1G.V. Persiano – Elettronica

Elettronica (9 CFU)Prof. G.V. Persiano

• Tipologia di esame– Scritto + Orale

• Programma– Dispositivi e circuiti fondamentali– Circuiti e sistemi analogici – Circuiti e sistemi digitali

• Testi e materiale di riferimento– Sedra, Smith: Circuiti per la Microelettronica, Edises, 2005– Jaeger, Blablock: Microelettronica, McGraw-Hill, 2009 (*)

(*) solo come testo di ulteriore consultazione

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Versione Inglese Versione Italiana

3G.V. Persiano – Elettronica

Introduzione all’elettronica

• Breve storia dell’elettronica– Tappe fondamentali– Stato dell’arte e proiezioni future

• Classificazione dei segnali elettronici– Segnali analogici e digitali– Spettro di frequenza dei segnali

• Introduzione agli amplificatori– Modelli circuitali – Risposta in frequenza

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L’inizio dell’era dell’elettronica moderna

Bardeen, Shockley, e Brattain neiLaboratori Bell – Brattain e Bardeen inventarono il transistore bipolare nel

1947.

Il primo transistore bipolare al germanio. Approssimativamente 50 anni dopo, l’elettronica rappresenta il 10% (4000

miliardi di dollari) del prodotto interno lordomondiale (PIL).

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Tappe fondamentali dell’elettronica

1874 Braun inventa il raddrizzatore a stato solido.

1906 DeForest inventa il triodo a vuoto.

1907-1927Primi circuiti radio sviluppati con diodi e triodi.

1925 Lilienfeld brevetta il dispositivo ad effetto di campo

1947 Bardeen e Brattain ai Laboratori Bell inventano il transistore bipolare.

1952 Texas Instruments inizia la produzione commerciale di transistori bipolari.

1956 Bardeen, Brattain, e Shockley ricevono il premio Nobel.

1958 Kilby e Noyce sviluppano i circuiti integrati

1961 Primo circuito integratocommercializzato dalla Fairchild Semiconductor

1963 Si forma l’IEEE dall’unione diIRE e AIEE

1968 Primo amplificatore operazionaleintegrato

1970 Cella DRAM a un transistoreinventata da Dennard alla IBM.

1971 Presentazione del processoreIntel 4004.

1978 Prima memoria commerciale da1 Kbit.

1974 Presentazione del processore8080.

1984 Presentazione del chip di memoria da 1 Mbit.

1995 Presentazione del chip di memoria da 1 Gbit

2000 Alferov, Kilby, e Kromer vinconoil premio Nobel

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Evoluzione dei dispositivi elettronici

Tubi a vuoto Transistori

CircuitiIntegrati

SSI e MSI

CircuitiIntegrati

VLSI in surfacemount

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Dimensione caratteristica dei dispositivi

• Le innovazioni produttiveconsentono la riduzione delladimensione caratteristica.

• Minore dimensione caratteristicaporta ad un maggior numero ditransistori per unità di area e quindi ad una maggiore densità.

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Rapido incremento della densità in microelettronica

Densità circuiti di memoria nel tempo Complessità microprocessori nel tempo

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I segnali del mondo fisico e la loro elaborazione

• I segnali contengono informazioni su fenomeni della realtà quotidiana:

Condizioni meteorologiche temperatura, pressione, velocità vento, ecc.

Conversazione telefonica trasmissione e ricezione delle voci (acustica)

Necessità di rifornimento automobile livello di carburante

Ecc, ecc.

Trasduttore: il dispositivo nel suo complesso, che trasforma la grandezza fisica da misurare in un segnale di natura elettrica.

Sensore: elemento sensibile che converte la grandezza fisica in ingresso in una grandezza fisica inuscita facilmente acquisibile per via elettrica.

• Per estrarre informazioni, è necessario elaborare i segnali

grandezza fisica

segnale elettrico

10G.V. Persiano – Elettronica

Andamento temporale di un segnale arbitrario vs(t)

Generatori di segnale: (a) di Thévenin; (b) di Norton

Rappresentazione dei segnali elettrici

11G.V. Persiano – Elettronica

Segnale tempo-discreto risultante

Segnali elettrici analogici e digitali

Campionamento del segnale analogico tempo-continuo

12G.V. Persiano – Elettronica

Andamento temporale di un segnale digitale

Conversione analogico-digitale

13G.V. Persiano – Elettronica

Spettro di frequenza dei segnali elettrici

• Lo spettro di frequenza di un segnale riporta l’ampiezza e la fase delle componenti del segnale in funzione della frequenza

• Segnali periodici si possono comporre con un insieme di segnali sinusoidali di differente ampiezza, frequenza e fase Serie di Fourier

• Segnali non periodici hanno spettri continui occupantispesso una vasta gamma di frequenze trasformata di Fourier

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tVtv aa ωsin)( =

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++= ...5sin

513sin

31sin4)( 000 tttVtv ωωω

π

Serie di Fourier

Segnale periodico: onda sinusoidale

Segnale periodico: onda quadra

(fase φ=0)(frequenza f=ω/2π)

15G.V. Persiano – Elettronica

Spettro di frequenza di una forma d’onda arbitraria (non periodica)

Spettro di frequenza dell’onda quadra

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Suoni udibili (uomo) 20 Hz - 20 KHzSegnale TV a banda base 0 - 4.5 MHzRadio FM 88 - 108 MHzTelevisione (Canali 2-6) 54 - 88 MHzTelevisione (Canali 7-13) 174 - 216 MHzComunicazioni navali e governative 216 - 450 MHzTelefoni cellulari e wireless 1.71 – 2.69 GHzTV via satellite 3.7 - 4.2 GHzDispositivi Wireless 5.0 - 5.5 GHz

Gamma di frequenze di segnali comuni

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Convenzioni per grandezze elettriche

Valore continuo Simbolo maiuscolo, pedice maiuscolo IC

Valore variabile Simbolo minuscolo, pedice minuscolo ic

Valore istantaneo Simbolo minuscolo, pedice maiuscolo iC

Picco sinusoide Simbolo maiuscolo, pedice minuscolo Ic