative
2019/20
Questo insegnamento introduce gli aspetti caratteristici generali di un sistema elettronico. Sono illustrati i principali metodi di analisi, le scelte realizzative e le tecnologie di fabbricazione. L’insegnamento affronta in particolare lo studio di alcuni moduli elettronici fondamentali dell’Elettronica Analogica partendo dall’analisi dei principali dispositivi elettronici: amplificatori realizzati con amplificatori operazionali reazionati e stadi di interfacciamento. A supporto delle attività di laboratorio, il corso fornisce anche gli elementi di base per un utilizzo corretto della strumentazione fondamentale in un laboratorio di elettronica e misure. L'insegnamento comprende, infine, anche nozioni di Misure Elettroniche, con riferimento ai metodi di misura e alla strumentazione.
This course provides the general characteristics of an analog, digital or hybrid electronic system. The main analysis methods, implementation choices and fabrication technologies are presented. The course in particular is devoted to the study of some fundamental electronic modules like amplifiers realized with operational amplifiers in feedback configuration, interface stages and basic logic circuits, and analyzes the operation of the most important electronic devices. Laboratory activities are supported by an introduction to the correct exploitation of the basic instrumentation available in an electronic measurement laboratory.
L’insegnamento fornisce conoscenze di base che permetteranno allo studente di comprendere il funzionamento dei sistemi elettronici, identificarne le parti principali e valutarne le caratteristiche fondamentali. Vengono acquisite conoscenza dei modelli dei dispositivi, e la capacità di utilizzarli per progettare semplici circuiti analogici. I contenuti dell’insegnamento fanno riferimento a tre specifici domini: 1) Struttura di un sistema elettronico complesso, sue caratteristiche, interfacce e tecniche di realizzazione. 2) Tecnologie elettroniche, comportamento e modelli dei principali dispositivi a semiconduttore, in relazione al loro utilizzo in un sistema elettronico complesso. 3) Circuiti elettronici di base analogici (basati su amplificatori operazionali). L’allievo acquisisce la capacità di confrontarsi con le problematiche della sperimentazione su semplici circuiti, relativamente all’uso dei principali strumenti presenti nel laboratorio elettronico.
The course provides the basic knowledge allowing the student to comprehend the operation of electronic systems, identifying its main components and estimating its fundamental characteristics. Knowledge of semiconductor device models is acquired, together with the competence to design simple analog circuits. The course contents make reference to three specific areas: 1) Structure of a complex electronic system, its characteristics, interfaces and realization techniques. 2) Electronics technologies, behavior and models for the main semiconductor devices, in relation with their use in a complex electronic system. 3) Basic analog (based on operational amplifiers) electronic circuits. The student acquires the competences to cope with experimental issues on simple circuits, with reference to the use of the most important instruments available in an electronic measurement laboratory.
Sono necessarie conoscenze di base di matematica (calcolo differenziale e integrale, serie di Fourier), fisica (elettrostatica, corrente continua, fenomeni ondulatori), elettrotecnica (leggi fondamentali, modelli e metodi di analisi, diagrammi di Bode).
Basic knowledge of mathematics (integral and differential calculus), physics (electrostatics, DC current, wave phenomena), and circuit theory (fundamental laws, models and analysis methodologies) is required.
Formazione sperimentale (20h) - Misura e misurazione; incertezze e correzioni; incertezze strumentali e di lettura. - Uso dei principali strumenti di laboratorio: oscilloscopio, multimetro numerico, generatore di forme d’onda. Misure elettroniche (20 h) Misurazioni dirette ed indirette. Stima dell'incertezza di misura secondo il modello deterministico. Cenni al modello probabilistico. Metodi di confronto e di zero, metodo volt-amperometrico, metodi di ponte. Richiami sul processo di conversione Analogico/Digitale (AD) e sui convertitori AD maggiormente impiegati negli strumenti di misura. Strumentazione: multimetri numerici, voltmetri in alternata, oscilloscopio a memoria digitale: architettura di base, modalità di funzionamento, potenzialità e limiti. Strumenti per la misurazione di frequenza e intervalli di tempo. Prerequisiti / Conoscenze pregresse Sono necessarie conoscenze di base di matematica (calcolo differenziale e integrale, serie di Fourier), fisica (elettrostatica, corrente continua, fenomeni ondulatori), elettrotecnica (leggi fondamentali, modelli e metodi di analisi, diagrammi di Bode). Programma Formazione sperimentale (20h) - Misura e misurazione; incertezze e correzioni; incertezze strumentali e di lettura. - Uso dei principali strumenti di laboratorio: oscilloscopio, multimetro numerico, generatore di forme d’onda. - Realizzazione di un banco automatico di misura