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PORTALE DELLA DIDATTICA

Elettronica applicata

04ATINX

A.A. 2023/24

2021/22

Elettronica applicata

Scopo del corso è rendere lo studente in grado di analizzare e progettare i circuiti che sono alla base degli odierni sistemi elettronici analogici e digitali. Partendo dalle basi fornite dai corsi precedenti di elettrotecnica, dispositivi e circuiti elettronici, vengono dapprima introdotti gli amplificatori operazionali reali, impiegati per realizzare funzioni lineari e non lineari. Si passa poi agli alimentatori lineari e a commutazione. Successivamente si studiano gli schemi base per il funzionamento in commutazione dei transistor e li si utilizza per analizzare la struttura delle porte logiche elementari. Completa il modulo l'analisi dei sistemi d'acquisizione dati. Il corso è orientato agli aspetti pratici della progettazione, con uso del laboratorio sia per la verifica sperimentale di quanto appreso teoricamente, sia per imparare ad operare con strumenti e circuiti. Il corso fornisce un bagaglio di conoscenze professionalizzanti, utili sia a chi deciderà di entrare nel mondo del lavoro alla fine del percorso di laurea triennale, sia a chi deciderà di proseguire nella magistrale approfondendo i vari temi introdotti da questo corso.

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The aim of the module is to learn to analyze and design circuits that are the base of today's electronic analog and digital systems. Building on the foundations provided by previous courses of electrical engineering, electronic devices and circuits, the operational amplifiers are first introduced and used in linear and nonlinear applications. The second topic covers linear and switching power supplies. Then we study the basic modes of operation of switching transistors and use them to analyze the structure of logic gates. The analysis of data acquisition systems completes the module. The course is oriented to the practical aspects of design, with use of the laboratory both for the experimental verification of what has been theoretically learned, and to learn how to work with instruments and circuits. The course provides a wealth of professionalizing knowledge, useful both for those who decide to enter the world of work at the end of the three-year degree course, and for those who decide to continue in the master's degree by deepening the various themes introduced by this course.

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Al termine dell'insegnamento gli studenti avranno acquisito familiarità con l'elettronica analogica e con gli aspetti elettrici dell'elettronica digitale. Saranno in grado di: - analizzare e interpretare il funzionamento di un circuito analogico di base; - progettare piccoli sistemi analogici a partire dalle specifiche; - progettare semplici alimentatori per circuiti elettronici; - dimensionare un circuito digitale e progettare l'interfaccia tra questo e un carico di potenza; - conoscere le caratteristiche dei sistemi di acquisizione dati classici e saperli dimensionare a partire dalle specifiche.

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Become familiar with analog electronics and electrical aspects of digital electronics. Design small analog systems from specifications. Design simple power supplies for electronic circuits. Design a digital circuit and the interface between it and a load. Understand the classic data acquisition systems and know how to design then from specifications.

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Per seguire con profitto il modulo lo studente deve conoscere la teoria delle reti elettriche, la loro analisi nel dominio del tempo e della frequenza, il funzionamento in linearità di transistori bipolari e MOS, il concetto di polarizzazione e piccolo segnale. Sono inoltre necessarie le nozioni base della teoria dei segnali e della retroazione. Per quanto riguarda le esercitazioni sperimentali, è necessario avere acquisito qualche familiarità nell'uso della strumentazione di laboratorio (oscilloscopio, alimentatore, generatore di segnali).

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The student must know the theory of electrical networks, their time domain frequency domain analysis, the operation in the linear region of bipolar transistors and MOS, the concept of bias and small signal. He/she also needs to know the basic concepts of signal theory and feedback. As for the experimental exercises, the student should have gained some familiarity in using laboratory equipment (oscilloscope, power supply, signal generator).

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Amplificatori operazionali (4 CFU) - Struttura degli amplificatori operazionali a BJT e MOS: specchio di corrente, stadio differenziale, stadio di potenza. Amplificatori di potenza a componenti discreti - Parametri parassiti degli amplificatori operazionali, risposta in frequenza, stabilità - Circuiti lineari: amplificatore, sommatore, amplificatore da strumentazione - Filtri attivi: primo ordine, secondo ordine, ordine superiore; filtri a capacità commutate - Circuiti non lineari: amplificatore logaritmico, diodo ideale - Comparatori di soglia, generatori di forme d'onda, VCO - Oscillatori sinusoidali: ponte di Wien, oscillatore a sfasamento, a tre punti Porte logiche e circuiti in commutazione (2 CFU) - Transistori bipolari e MOS in commutazione, interruttori, transmission gate, porte CMOS - Parametri statici e dinamici, famiglie logiche, uscita open drain e tri-state, ingressi a trigger di Schmitt - Interfacciamento con carichi di potenza e optoisolamento - Porte And-Or-Invert, logica dinamica - Circuiti sequenziali di base (latch, flip-flop, contatore); comportamento dinamico Alimentatori (1,5 CFU) - Struttura tradizionale con regolatore dissipativo - Struttura basata su regolatore switching Sistemi d'acquisizione dati (1 CFU) - Richiami di teoria del campionamento, quantizzazione; convertitore D/A (potenziometrico, resistenze pesate, rete a scala); convertitore A/D (flash, approssimazioni successive, inseguimento); Sample & Hold (integratore)

