Il corso di circuiti elettronici introduce gli studenti ai concetti base di elettronica circuitale analogica che verranno poi utilizzati nei corsi successivi. L’insegnamento tratta i modelli circuitali dei dispositivi attivi e il loro utilizzo in circuiti elementari. La composizione di più stadi fondamentali porta allo studio di circuiti amplificatori più complessi con retroazione, di cui vengono analizzate le proprietà e mostrati metodi di calcolo.
Il 25% del corso è dedicato all’introduzione alla strumentazione elettronica di base necessarie ad affrontare la sperimentazione in laboratorio sui circuiti studiati in questo corso.
This course gives students the basics of analog electronics that will be used in the following modules. Circuits models of active devices are introduced and their properties studied in elementary stage. The use of many stages and their interconnections to build amplifiers is shown and feedback concept analyzed, pointing out its properties and benefits.
A quarter of the course is devoted to the study of measurements and laboratory instrumentation needed for the lab sessions where circuits studied in this class will be experimented on.
Lo studente al termine dell’insegnamento avrà una conoscenza dei modelli dei dispositivi attivi, delle configurazioni elementari degli amplificatori, dei circuiti con retroazione e suo effetto sulle caratteristiche di guadagno e impedenza del circuito.
Dopo questo insegnamento lo studente saprà analizzare circuiti amplificatori a transistori discreti, calcolandone sia il punto di funzionamento che le funzioni di trasferimento e le impedenze, utilizzando un ampio ventaglio di metodi di calcolo, sia basati su simulatori SPICE sia su calcolo manuale. Lo studente saprà inoltre utilizzare alcuni strumenti di misura, presenti in laboratorio, necessari alla verifica del corretto funzionamento dei circuiti elettronici studiati durante il corso.
Lo studente sarà in grado di:
- Calcolare le condizioni di polarizzazione di un amplificatore con transitori bipolari e mos
- Trovare il circuito equivalente degli elementi attivi
- Determinare il tipo di retroazione e valutarne gli effetti
- Calcolare funzioni di trasferimento e impedenze
- Riconoscere configurazioni circuitali fondamentali e le loro applicazioni
- Valutare quali metodi di calcolo meglio si adattano al circuito analizzato.
- Conoscere i fondamenti delle misure e le regole di propagazione dell’incertezza secondo il modello deterministico.
- Essere in grado di prevedere l’incertezza di una misurazione indiretta secondo il modello determinisctico
- Utilizzare in maniera rapida la calcolatrice scientifica
- Utilizzare software di simulazione circuitale (SPICE)
- Conoscere l’uso della strumentazione di laboratorio di base.
- Essere in grado di utilizzare la strumentazione di base
By the end of this class, a student shall know active device models, elementary analog amplifier topologies and amplifiers using feedback. He or she will understand the effects of feedback on amplifier gain and impedances. After this class a student will be able to analyze amplifiers made of discrete devices, finding bias points, transfer functions and impedances, by means of a fair number of different analysis tools, both using a SPICE simulator and by hand calculation. In addition students shall be able to use the most common instruments present in a laboratory and to check and verify in the lab the circuits studied in this class.
Student will be able to:
- Find bias point for bjt and mos-based amplifiers
- Calculating the small signal circuit for active devices
- Recognize the feedback topology and evaluate its effects on a circuit
- Find transfer functions and network impedance.
- Recognize fundamental circuit configurations and their applications
- Choose the most convenient method to analyze an analog circuit
- Know the basics of the measurement theory and of the uncertainty propagation according to the deterministic model
- Estimate the uncertainty of a measurement according to the deterministic model.
- Use a scientific calculator
- Use SPICE software for the simulation of analog circuits
- Knowledge of the basic laboratory instrumentation
- Use the common laboratory instrumentation
Matematica: derivate, integrali, serie di Taylor. Numeri complessi. Soluzione di sistemi di equazioni lineari e non, serie di Fourier, trasformata di Laplace.
Elettrotecnica: metodi di soluzioni delle reti lineari (tempo e frequenza), diagrammi di Bode, calcolo simbolico.
Dispositivi elettronici: Equazioni descrittive del diodo, del transistore bipolare e del MOSFET.
Math: Derivatives, Integrals, Taylor's and Fourier's series. Complex arithmetic. Numerical solution of linear and nonlinear systems of equations. Fourier’s series and Laplace’s transform.
Circuit theory: solution of linear network both in time and frequency domain. Bode's diagrams, symbolic calculus.
Electronic devices: constitutive equations of diodes, BJTs and MOS.
Modello matematico e circuitale di diodi, BJT e MOS in ampio e in piccolo segnale. Vari livelli di modello a seconda della precisione richiesta. Polarizzazione: Circuiti di base per la polarizzazione per bjt e mos. Calcolo delle prestazioni mediante le sensitivity (1 credito).
