Obiettivi formativi
Conoscenza e comprensione:
-conoscenza di base dei circuiti elettronici analogici a transistore bipolare e MOS (amplificatori di segnale lineari e amplificatori di potenza)
-conoscenza delle caratteristiche dell'amplificatore operazionale e sue applicazioni
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
-sapere analizzare un amplificatore di segnale
-sapere dimensionare semplici circuiti analogici (a transistor o con amplificatore operazionale)
-sapere simulare un circuito analogico
Prerequisiti
1. Teoria dei circuiti lineari:
1.1 Metodi di analisi (kirchoff, analisi nodale, ecc.)
1.2 Circuiti lineari in regime permanente sinusoidale
1.3 Applicazione della trasformata di Laplace ai circuiti con componenti reattivi
2. Diagrammi di Bode
3. Dispositivi Elettronici (teoria di base): diodo, transistore bipolare, transistore MOS
Propedeuticità consigliate:
Principi e Applicazioni dell’Ingegneria Elettrica, Elettronica 1
Contenuti dell'insegnamento
1 Introduzione
1.1 Segnali analogici e segnali digitali.
1.2 Linearità di un sistema e condizioni di non-distorsione.
1.3 Concetto di Linearizzazione.
1.4 Circuito equivalente alle variazioni di un diodo p-n. Modello alle variazioni di un transistore bipolare (BJT) in regione attiva diretta e di un MOSFET in saturazione.
1.5 Amplificatori lineari. Funzioni di rete.
2 Stadi amplificatori
2.1 Emettitore Comune (EC)
2.1.1 Analisi ai grandi segnali ed ai piccoli segnali; calcolo funzioni di rete
2.1.2 Polarizzazione del transistor
2.1.2.1 A batteria, a resistenza e condensatore di disaccoppiamento, con resistenza sull'emettirore
2.1.2.2 Coefficienti di sensibilità della polarizzazione
2.2 Stadi a Collettore Comune (CC) e Base Comune (BC)
2.3 Amplificatori elementari MOS: Source Comune, Gate comune e Drain comune
2.4 Amplificatori multi-stadio
2.4.1 schema a blocchi
2.4.2 CC+EC, EC+CC, cascode, Darlington
2.5 Stadio differenziale a BJT
3 Specchi di corrente e amplificatori con carico attivo
3.1 Schemi base: bipolare-base, bipolare con terzo transistor, MOS
3.2 Schemi avanzati (cenni): widlar, wilson, cascode
3.3 amplificatore a source comune e emettitore comune
3.4 amplificatore differenziale
4 Comportamento in frequenza degli amplificatori
4.1 Risposta in frequenza dell’amplificatore EC
4.2 Approssimazione a polo dominante e metodo delle costanti di tempo.
5 Circuiti con retroazione
5.1 Schemi unifilari per la rappresentazione di sistemi lineari; retroazione positiva o negativa, concetto di desensibilizzazione; compromesso guadagno-banda
5.2 Stabilità dei circuiti in retroazione, margini di fase e guadagno (richiami)
5.3 Individuazione della retroazione nei circuiti elettronici con il metodo matriciale
6 Amplificatore Operazionale
6.1 definizione e caratteristiche
6.2 concetto di corto-circuito virtuale
6.3 applicazioni
6.3.1 Amplificatore invertente, non invertente, sommatore, inseguitore
6.3.2 Amplificatori differenziali lineari: schemi a uno e tre operazionali
6.3.3 integratore e derivatore
6.3.4 circuiti non-lineari: rettificatori, rivelatori di picco, amplificatore logaritmico
6.3.5 NIC
6.4 Non idealità degli amplificatori operazionali commerciali
6.4.1 guadagno finito, resistenza di ingresso e uscita
6.4.2 Tensione di Offset, corrente di polarizzazione
6.4.3 PSRR e CMRR
6.4.4 Limitazione di slew-rate
6.4.5 Esempi di effetto delle non-idealità sui circuiti basati su amplificatore operazionale
6.5 Schema semplificato di un amplificatore operazionale e compensazione di Miller
7 Amplificatori ai grandi segnali
7.1 Potenza utile ed Efficienza
7.2 Distorsione non lineare
7.3 Stadi di uscita in classe A: collettore comune, emettitore comune.
7.4 Sollecitazioni sui dispositivi di uscita
7.4.1 Surriscaldamento, trasmissione del calore nei dispositivi elettronici
7.4.2 Zona di funzionamento sicuro di un dispositivo
7.5 Definizione delle classi di funzionamento: A,B,C,D
7.6 Amplificatori a rendimento elevato
7.6.1 Classe B ed AB in controfase
7.6.2 Classe C e D: schemi di principio
8 Stabilità del circuito in un punto di riposo
8.1 Analisi nel dominio di Laplace: effetto dei poli
8.2 Modi naturali
8.3 Instabilità: innesco sinusoidale ed esponenziale
8.4 Circuiti autonomi: definizione ed esempio
9 Simulazione numerica dei circuiti analogici
Programma esteso
1 Introduzione
1.1 Segnali analogici e segnali digitali.
1.2 Linearità di un sistema e condizioni di non-distorsione.
1.3 Concetto di Linearizzazione.
1.4 Circuito equivalente alle variazioni di un diodo p-n. Modello alle variazioni di un transistore bipolare (BJT) in regione attiva diretta e di un MOSFET in saturazione.
