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PORTALE DELLA DIDATTICA

Sistemi elettronici, tecnologie e misure

04QXVOA

A.A. 2021/22

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Informatica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Collaboratori
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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
2020/21
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 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 presents the general characteristics of an 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 analog electronic modules like amplifiers realized with operational amplifiers, interface stages, and analyzes the operation of the most important electronic devices. Laboratory activities are supported by an introduction to 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 delle principali tecniche di analisi e la capacità di utilizzarli con riferimento a 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. 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 understand the operation of an electronic system, identifying its main components and estimating its fundamental characteristics. Knowledge of semiconductor device models and analysis techniques is acquired, together with the competence to analyse and 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) Electronic technologies, behavior and models for the main semiconductor devices, in relation with their use in a complex electronic system. 3) Basic analog 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, Bode diagrams) 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. Introduzione ai sistemi elettronici (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 elettronici (15h) - 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 (15h) - 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. Amplificatori Operazionali (18h) - 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 (6h) - Caratteristica statica. Isteresi. Non-idealità (cenni) - Generatore di onda quadra e triangolare Tecnologia CMOS (1.5 ore) - Tecnologia CMOS: wafer, tecnologia planare: principali passi tecnologici. Scalamento 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 (20h) - Uncertainty models, direct measurements / indirect - Instrumentation: digital oscilloscope, digital voltmeters, AC voltmeters - Measures time and frequency - Signal generators, synthesizers - RF Measurements Introduction to Electronic Systems (4.5h) - Signals, Systems and Information. Properties of signals in the time domain and in the frequency domain. Analog and digital signals. - Electronic systems. Block diagrams. From the block diagram to the circuit. - Review and complements of circuit theory (two-port circuits). Introduction to electronic devices (15h) - Seminconductor properties (overview) - Diodes: large- and small-signal models. Analysis of circuits including diodes. Exercises and lab. - MOS transistors: static characteristics and operating regions. Bipolar Junction transistor (BJT), outline. - MOS transistors for analog applications: bias point and small-signal analysis. Amplifiers (15h) - Voltage, current, transconductance and transresistance amplifiers - Voltage, current and power amplification. Input and output resistance. Input- and output- loading effect. Cascade connection of amplifiers. Exercises and Lab. - MOS transistor-based elementary amplifying stages. Exercises - Practical limitations of amplifiers (static limitations and dynamic limitations) Operational Ampliers (18h) - Operational amplifier. Negative feedback. Analysis of circuits including ideal operational amplifiers. - Amplifier circuits based on ideal operational amplifiers: voltage, current, transconductance and transresistance amplifiers - Other operational amplifier - based circuits: voltage follower, inverting amplifier, exponential amplifier, logarithmic amplifier, integrator, derivator, generalized weighted summing circuit, differential amplifier, active filters (outline). Exercises - Non-ideal behavior of real operational amplifiers: static and dynamic limitations. Analysis of operational amplifier-based circuits in the presence of non-ideal effects (exercises and lab). Threshold comparators (6h) - Static characteristics. Hysteresis. Non idealities (outline). - Square wave and triangular wave generator-. CMOS Technology (1.5 ore) - CMOS technology: silicon wafers, main steps in a planar technology process. Technlogy-related concepts: 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 dei laboratori (in totale 18h) è acquisire familiarità con la strumentazione e 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. La frequenza non è obbligatoria, ma se accompagnata dalla stesura di relazioni, dà diritto a un punteggio aggiuntivo che concorre alla valutazione finale (vedi regole di esame) Le esercitazioni in aula seguiranno gli argomenti delle lezioni e verteranno sull'analisi di dispositivi elettronici (diodi, transistori) in semplici circuiti analogici e sull'analisi di circuiti basati su amplificatori operazionali, sia in condizioni ideali, sia considerando l'effetto delle principali non-idealità. Le lezioni e le esercitazioni numeriche saranno fruibili in remoto nell'ambito della piattaforma "Virtual Classroom". Parte delle attività potranno essere fruibili anche in presenza. I laboratori saranno fruibili in presenza a rotazione per quanto possibile. Verrà comunque garantita la possibilità di partecipare alle esercitazioni di laboratorio in remoto, collegandosi attraverso Virtual Classroom.