Amplificatori a BJT e MOS. Retta di carico, scelta del punto di lavoro. Classi di amplificazione e rendimento. Amplificatori di piccolo segnale: configurazioni a base, Guadagni di tensione, corrente, impedenze di ingresso e uscita (1 credito).
Amplificatori a più stadi. Impedenze e funzioni di trasferimento in circuiti con elementi reattivi. Risposta in frequenza (0.8 crediti).
Retroazione: classificazione ed effetti. Calcolo del guadagno e delle impedenze ad anello chiuso. Teoremi di Rosenstark e Blackman
Prestazioni in alta frequenza dei dispositivi attivi: modelli e prestazioni. Frequenza di taglio superiore (0.5 crediti).
Metodi di calcolo di funzioni di trasferimento e impedenze (Miller, Driving Point Impedance, teorema dell'elemento aggiunto, costanti di tempo generalizzate, General Feedback Theorem) (1.3 crediti).
Esempio ed analisi di circuiti analogici reali con BJT e MOSFET, in particolare per applicazioni audio (0.4 crediti)
Incertezze di misura e loro propagazione (metodo deterministico) (0.3 crediti).
Oscilloscopio digitale a campionamento: schema a blocchi, controlli e comandi; banda passante, trigger, circuito di ingresso, utilizzo della sonda compensata, esempio di specifiche di oscilloscopi commerciali (0.45 crediti).
Cenni all’utilizzo di alimentatori, multimetri digitali e generatori di segnale (0.2 crediti).
Problemi di connessione ed effetto di carico nell’uso della strumentazione (0.15 crediti).
Mathematical models and equivalent circuits of diodes, BJTs and MOS for large and small signal. Different levels of model details.
Bias: basic circuits for BJTs and MOS bias. Stability evaluation by means of sensitivity functions (1 unit).
BJT and MOS amplifiers. Load line, choice of quiescent point. Amplifier classes and power efficiency. Small signal amplifiers: fundamental topologies, voltage and current gains. Input and output impedances (1 unit).
Multistage amplifiers. Impedances and transfer functions in circuits with reactive components. Frequency response (0.8 units).
Feedback: classification and effects. Evaluation of closed loop gains and impedances. Rosenstark's and Blackman's theorems.
High frequency behavior of active devices: models and performances. Cutoff frequency (0.5 units).
Methods for evaluating transfer functions and impedances: Miller, Driving Point Impedance, Extra Element Theorem, Generalized Time Constants, General Feedback Theorem (1.3 units).
Examples and analysis of real circuits using BJTs and MOSFETs, in particular for audio application (0.4 units)
Measurement uncertainty and their propagation (deterministic method) (0.3 units).
Digital scope: block diagram, controls, bandwidth, trigger, input circuit, use of compensated probe, specification examples of commercial scopes (0.45 units).
Notes of use for power supplies, digital multimeter and signal generators (0.2 units)
Problems arising from connection of measurement instruments and loading effects (0.15 units)
Il corso prevede lezioni, esercitazioni, laboratori sperimentali e laboratori SPICE.
I laboratori sperimentali hanno lo scopo di fornire le competenze necessarie all'uso della strumentazione di misura elettronica e al montaggio e alla caraterizzazione di circuiti elettronici con transistori.
Laboratorio di misure: Esercitazioni sull’uso di strumentazione di base, oscillosopio e multimetro. Misura di funzioni di trasferimento con generatore di segnali e oscilloscopio (0.9 crediti). Le esercitazioni di misure potranno essere eseguite anche tramite un software di simulazione sviluppato ad hoc.
Laboratorio di elettronica: Esercitazioni sul montaggio e la misura di circuiti a transistori. Misura del punto di lavoro di un transistor BJT polarizzato con rete a quattro resistenze; misura della funzione di trasferimento di un amplificatore a emettitore comune (0.6 crediti). Compatibilmente con la disponibilità e le richieste, potrenno essere distribuiti a gruppi di studenti la strumentazione e i componenti per eseguire in autonomia le esercitazioni di elettronica.
I laboratori SPICE prevedono l'uso di un programma di simulazione SPICE per l'analisi di circuiti con diodi e transistori nel dominio (calcolo del punto di lavoro, della risposta in frequenza e nel tempo) (0.4 crediti).
The course includes lessons, exercises, experimental laboratories, and SPICE laboratories.
The experimental laboratories are intended to provide the skills necessary for the use of electronic measuring instruments and for the assembly and characterization of electronic circuits with transistors.
Electronic measure laboratory: use of basic instrumentation and uncertainty estimation in typical lab measurements (0.9 units). An ad-hoc developped software can be used to support these lab activities.