tramite interfaccia IEEE-488. Misure elettroniche (20 h) Misurazioni dirette ed indirette. Stima dell'incertezza di misura secondo il modello deterministico. Cenni al modello probabilistico. Metodi di confronto e di zero, metodo volt-amperometrico, metodi di ponte. Richiami sul processo di conversione Analogico/Digitale (AD) e sui convertitori AD maggiormente impiegati negli strumenti di misura. Strumentazione: multimetri numerici, voltmetri in alternata, oscilloscopio a memoria digitale: architettura di base, modalità di funzionamento, potenzialità e limiti. Strumenti per la misurazione di frequenza e intervalli di tempo. Introduzione all'elettronica (4.5h) - Segnali, sistemi e informazione. Proprietà del segnale nel dominio del tempo e della frequenza, segnale analogico e digitale. Sistemi elettronici, schemi a blocchi. Dallo schema a blocchi al circuito. - Ripasso e complementi di teoria dei circuiti (doppi bipoli). Introduzione ai dispositivi (15 h) - Proprietà dei semiconduttori (cenni) - Diodi: modelli di piccolo e di ampio segnale. Circuiti con diodi. Esercizi e Laboratorio. - Transistori MOS: caratteristiche statiche e regioni di funzionamento. Cenni sul transistore bipolare. - Transistori MOS in applicazioni analogiche: polarizzazione e piccolo segnale. Amplificatori (15 h) - Amplificatori di tensione, corrente, transconduttanza, transresistenza. - Amplificazione di tensione, di corrente, di potenza. Resistenza d’ingresso, resistenza d’uscita. Effetto di carico sull’ingresso e sull’uscita. Stadi in cascata. Esercitazione di laboratorio. - Stadi amplificatori basati su transistori MOS. Esercizi di analisi. - Limitazioni pratiche degli amplificatori: limitazioni statiche e dinamiche. - Introduzione all'amplificatore differenziale Amplificatori Operazionali (18 h) - Amplificatore operazionale. Retroazione negativa. Analisi di circuiti con operazionali ideali. - Amplificatori con operazionali ideale: amplificatore di tensione, corrente, transconduttanza e transresistenza. - Altri circuiti analogici basati su operazionali: inseguitore di tensione, amplificatore invertente, amplificatore esponenziale, amplificatore logaritmico, integratore, derivatore, sommatore generalizzato, amplificatore differenziale, filtri attivi (cenni). Esercizi di analisi. - Non-idealità degli operazionali reali: limitazioni statiche e dinamiche. Analisi di circuiti con operazionali in presenza di non-idealità (esercizi e laboratorio). Comparatori di Soglia (6 h) - comparatori di soglia. Caratteristica statica. Isteresi. Non-idealità (cenni) - generatore di onda quadra e triangolare Tecnologia CMOS (1.5 h) - tecnologia CMOS: wafer, tecnologia planare: principali passi tecnologici. Scalamento geometrico e legge di Moore.
Experimental formation (20h) - Prevention of accidents and laboratory behaviour - Measure and measurements: errors and corrections; reading and instrumental errors. - Use of the main laboratory: oscilloscope, tester and numerical, waveform generator. - Experimental laboratories. Electronic Measurements (20 h) - Uncertainty models, direct measurements / indirect - Instrumentation: digital oscilloscope, digital voltmeters, AC voltmeters - Measures time and frequency - Signal generators, synthesizers - RF Measurements Introduction to Electronics (4.5h) - Signals, systems e information. Signal properties in time and frequency domain, analog and digital signals. Electronic systems, block representation. From block scheme to circuit representation. - Circuit theory: review and extensions (two-ports). Introduction to electron devices (15 h) - Semiconductors (short overview). - Diodes: small- and large-signal models. Diode circuits. Exercises and Laboratory. - MOS Transistor: static characteristics and operating regions. Hints on the bipolar transistor. - Analog applications of the MOS transistor: bias and small-signal. Amplifiers (15 h) - Amplifiers: voltage current, transconductance and transresistance. - Voltage, current and power amplification. Input and output resistance. Load effects on the input and output. Cascaded amplifier stages. Laboratory. - MOS amplifier stages. Exercises. - Amplifier static and dynamic limiting factors. - Introduction to the differential amplifier Operational Amplifiers (18h) - Operational amplifier. Negative Feedback. Analysis of circuits with ideal operational amplifiers. - Amplifier stages with operational amplifiers: voltage current, transconductance and transresistance. - Other analog circuits based on operational amplifiers: voltage follower, inverting amplifier, logarithmic and antilogarithmic (exponential) amplifier, integrator, differentiator, summing amplifier, differential amplifier, active filters (overview). Exercises. - Real operational amplifier and non-idealities: static and dynamic limits. Analysis of circuits with non-idealities. Exercises and Laboratory. Voltage comparators (6 h) - Voltage comparators. Static characteristic. Hysteresis. Non-idealities (overview) - Waveform generators: square and triangular waves CMOS Technology (1.5 h) - CMOS technology: wafers, planar technology, main fabrication steps. Geometric scaling and Moore’s Law.