The course is divided into theory lessons and numerical exercises (31 hours for the measurement part and 51 hours of electronics) and experimental labs (3 labs for measurements and 3 labs of electronics). Numerical exercises will cover the topic presented in class, in particular the analysis of electronic devices (diodes, MOS transistors) in simple analog circuits and on the analysis of circuits including operational amplifiers, both under the hypothesis of ideal behaviour and including the main non-ideal effects. The experimental labs (18h in total) involve measurements on pre-mounted circuits and are intended to acquire familiarity with electronic test equipment and to verify what presented in class, with a special focus on the limitations of the models. Labs are organized so that to stimulate working in group in the preparation of written reports. Labs attendace and written reports are not mandatory, but give an extra score which contributes to the final exam score (see exam rules). Theory lessons and numerical exercises will be delivered online through the "Virtual Classroom" platform. Part of the activities could be also delivered on site. Experimental labs will be delivered on site (in rotation) if possible. All the students will be given the possibility to take part to the experimental labs remotely through the Virtual Classroom platform.
• Carullo, U.Pisani, A. Vallan, Fondamenti di misure e strumentazione elettronica , CLUT 2006 (ISBN: 978-88-7992-209-2) • A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la Microelettronica (4° Ed.), Edises 2013 (ISBN: 978-8879597340) • A. S. Sedra, K. C. Smith, Microelectronic Circuits. (7th Ed.), Oxford University Press, 2015 (ISBN: 978-0199339143) 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) • A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la Microelettronica (4° Ed.), Edises 2013 (ISBN: 978-8879597340) • A. S. Sedra, K. C. Smith, Microelectronic Circuits. (7th Ed.), Oxford University Press, 2015 (ISBN: 978-0199339143) Complementary texts: • 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 orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);
L’esame in remoto comprenderà una prova scritta di due ore effettive, erogata attraverso la piattaforma "Exam" con l'utilizzo del software "Respondus + Lockdown browser." Per tutta la durata della prova lo studente dovrà essere solo e ben visibile nell’inquadratura della webcam. Pena l’annullamento dell'esame, non sarà consentito comunicare in qualsiasi modo con altri, utilizzare materiale didattico (libri, appunti, dispense, slide, ecc..) o utilizzare apparecchiature elettroniche (telefoni cellulari, tablet, laptop…) diverse dal PC su cui si sta svolgendo la prova. Gli studenti potranno utilizzare: fogli di carta bianchi, penna e calcolatrice non programmabile, che dovranno essere inquadrati prima dell'inizio della prova. Gli studenti potranno iniziare la prova entro 20 min. dall'ora dell'appello e dovranno rimanere collegati al sistema fino all'80% del tempo a disposizione, rispettando le regole al paragrafo precedente. La prova scritta online sarà volta a verificare il conseguimento dei risultati di apprendimento attesi e sarà strutturata come lo scritto tradizionale, di cui numerosi esempi sono disponibili online nel materiale del corso, e comprenderà 10 domande di teoria a risposta multipla (peso 10 punti) e 3 esercizi numerici (peso 20 punti) che verteranno su entrambe le parti del corso (Elettronica e Misure). Sarà possibile passare liberamente da una domanda all’altra nel corso della prova. Nelle domande di teoria, per ogni risposta errata, sarà attribuita una penalità pari a -50% del punteggio della risposta corretta. Per gli esercizi numerici sarà richiesto sia indicare i risultati (numeri, formule, grafici...) per ciascun sottopunto scegliendo tra diverse opzioni proposte, sia di caricare una fotografia dello svolgimento cartaceo che motiva le risposte date. Gli esercizi saranno valutati manualmente considerando sia le risposte scelte, sia lo svolgimento cartaceo: la scelta di una risposta esatta non pienamente motivata non consentirà di conseguire il punteggio pieno; la mancata risposta o la scelta di una risposta errata negli esercizi non comporterà penalità e permetterà di conseguire parte del punteggio se lo svolgimento non è completamente errato. Le foto di tutte le pagine dello svolgimento dovranno essere caricate durante la prova con la webcam. Al termine della prova, sarà richiesto di caricare foto a più alta risoluzione delle stesse pagine dello svolgimento nella sezione "Elaborati" del portale della didattica entro 30 min dal termine della prova. L’esame potrà essere integrato da un orale in remoto sulla piattaforma Virtual Classroom, della durata di circa 15', su richiesta degli studenti che abbiano conseguito almeno 24/30 nella prova scritta o a discrezione del docente. In particolare, si potrà procedere ad un esame orale integrativo o sostitutivo in caso di problemi tecnici individuali durante lo scritto, previa autocertificazione degli stessi da parte dello studente. 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. Le soluzioni della prova saranno pubblicate sul sito e gli studenti potranno discutere con il docente la correzione degli elaborati in una sessione di Virtual Classroom che sarà fissata dopo la correzione degli scritti.
