Scopo dell'insegnamento è preparare lo studente all’analisi e al progetto dei circuiti alla base degli odierni sistemi elettronici analogici e digitali. Partendo dalle basi fornite dai corsi precedenti di Elettrotecnica, Dispositivi Elettronici, e Circuiti Elettronici, viene approfondito il concetto di retroazione; vengono poi introdotti gli amplificatori operazionali reali, impiegati per realizzare funzioni lineari e non lineari. Si passa in seguito allo studio della stabilità dei circuiti e degli oscillatori quasi sinusoidali. Successivamente si studiano gli schemi base per il funzionamento in commutazione dei transistor e li si utilizza per implementare la struttura delle porte logiche elementari. Infine, il corso è completato con un’introduzione ai sistemi di acquisizione dati.
The aim of the course is to prepare the student for the analysis and design of the circuits underlying today's analog and digital electronic systems. Starting from the foundations provided by the previous courses of Circuit Theory, Electronic Devices, and Electronic Circuits, the concept of feedback is explored; real operational amplifiers are then introduced and used to implement linear and non-linear functions. The course then moves on to the study of the stability of circuits and quasi-sinusoidal oscillators. Subsequently, the basic schemes for the switching operation of the transistors are studied and applied to implement elementary logic gates. Finally, the course is completed with an introduction to data acquisition systems.
- Acquisire familiarità con l'elettronica analogica e con gli aspetti elettrici dell'elettronica digitale.
- Progettare semplici sistemi analogici a partire dalle specifiche.
- Comprendere il funzionamento dinamico dei circuiti elettronici e progettare oscillatori e quasi sinusoidali.
- Dimensionare un circuito digitale.
- Conoscere i sistemi di acquisizione dati classici e saperli dimensionare a partire dalle specifiche.
Become familiar with analog electronics and electrical aspects of digital electronics.
Design small analog systems from specifications.
Understand the behavior of complex dynamics circuits and design oscillators and multivibrators.
Design a digital circuit.
Understand the classic data acquisition systems and know how to design then from specifications.
Per seguire con profitto l'insegnamento lo studente deve conoscere la teoria delle reti elettriche, la loro analisi nel dominio del tempo e della frequenza, il funzionamento in linearità e saturazione di transistori bipolari e MOS, e il concetto di polarizzazione e piccolo segnale. Per quanto riguarda le esercitazioni sperimentali, è necessario avere acquisito familiarità nell'uso della strumentazione di laboratorio (oscilloscopio, alimentatore, generatore di segnali).
The student must know the theory of electrical networks, their time domain frequency domain analysis, the operation in the linear and saturation 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).
Retroazione nei circuiti elettronici (1CFU)
1) Tipi di prelievo e confronto nei circuiti retroazionati
2) Metodo del guadagno asintotico
3) Metodo dell'elemento aggiunto
Amplificatori operazionali (4.5CFU)
1) Struttura degli amplificatori operazionali a BJT e MOS: specchio di corrente, stadio differenziale, stadio di uscita di potenza
2) Parametri parassiti degli amplificatori operazionali, risposta in frequenza, stabilità
3) Circuiti lineari: amplificatore, sommatore, amplificatore da strumentazione
4) Filtri attivi: primo ordine, secondo ordine, cenni ai filtri a capacità commutate
5) Circuiti non lineari: amplificatore logaritmico e antilogaritmico
Stabilità di circuiti e sistemi elettronici (1.5CFU)
1) Definizioni fondamentali di teoria dei sistemi e richiami sui sistemi lineari tempo-invarianti. Introduzione all’idea di stabilità.
2) Compensazione di amplificatori operazionali: criterio di Bode, polo dominante, margine di stabilità.
3) Cenni della classificazione dei comportamenti asintotici di circuiti non lineari
Oscillatori e Multivibratori (1CFU)
1) Stabilità del punto di riposo di un circuito elettronico: innesco esponenziale e innesco sinusoidale e relazione con la posizione dei poli
2) Oscillatori (quasi) sinusoidali: rappresentazione di Lur’e e principio di funzionamento. Caratteristiche del blocco diretto e di retroazione, equazione caratteristica. Funzione descrittiva, condizione di innesco. Esempi di oscillatori a tre punti (di Colpitts e di Hartley)
Circuiti digitali (1CFU)
1) Porte logiche e circuiti in commutazione
2) Transistori MOS in commutazione, interruttori, transmission gate, porte CMOS
3) Parametri statici e dinamici, famiglie logiche, uscita open drain e tri-state
4) Porte And-Or-Invert
5) Circuiti sequenziali di base (latch, flip-flop, contatore)
Sistemi d'acquisizione dati (1CFU)
Richiami di teoria del campionamento, quantizzazione; convertitore D/A (potenziometrico, resistenze pesate, rete a scala); convertitore A/D (flash, approssimazioni successive, pipeline); Sample & Hold (integratore)
Operational amplifiers (4.5 CFU)
1) structure of operational amplifiers with BJT and MOS: current mirror, differential stage, power stage. Power amplifiers with discrete components
2) Parasitic parameters of operational amplifiers, frequency response, stability
3) Linear circuits: amplifier, adder, instrumentation amplifier
4) Active filters: first order, second order; introduction to switched capacitor filter
5) Non-linear circuits: logarithmic and anti-logarithmic amplifier
Oscillators and Multivibrators (2CFU)
1) Stability of the bias point of an electronic circuit: exponential and sinusoidal time-response and relationship with the position of the poles
2) Quasi-sinusoidal oscillators: block diagram and operating principle. Features of the direct and feedback block , characteristic equation. Descriptive function. Wien-bridge oscillator, phase shift oscillator, three-point oscillators (Colpitts and Hartley)
3) Differential negative resistors of type S and N and their use in oscillators and multivibrators. Monostable, astable and bistable multivibrator. Comparator and Schmitt trigger.