Il corso e’ strutturato in lezioni ed esercitazioni in aula (51 ore per la parte di elettronica e 31 ore per la parte di misure) e in esercitazioni di laboratorio (3 esercitazioni di elettronica, 3 di misure) di 3 ore ciascuna. Obiettivo Obiettivo dei laboratori è verificare quanto presentato a lezione, mettendo in evidenza i limiti dei modelli. L’organizzazione sarà tale da favorire il lavoro di gruppo e richiederà la stesura di relazioni. E’ previsto l’uso di circuiti premontati. Le esercitazioni seguiranno gli argomenti delle lezioni. Si analizzeranno i principi di funzionamento e le principali applicazioni dei dispositivi elettronici studiati. Verranno presentati esempi di soluzione di circuiti in tutte le topologie viste nella parte teorica. I laboratori saranno rivolti alla misura sperimentale di alcuni semplici circuiti premontati in modo da verificarne il funzionamento. La frequenza non è obbligatoria, ma se viene accompagnata dalla stesura di apposite relazioni, dà diritto a una votazione a parte che concorre alla votazione finale (vedi regole di esame)
The course is divided into theory lessons and practice classes exercises (31 hours for the measurement part and 51 hours of electronics) plus laboratories (3 labs for measurements and 3 labs of electronics). Practice classes will follow the lessons’ contents. Electron devices operation principles and their main applications will be discussed. Examples of circuit analysis with the topologies presented in the theroy part will be presented. The goal of laboratories is to check the lessons’ contents, pointing out the model limitations. The organization will be aimed to favour team working and will require the preparation of reports. Use will be made of pre-assembled testing circuits. Lab attendance is not mandatory but, when completed with Lab reports, allows to gain extra points for the final mark (see exam rules)
• Carullo, U.Pisani, A. Vallan, Fondamenti di misure e strumentazione elettronica , CLUT 2006 (ISBN: 978-88-7992-209-2) • N. Storey, Electronics: A system approach (4th Ed.), Pearson 2009 (ISBN: 978-0-273-71918-2) Testi di complemento • F. Bonani, S. Donati Guerrieri, G. Masera, G. Piccinini, Dispositivi e tecnologie elettroniche, CLUT 2007 (ISBN: 978-88-7992-252-4) • M. Zamboni, M.G. Graziano, Introduzione all’analisi dei Sistemi Elettronici, CLUT 2006 (ISBN: 88-7992-222-X)
• Carullo, U.Pisani, A. Vallan, Fondamenti di misure e strumentazione elettronica , CLUT 2006 (ISBN: 978-88-7992-209-2) • N. Storey, Electronics: A system approach (4th Ed.), Pearson 2009 (ISBN: 978-0-273-71918-2) Testi di complemento • F. Bonani, S. Donati Guerrieri, G. Masera, G. Piccinini, Dispositivi e tecnologie elettroniche, CLUT 2007 (ISBN: 978-88-7992-252-4) • M. Zamboni, M.G. Graziano, Introduzione all’analisi dei Sistemi Elettronici, CLUT 2006 (ISBN: 88-7992-222-X)
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
L’esame finale è costituito da una prova scritta comprendente 8-12 domande a risposta multipla (peso 10 punti) e 3-4 esercizi numerici (peso 20 punti) che verteranno su entrambe le parti del corso (Elettronica e Misure) in proporzione al numero di crediti. Il tempo a disposizione per la prova scritta è di 2 ore. Durante la prova scritta, non è consentito utilizzare libri, appunti o altro materiale didattico. L’esame potrà essere integrato, a discrezione del docente o su richiesta degli studenti che abbiano conseguito almeno 24/30 nella prova scritta, da un orale di circa 15' su tutti gli argomenti trattati a lezione e nei laboratori. Il punteggio finale sarà dato dalla votazione dello scritto cui sarà aggiunta la valutazione dell'orale tra -10 e +10 punti (nel caso sia stato effettuato l'orale) e la valutazione delle relazioni di laboratorio (se consegnate) tra 0 e +3 punti. Se il punteggio totale supererà i 32 punti, il voto dell’esame sarà 30 e lode.
Exam: Written test; Optional oral exam; Group essay;
The final assessment is based on a written test and a optional oral examination. The written test includes multiple choice questions (10 points) and numerical exercises related to the most important course topics (20 points). The time slot for the written examination is 2 hours. The written test is made individually with no support from any written material. The written exam may be integrated with a voluntary oral test, which can also be decided by the teachers: it is is 15-20 min long, will deals with all the topics treated during lessons and laboratories and allows -10/+10 points. The final score is given by a weighted average of the evaluations for the written and oral examinations plus the evaluation of the laboratory reports (between: 0 and +3). In the final mark is higher than 32, the laude is granted.


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