Exam: Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);
The remote exam will be a 2 hours long written test, through the Exam Platform with proctoring (Respondus software and Lockdown Browser). During the test students must be alone, well visible in the webcam frame. No communication with others is permitted at any time and in any form, and it is not allowed to use any written material (books, notes, text slides) or using any electronic device, unless the PC used for the test itself. The students will write the solution on white paper, which must be checked through the webcam at the beginning of the test. The webcam must be kept on, and the students must be all the time on the video during the test. The students can access the Platform 20 minutes in advance of the test start time, and must wait at least 80% of the official time before exiting the test. The remote test is identical to the conventional test of the previous years, for which numerous examples are present on the course web page. The test includes: 10 multiple choice questions, 3 exercises (1 on the measurement topics and 2 from electronics). During the test, students can scroll all the sections with no restriction. For each wrong multiple choice answer a 50% penalty will be applied. For the exercises, students will select a correct answer in a set of possible choices, and will support their choice with a written demonstration, including all the derivation of the correct result. A photograph of exercise solution must be uploaded on the course web page and the solution will be corrected: only if supported by this material the exercise answers given online will be considered valid. The photo of the solution will be taken twice: a first time during the test, using the webcam; a second time using a high resolution device (e.g. a smartphone) and upload on the course web page ("Elaborati" section) along with a high resolution picture of the student ID within 30 min. after the test closing time. An additional 15 min. oral exam on Virtual Classroom can be requested, only if the test mark is at least 24/30 or on teacher’s demand. In particular, teachers will request an additional oral exam, whenever technical problems totally or partially impaired the correction of the written test. The final mark corresponds to the written test final score, plus the oral exam score when present (up to -10 /+10 points). Up to 3 additional points will be granted for the lab essays, if returned. When the overall mark is higher than 32, the score will be 30 cum laude. Solutions of the test will be published online and the students will be invited to discuss their written test with the teachers in a dedicated Virtual Classroom session.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);
L’esame in modalità mista comprenderà una prova scritta di due ore effettive, erogata attraverso la piattaforma "Exam" con l'utilizzo del software "Respondus + Lockdown browser" strutturata come descritto nella sezione "esame in remoto". Potrà essere richiesto, a seconda delle disposizioni dell'Ateneo, di recarsi a sostenere questa prova presso il Politecnico, salvo autocertificazione di essere nell'impossibilità di farlo. Per gli studenti che sosterranno l'esame in aula, il caricamento delle fotografie dello svolgimento sarà sostituito dalla consegna degli elaborati al termine della prova. La discussione della correzione dei compiti e gli eventuali orali potranno essere svolti in presenza su richiesta degli studenti.
Exam: Written test; Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);
In the blended form, the exam will be a written test of 2 hours, through the Exam Platform with proctoring (Respondus software and Lockdown Browser). The test is structure in the same way as described in the remote exam section. According to the University rules, it may be required to take the test in the Politecnico facilities, unless a certificate is provided showing that it is not possible to take the exam in presence. If the test is carried out in the Politecnico campus site, the photos are not necessary, and the written test will be returned and corrected as usual. Solutions of the test will be published online and the students will be invited to discuss their written test with the teachers, within the Politecnico facility or using a dedicated Virtual Classroom session.


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