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Operational amplifiers (4 CFU) - structure of operational amplifiers with BJT and MOS: current mirror, differential stage, power stage. Power amplifiers with discrete components - Parasitic parameters of operational amplifiers, frequency response, stability - Linear circuits: amplifier, adder, instrumentation amplifier - Active filters: first order, second order, higher order; switched capacitor filter - Non-linear circuits: logarithmic amplifier, ideal diode - Threshold comparators, waveform generators, VCO - Sinusoidal oscillators: the Wien bridge, phase shift oscillator, three-point Logic gates and switching circuits (2 CFU) - Bipolar and MOS switching transistors, switches, transmission gates, CMOS gates - Static and dynamic parameters of logic families, open drain and tri-state outputs, Schmitt trigger inputs - Interfacing with loads and optical isolation - And-Or-Invert ports, dynamic logic - Basic sequential circuits (latches, flip-flops, counter); dynamic behavior Power supplies (1,5 CFU) - Traditional structure with dissipative controller - Switching regulator Data Acquisition Systems (1 CFU) - Elements of sampling theory, quantization; D / A converter (potentiometric, weighted resistors, R-2R ladder); A / D converter (flash, successive approximation, tracking); Sample & Hold (integrating)

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Il corso è diviso in lezioni ed esercitazioni tradizionali in aula o da remoto (8.8 CFU) e in esercitazioni di laboratorio (1.2 CFU). Per quanto riguarda l'attività in laboratorio, sono previsti 8 laboratori sperimentali da svolgere in gruppi di quattro studenti. Ogni gruppo di studenti riceverà a inizio corso in uso gratuito un sistema che realizza un banco di laboratorio virtuale (Analog Discovery 2 NI edition + scheda di interfaccia realizzata dal Politecnico di Torino). Il sistema dovrà essere restituito a Polito a fine corso. Utilizzando tale sistema il gruppo dovrà effettuare a casa l'esperienza di laboratorio. Se non ci saranno limitazioni all'uso dei laboratori, l'esperienza sarà ripetuta in laboratorio con la strumentazione tradizionale. Se invece saranno confermate le limitazioni attuali all'accesso ai laboratori sperimentali LED, uno studente per gruppo avrà accesso al LED per quattro laboratori, per un periodo di 3 ore. Ogni studente avrà quindi la possibilità di accedere una volta al laboratorio reale per portare a termine una delle esperienze previste, replicando quanto già fatto con la Analog Discovery e rilevando le differenze procedurali e gli scostamenti nelle misure dovuti alle differenti caratteristiche, sensibilità e precisione degli strumenti. Per ogni laboratorio i gruppi devono preparare una relazione utilizzando la piattaforma Exercise del Portale della Didattica. Su tale piattaforma i gruppi avranno a disposizione una procedura guidata che permetterà di svolgere passo passo l'esercitazione e riportare misure, grafici, immagini e commenti relativi ai progetti realizzati. La procedura deve essere ultimata entro una settimana dalla data di inizio del laboratorio. Il docente verificherà la percentuale di completamento della procedura e la genuinità di misure, grafici e immagini, definendo per ogni esperienza un voto. La media dei voti ottenuti costituisce parte del voto d'esame (20%, vedi sezione su criteri, regole e procedure d'esame). I laboratori vertono sui seguenti argomenti: 1. caratteristiche amplificatore operazionale; 2. filtro attivo; 3. amplificatore da strumentazione; 4. generatore d'onda triangolare o quadra; 5. Transistor bipolari e MOS in commutazione; 6. caratterizzazione di porte logiche; 7. regolatore di tensione dissipativo; 8. convertitore D/A.