Circuits with complex dynamics and chaos (1.5CFU)
1) Classification of asymptotic behaviors (equilibrium points; periodic behavior: limit cycles and fundamental theorems, Floquet multipliers and stability, non-periodic behavior: toroidal and chaotic attractors). Introduction to bifurcation phenomena
2) Examples of continous-time circuits with chaotic behavior: Chua's circuit and Colpitts oscillator
3) Examples of discrete-time circuits with chaotic behavior: one-dimensional maps
4) Statistical dynamics for discrete-time systems: generalities; Ergodicity - mixingness - exactness; Perron-Frobenious operator and its properties; The quantized state case as a projection of the PF operator (Equivalence with Markov chains). Introduction to the reduction of EMI in systems controlled by periodic signals and the generation of random numbers.
Logic gates and switching circuits (1 CFU)
1) Logic gates and switching circuits
2) Bipolar and MOS switching transistors, switches, transmission gates, CMOS gates
3) Static and dynamic parameters of logic families, open drain and tri-state outputs
4) And-Or-Invert ports
5) Basic sequential circuits (latches, flip-flops, counter)
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, pipeline); Sample & Hold
L'insegnamento prevede lezioni ed esercitazioni in aula. Inoltre, prevede 6 laboratori (3 sperimentali e 3 di simulazione) di 3 ore ciascuno da svolgersi presso il LED. I laboratori si svolgono in gruppi di tre studenti. Le esercitazioni seguiranno gli argomenti delle lezioni e hanno come obiettivo quello di applicare i concetti visti nella parte teorica. La partecipazione ai laboratori è facoltativa. Al termine di ogni laboratorio, ogni gruppo deve consegnare una breve relazione.
In addition to the theoretical lectures, the course is composed also by 6 labs (3 of experimental nature and 3 based on circuits simulations), each 3h long, to be held in one of the LED laboratories. Labs are elective and students are divided in groups of 3/4 elements each. In case a student decides to participate to the labs, then his/her presence is mandatory to each lab. Before the date of the first exam, each group of students shall submit two reports describing the results of two different labs, one among those of experimental nature and one among those pertaining circuits simulations, whose subject will be chosen by the Professor.
Exercises are related to theoretical classes and aim to apply in practice the previously studied concepts.
Il docente mette a disposizione sul portale della didattica diverse dispense e lucidi che coprono i contenuti dell'insegnamento.
I testi aggiuntivi consigliati sono:
1) Jaeger/Blalock/Blalock, "Microelettronica", 6a edizione, McGraw-Hill;
2) Franco, "Amplificatori operazionali e circuiti integrati analogici", Biblioteca Scientifica Hoepli;
2) Sedra/Smith, "Circuiti per la microelettronica", 6a edizione, Edises
3) Gray/Hurst/Lewis/Meyer “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”, 5a edizione inglese, Wiley.
Several lecture notes and slides covering most of the module content are available on the official Politecnico website.
For further details and discussions the recommended texts are:
1) Sedra / Smith, "Microelectronic Circuits", 7th ed. Oxford University Press;
2) Gray/Hurst/Lewis/Meyer “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits,” 5th Edition, Wiley
Dispense; Esercizi risolti; Video lezioni dell’anno corrente;
Lecture notes; Exercise with solutions ; Video lectures (current year);
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Written test; Optional oral exam; Group essay;
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L’esame finale è costituito da una prova scritta comprendente 20 domande a risposta multipla (punteggio massimo 30 punti). Le domande potrebbero avere tutte più di una risposta corretta (al limite, potrebbero essere corrette anche tutte le risposte), oppure non averne nessuna corretta.
A ciascuna risposta giusta è attribuito un punteggio positivo. A ciascuna risposta errata un punteggio negativo.
Il tempo a disposizione per la prova scritta è di 100 minuti. Durante la prova scritta, non è consentito utilizzare libri, appunti o altro materiale didattico. Per il superamento dell'esame è necessario ottenere almeno 18/30 nella prova scritta. È consentito l'uso di una calcolatrice scientifica.
L’esame potrà essere integrato, a discrezione del docente o su richiesta degli studenti, da un orale di circa 15' su tutti gli argomenti trattati a lezione e nei laboratori, con un punteggio compreso tra -4/30 e +4/30.
Il punteggio finale sarà dato dalla votazione dello scritto e la valutazione delle relazioni di laboratorio (tra 0 e +2/30), oltre alla valutazione dell'eventuale orale. Se il punteggio totale è maggiore di 30,5 punti, il voto dell’esame sarà 30 e lode.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
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 2-3 numerical exercises related to the most important topics (weight 20/30) in addition to 5-10 multiple-choice questions (weigtht 10/30). The time slot allocated for the written examination is 2 hours. An oral colloquium can be requested either by the Professor or by a student whose score in the written test is at least 24/30. The oral exam is about 15 min long, and deals with all the topics considered during lessons and laboratories. The final score is given by the sum of the evaluation of the written test, plus the evaluation of the laboratory reports (if submitted) between 0 and 3/30 and of the oral examination (if taken) between -4/30 and -4/30. If the sum is larger than 30, then the final grade will be 30 with distinction (30 e lode). The report on the labs must be submitted before the date of the first exam.
The objective of the exam is to determine the ability of the student to master the understating of the behavior of simple analog/digital circuits, filters as well as of multivibrators and oscillator circuits. Such a capability is ascertained through the analysis of circuits (solving exercises) and by answering to some theoretical questions.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.