1.5 Amplificatori lineari. Funzioni di rete.
2 Stadi amplificatori
2.1 Emettitore Comune (EC)
2.1.1 Analisi ai grandi segnali ed ai piccoli segnali; calcolo funzioni di rete
2.1.2 Polarizzazione del transistor
2.1.2.1 A batteria, a resistenza e condensatore di disaccoppiamento, con resistenza sull'emettirore
2.1.2.2 Coefficienti di sensibilità della polarizzazione
2.2 Stadi a Collettore Comune (CC) e Base Comune (BC)
2.3 Amplificatori elementari MOS: Source Comune, Gate comune e Drain comune
2.4 Amplificatori multi-stadio
2.4.1 schema a blocchi
2.4.2 CC+EC, EC+CC, cascode, Darlington
2.5 Stadio differenziale a BJT
3 Specchi di corrente e amplificatori con carico attivo
3.1 Schemi base: bipolare-base, bipolare con terzo transistor, MOS
3.2 Schemi avanzati (cenni): widlar, wilson, cascode
3.3 amplificatore a source comune e emettitore comune
3.4 amplificatore differenziale
4 Comportamento in frequenza degli amplificatori
4.1 Risposta in frequenza dell’amplificatore EC
4.2 Approssimazione a polo dominante e metodo delle costanti di tempo.
5 Circuiti con retroazione
5.1 Schemi unifilari per la rappresentazione di sistemi lineari; retroazione positiva o negativa, concetto di desensibilizzazione; compromesso guadagno-banda
5.2 Stabilità dei circuiti in retroazione, margini di fase e guadagno (richiami)
5.3 Individuazione della retroazione nei circuiti elettronici con il metodo matriciale
6 Amplificatore Operazionale
6.1 definizione e caratteristiche
6.2 concetto di corto-circuito virtuale
6.3 applicazioni
6.3.1 Amplificatore invertente, non invertente, sommatore, inseguitore
6.3.2 Amplificatori differenziali lineari: schemi a uno e tre operazionali
6.3.3 integratore e derivatore
6.3.4 circuiti non-lineari: rettificatori, rivelatori di picco, amplificatore logaritmico
6.3.5 NIC
6.4 Non idealità degli amplificatori operazionali commerciali
6.4.1 guadagno finito, resistenza di ingresso e uscita
6.4.2 Tensione di Offset, corrente di polarizzazione
6.4.3 PSRR e CMRR
6.4.4 Limitazione di slew-rate
6.4.5 Esempi di effetto delle non-idealità sui circuiti basati su amplificatore operazionale
6.5 Schema semplificato di un amplificatore operazionale e compensazione di Miller
7 Amplificatori ai grandi segnali
7.1 Potenza utile ed Efficienza
7.2 Distorsione non lineare
7.3 Stadi di uscita in classe A: collettore comune, emettitore comune.
7.4 Sollecitazioni sui dispositivi di uscita
7.4.1 Surriscaldamento, trasmissione del calore nei dispositivi elettronici
7.4.2 Zona di funzionamento sicuro di un dispositivo
7.5 Definizione delle classi di funzionamento: A,B,C,D
7.6 Amplificatori a rendimento elevato
7.6.1 Classe B ed AB in controfase
7.6.2 Classe C e D: schemi di principio
8 Stabilità del circuito in un punto di riposo
8.1 Analisi nel dominio di Laplace: effetto dei poli
8.2 Modi naturali
8.3 Instabilità: innesco sinusoidale ed esponenziale
8.4 Circuiti autonomi: definizione ed esempio
9 Simulazione numerica dei circuiti analogici
Bibliografia
P. R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, R. G. Meyer, “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”, 5th Edition, Wiley.
C. Morandi, “Elettronica C”, disponibile su Lea
R. Menozzi, “Appunti di Elettronica”, Pitagora.
S. Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits” McGraw-Hill
J. Milmann and C.C. Halkias, “Micro Elettronica”, Boringhieri, cap. 9
Metodi didattici
Lezioni orali
Esercitazioni: svolgimento di esercizi in aula
Esercitazioni integrative: ove possibile verranno organizzate esercitazioni integrative con svolgimento guidato di esercizi e prove scritte di esame.
Modalità verifica apprendimento
L’esame comprende una prova scritta e una prova orale: il superamento della prova scritta è condizione necessaria per accedere alla prova orale.
Durante la prova scritta non è possibile consultare testi o appunti.
La prova scritta richiede la soluzione di alcuni esercizi a risposta chiusa.
Il risultato positivo ottenuto nella prova scritta è valido entro la sessione di esami in cui è stato conseguito; pertanto la prova orale dovrà essere sostenuta entro la medesima sessione di esami.
In caso di esito negativo della prova orale, il risultato della prova scritta perde validità
La valutazione finale è una media (pesata) del risultato conseguito nella prova orale e scritta.
Sono ammessi alle prove scritte solo gli studenti iscritti per via telematica.
Altre informazioni
Sito web del corso con:
-materiale didattico
-testi di esame con soluzione
sul portale lea.unipr.it
L'iscrizione alla mailing list del corso (che viene azzerata ad ogni inizio di A.A.) è vivamente consigliata.