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The course is divided into traditional classroom and remote lessons and exercises (8.8 ECTS) and laboratory exercises (1.2 ECTS). Laboratory activity includes 8 experimental workshops to be carried out in groups of four students. At the beginning of the course, each group of students will receive a system that creates a virtual laboratory bench (Analog Discovery 2 NI edition + interface card created by the Turin Polytechnic) for free use. The system will be returned to Polito by the students at the end of the course. Using this system, the group will have to carry out the laboratory experience at home. If the current limitations on access to the experimental LED laboratories are confirmed, one student per group will have access to the LED for four laboratories, for a period of 3 hours. Each student will then have the opportunity to access the real laboratory once and use traditional tools to complete one of the foreseen experiences, replicating what has already been done with Analog Discovery and detecting the procedural differences and deviations in the measurements due to the different characteristics, sensitivity and precision of the instruments. For each laboratory, the groups must prepare a report using the Didactic Portal Exercise platform. On this platform the groups will have a guided procedure that will allow them to carry out the exercise step by step and report related measurements, graphs, images and comments. The procedure must be completed within one week of the start date of the laboratory. The teacher will verify the percentage of completion of the procedure and the genuineness of measurements, graphics and images, defining a mark for each experience. The average of the marks obtained is part of the exam mark (20%, see section on exam criteria, rules and procedures). The subjects of the lab experiences are: 1. Operational amplifier characteristics; 2. Active filter; 3. Instrumentation amplifier; 4. Triangle or square wave generator; 5. Bipolar and MOSFET transistors in switching applications; 6. Characteristics of logic gates; 7. Dissipative voltage regulator; 8. D / A converter

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Il docente mette a disposizione sul portale della didattica diverse dispense in italiano che coprono la totalità dei contenuti del corso. Sul portale sono inoltre disponibili le tracce delle esercitazioni sperimentali ed alcuni esercizi risolti o proposti. Per approfondimenti e consultazioni il testo consigliato è: Sedra/Smith, 'Microelectronic Circuits', 7th ed., Oxford University Press, 2015. ISBN 978-0199339143

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Several lecture notes in Italian covering the entire contents of the module are available on the official Politecnico website, where it is also possible to download the specs of the experimental exercises, plus several proposed or solved design or theoretical exercises. For further details and discussions the recommended text is: Sedra / Smith, "Microelectronic Circuits", 7th ed. Oxford University Press, 2015. ISBN 978-0199339143

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;

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L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di calcolo alla soluzione di esercizi. Inoltre si tiene conto del lavoro svolto in laboratorio e quindi sia delle conoscenze pratiche ottenute, sia della capacità di tradurre queste conoscenze in una relazione tecnica. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. La valutazione dell'esame avviene in due momenti: una prova finale, mediata dalla valutazione delle relazioni di laboratorio. La prova finale consiste in un orale (due domande) preceduto da un esercizio scritto (tempo a disposizione: 30') che viene corretto all'inizio della prova orale. Durante lo scritto non è possibile la consultazione di alcun tipo di materiale (appunti, formulari, testi). E' possibile l'utilizzo di una calcolatrice NON programmabile. L'esercizio scritto consiste nel progetto di un circuito analogico (basato su amplificatore operazionale o su transistor). Viene quindi valutato se il candidato ha acquisito sufficienti abilità nella sintesi di semplici circuiti elettronici, come indicato tra gli obiettivi di esame. La valutazione dello scritto pesa per un massimo di 10 punti sul voto della prova finale. Le due domande teoriche invece sono volte a verificare la conoscenza teorica. Ogni domanda teorica viene valutata un massimo di 10 punti. La somma dei voti dello scritto e delle domande orali (VE) è un voto in trentesimi che pesa per l'80% del voto finale. Il 20% deriva invece dalla media in trentesimi delle valutazioni delle relazioni delle esercitazioni sperimentali (VL). Quest'ultima media è calcolata sulle migliori 6 relazioni di ogni studente. In caso lo studente abbia presentato meno di 6 relazioni, le relazioni mancanti sono mediate con valore 0/30. Il voto finale dell'esame, VF è ottenuto come: VF=VE*0,8+VL*0,2. Il voto ottenuto dalle relazioni di laboratorio è valido a tempo indeterminato, anche nel caso in cui lo studente sostenga la prova finale in anni accademici successivi a quello in cui ha frequentato il laboratorio.