Electronics laboratory: transistor circuits will be assembled and measured by the students (0.6 units).
The SPICE laboratories will allow the students to learn the use of a SPICE simulation woftware for the analysis of the bias point, the small signal and the transient response of an amplifier (0.4 units).
R. C. Jaeger, T. N. Blalock, Microelettronica, 5a ed. italiana, McGraw-Hill
A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES
A. Carullo, U. Pisani, A. Vallan: Fondamenti di misure e strumentazione elettronica, Ed. CLUT Torino (2006)
Appunti dal corso, ed esempi di esercizi svolti, a disposizione sul portale della didattica
R. C. Jaeger, T. N. Blalock, Microelettronica, 5a ed. italiana, McGraw-Hill
A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES
A. Carullo, U. Pisani, A. Vallan: Fondamenti di misure e strumentazione elettronica, Ed. CLUT Torino (2006)
Class notes and examples of worked problems available on the class website
Modalità di esame: Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
L’esame si pone l’obiettivo di verificare le competenze di cui sopra (cfr. Risultati dell’apprendimento attesi).
L’esame finale è composto da tre parti, tutte da sostenere a libri chiusi e senza appunti. E' consentito l'uso della calcolatrice scientifica non programmabile.
La prima parte, della durata di 30 minuti, verifica le compotenze acquisite nella parte di misure elettroniche. Consiste in 10 esercizi brevi a risposta chiusa. La votazione X è pari al massimo a 8 punti.
La seconda parte, della durata di 60 minuti, verifica le compotenze acquisite nella parte di elettronica circuitale (calcolo del punto di lavoro di un circuito con transistori e diodi, calcolo della funzione di trasferimento e delle impedenze di ingresso e uscita di un amplificatore a transistori, calcolo di zeri e poli, riconoscimento di configurazioni circuitali notevoli, comandi SPICE) con particolare attenzione alla capacità di fornire risultati numericamente corretti. Consiste in 14 esercizi brevi a risposta chiusa. La votazione Y è pari al massimo a 14 punti.
La terza parte, della durata di 30 minuti, verifica le competenze acquisite nella parte di elettronica circuitale (calcolo del punto di lavoro di un circuito con transistori e diodi, calcolo della funzione di trasferimento e delle impedenze di ingresso e uscita di un amplificatore a transistori, calcolo di zeri e poli) tramite la soluzione di due esercizi; lo studente deve fornire la foto del procedimento usato per la soluzione. La votazione Z è pari al massimo a 8 punti. Per il superamento dell'esame è richiesto un punteggio minimo della parte di misure (X) pari a 4.8 punti e un punteggio minimo della parte di elettronica (Y+Z) pari a 13.2 punti, corrispondenti alla sufficienza in entrambe le parti dell'esame.
È prevista una votazione (L) per le relazioni di laboratorio, da svolgere in gruppi di massimo 3 persone, con un massimo pari 2 punti; tale votazione ha validità pari a due anni. La votazione complessiva è data dalla somma delle valutazioni delle varie parti (X+Y+Z+L) in trentesimi, arrotondata all'intero più vicino; valutazioni finali non inferiori a 30.5 sono convertite in 30 e lode.
I docenti si riservano la possibilità di richiedere una verifica orale nel caso di dubbi relativi alla prova scritta o alle attività di laboratorio o nel caso di problemi tecnici emersi durante lo svolgimento della prova scritta.
Exam: Computer-based written test using the PoliTo platform;
The exam aims to verify the above skills (see Expected learning outcomes).
The final exam consists of three parts, all to be taken with closed books and without notes. The use of the non-programmable scientific calculator is allowed.
The first part, lasting 30 minutes, verifies the skills acquired in the electronic measurement part. It consists of 10 short multiple choices exercises. The mark X is at most 8 points.
The second part, lasting 60 minutes, verifies the skills acquired in the electronics part (calculation of the bias point of a circuit with transistors and diodes, calculation of the transfer function and the input and output impedances of a transistor amplifier, calculation of zeros and poles, recognition of remarkable circuit configurations, SPICE commands). It consists of 14 short multiple-choices exercises. The mark (Y) is at most 14 points.
The third part, lasting 30 minutes, verifies the skills acquired in the electronics part (calculation of the bias point of a circuit with transistors and diodes, calculation of the transfer function and the input and output impedances of a transistor amplifier, calculation of zeros and poles) through the solution of two exercises; the student must provide a photo of the procedure used for the solution. The mark Z is at most 8 points
To pass the exam, a minimum score of 4.8 points is required for the measures part (X), and a minimum score of 13.2 points is required for the electronics parts (Y + Z), which corresponds to achieving sufficiency in both parts.