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Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group project;

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The assessment is aimed at ascertaining the knowledge of the topics listed in the official program of the course and the ability to apply the theory and the relative methods of calculation to the solution of exercises. Furthermore, the work carried out in the laboratory is taken into account and therefore both the practical knowledge obtained and the ability to translate this knowledge into a technical report. The evaluations are expressed in thirtieths and the exam is passed if the score is at least 18/30. The evaluation of the course takes place in two stages: a final test, mediated by the evaluation of laboratory reports. The final test consists of an oral exam (two questions) preceded by a written exercise (available time: 30 ') which is corrected at the beginning of the oral exam. During the writing it is not possible to consult any kind of material (notes, forms, texts). It is possible to use a NON programmable calculator. The written exercise consists in the design of an analog circuit (based on an operational amplifier or on transistors). It is then assessed whether the candidate has acquired sufficient skills in the synthesis of simple electronic circuits, as indicated in the course objectives. The evaluation of the written test weighs up to 10 points on the final test mark. The two theoretical questions are instead aimed at verifying theoretical knowledge. Each theoretical question is evaluated a maximum of 10 points. The sum of the marks of the written and oral questions (VE) is a mark in thirtieth that weighs for 80% of the final mark. On the other hand, 20% derives from the average of the evaluations of the reports of the experimental exercises (VL, in thirtieth). This last average is calculated on the best 6 reports of each student. If the student has submitted less than 6 reports, the missing reports are averaged with a value of 0/30. The final mark of the examination, VF is obtained as: VF = VE * 0.8 + VL * 0.2. The mark obtained from laboratory reports is valid for an indefinite period, even if the student supports the final examination in academic years following the one in which he attended the lab workshops.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;

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L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di calcolo alla soluzione di esercizi. Inoltre si tiene conto del lavoro svolto in laboratorio e quindi sia delle conoscenze pratiche ottenute, sia della capacità di tradurre queste conoscenze in una relazione tecnica. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. La valutazione dell'esame avviene in due momenti: una prova finale, mediata dalla valutazione delle relazioni di laboratorio. La prova finale consiste in un orale, composto da tre domande, gestito con sessioni di virtual classroom o altre piattaforme che permettano riunioni a distanza (zoom o skype). La piattaforma e le modalità di accesso saranno comunicate direttamente agli studenti con ampio margine di tempo. La prima domanda è di tipo progettuale, viene cioè richiesto di impostare il progetto di un piccolo circuito analogico a partire da un insieme di specifiche e permette quindi di verificare le abilità acquisite nel gestire semplici circuiti elettronici. Le rimanenti due domande sono volte a verificare la conoscenza teorica. Ogni domanda viene valutata un massimo di 10 punti. La somma dei voti delle domande orali (VE) è un voto in trentesimi che pesa per l'80% del voto finale. Il 20% deriva invece dalla media in trentesimi delle valutazioni delle relazioni delle esercitazioni sperimentali (VL). Quest'ultima media è calcolata sulle migliori 6 relazioni di ogni studente. In caso lo studente abbia presentato meno di 6 relazioni, le relazioni mancanti sono mediate con valore 0/30. Il voto finale dell'esame, VF è ottenuto come: VF=VE*0,8+VL*0,2. Il voto ottenuto dalle relazioni di laboratorio è valido a tempo indeterminato, anche nel caso in cui lo studente sostenga la prova finale in anni accademici successivi a quello in cui ha frequentato il laboratorio.

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Exam: Compulsory oral exam; Group project;

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The exam is aimed at ascertaining the knowledge of the topics listed in the official course program and the ability to apply the theory and related calculation methods to the solution of exercises. Furthermore, the work done in the laboratory and therefore both the practical knowledge obtained and the ability to translate this knowledge into a technical report are taken into account. The assessments are expressed in thirtieths and the exam is passed if the mark is at least 18/30. The evaluation of the exam takes place in two stages: a final test, mediated by the evaluation of laboratory reports. The final exam consists of an oral, consisting of three questions, managed with virtual classroom sessions or other platforms that allow remote meetings (zoom or skype). The platform and the methods of access will be communicated directly to students with ample time. The first question is of design type, that is, it is required to set the design of a small analog circuit starting from a set of specifications, therefore it allows to verify the skills acquired in managing simple electronic circuits. The remaining two questions are aimed at verifying theoretical knowledge. Each question is rated a maximum of 10 points. The sum of the marks of the oral questions (VE) is a mark out of thirty which weighs 80% of the final mark. 20%, on the other hand, derives from the average out of thirty of the evaluations of the reports of the experimental exercises (VL). The latter average is calculated on the best 6 reports of each student. If the student has submitted fewer than 6 reports, the missing reports are averaged with a value of 0/30. The final exam grade, VF is obtained as: VF = VE * 0.8 + VL * 0.2. The mark obtained from the laboratory reports is valid indefinitely, even if the student takes the final test in academic years following the one in which he attended the laboratory.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;

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L'esame in modalità mista si svolgerà in modo strettamente analogo alla modalità remota, con l'unica differenza della presenza fisica in aula degli studenti. Ci si riferisca alla sezione esame in remoto per i dettagli.

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Exam: Compulsory oral exam; Group project;

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The exam in mixed mode will take place strictly analogously to the online mode, with the only difference of the physical presence of the students in the classroom. Please refer to the online exam section for details.

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