The laboratory reports can receive a mark (L) which is at most 2 points; these points last two years.
The overall mark is given by the sum of the partial marks (X + Y + Z + L), rounded to the nearest integer, over 30; final marks not less than 30.5 are converted to 30 cum laude. The teachers reserve the right to request an oral examination in case of doubts related to the written test or to the laboratory activities, or in the case of technical problems emerged during the written test.
Modalità di esame: Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Nel caso di esame in modalità mista si applicano le stesse regole previste per l'esame in modalità remota:
L’esame si pone l’obiettivo di verificare le competenze di cui sopra (cfr. Risultati dell’apprendimento attesi).
L’esame finale è composto da tre parti, tutte da sostenere a libri chiusi e senza appunti. E' consentito l'uso della calcolatrice scientifica non programmabile.
La prima parte, della durata di 30 minuti, verifica le compotenze acquisite nella parte di misure elettroniche. Consiste in 10 esercizi brevi a risposta chiusa. La votazione X è pari al massimo a 8 punti.
La seconda parte, della durata di 60 minuti, verifica le compotenze acquisite nella parte di elettronica circuitale (calcolo del punto di lavoro di un circuito con transistori e diodi, calcolo della funzione di trasferimento e delle impedenze di ingresso e uscita di un amplificatore a transistori, calcolo di zeri e poli, riconoscimento di configurazioni circuitali notevoli, comandi SPICE) con particolare attenzione alla capacità di fornire risultati numericamente corretti. Consiste in 14 esercizi brevi a risposta chiusa. La votazione Y è pari al massimo a 14 punti.
La terza parte, della durata di 30 minuti, verifica le competenze acquisite nella parte di elettronica circuitale (calcolo del punto di lavoro di un circuito con transistori e diodi, calcolo della funzione di trasferimento e delle impedenze di ingresso e uscita di un amplificatore a transistori, calcolo di zeri e poli) tramite la soluzione di due esercizi; lo studente deve fornire la foto del procedimento usato per la soluzione. La votazione Z è pari al massimo a 8 punti. Per il superamento dell'esame è richiesto un punteggio minimo della parte di misure (X) pari a 4.8 punti e un punteggio minimo della parte di elettronica (Y+Z) pari a 13.2 punti, corrispondenti alla sufficienza in entrambe le parti dell'esame.
È prevista una votazione (L) per le relazioni di laboratorio, da svolgere in gruppi di massimo 3 persone, con un massimo pari 2 punti; tale votazione ha validità pari a due anni. La votazione complessiva è data dalla somma delle valutazioni delle varie parti (X+Y+Z+L) in trentesimi, arrotondata all'intero più vicino; valutazioni finali non inferiori a 30.5 sono convertite in 30 e lode.
I docenti si riservano la possibilità di richiedere una verifica orale nel caso di dubbi relativi alla prova scritta o alle attività di laboratorio o nel caso di problemi tecnici emersi durante lo svolgimento della prova scritta.
Exam: Computer-based written test using the PoliTo platform;
In the case of blended exam, the same assessment and grading criteria apply as for online exams:
The exam aims to verify the above skills (see Expected learning outcomes).
The final exam consists of three parts, all to be taken with closed books and without notes. The use of the non-programmable scientific calculator is allowed.
The first part, lasting 30 minutes, verifies the skills acquired in the electronic measurement part. It consists of 10 short multiple choices exercises. The mark X is at most 8 points.
The second part, lasting 60 minutes, verifies the skills acquired in the electronics part (calculation of the bias point of a circuit with transistors and diodes, calculation of the transfer function and the input and output impedances of a transistor amplifier, calculation of zeros and poles, recognition of remarkable circuit configurations, SPICE commands). It consists of 14 short multiple-choices exercises. The mark (Y) is at most 14 points.
The third part, lasting 30 minutes, verifies the skills acquired in the electronics part (calculation of the bias point of a circuit with transistors and diodes, calculation of the transfer function and the input and output impedances of a transistor amplifier, calculation of zeros and poles) through the solution of two exercises; the student must provide a photo of the procedure used for the solution. The mark Z is at most 8 points
To pass the exam, a minimum score of 4.8 points is required for the measures part (X), and a minimum score of 13.2 points is required for the electronics parts (Y + Z), which corresponds to achieving sufficiency in both parts.
The laboratory reports can receive a mark (L) which is at most 2 points; these points last two years.
The overall mark is given by the sum of the partial marks (X + Y + Z + L), rounded to the nearest integer, over 30; final marks not less than 30.5 are converted to 30 cum laude. The teachers reserve the right to request an oral examination in case of doubts related to the written test or to the laboratory activities, or in the case of technical problems emerged during the written test.
