- Applied Electronics
- Summary
Course Syllabus
Obiettivi formativi
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Il Corso è particolarmente indicato per il Fisico Sperimentale che vuole comprendere le modalità di operazione di una catena di lettura di un rivelatore. Gli obiettivi del corso sono di fornire conoscenza sui criteri di progettazione basati sull’uso di amplificatori reazionati (stabilità e rumore). Criteri di filtraggio per l’ottimizzazione del rapporto segnale su rumore. Applicazioni alla lettura di segnali da rivelatori di particelle. Introduzione all’uso dei transistori nei circuiti a basso rumore. Operazione dei componenti a stato solito a temperature ultra-basse (criogeniche) ed in ambienti ad alta radiazione.
IMPORTANTE: per i dettagli riguardanti orari e modalità delle lezioni entra nella pagina del corso cliccando sul rettangolo a destra.
Contenuti sintetici
Fornire gli strumenti base per potere realizzare progetti di amplificatori, anche a basso rumore, basati sull’impiego di Amplificatori Operazionali. Introduzione alla metodologia d’uso dei transistor nelle applicazioni a basso rumore. Comprensione dei criteri di acquisizione dei segnali da rivelatori di particelle per la fisica astroparticellare e con acceleratori. Il corso è indicato allo studente di fisica interessato ad un qualsiasi indirizzo perimentale.
Programma esteso
Il concetto di amplificatore, l’amplificatore operazionale. Il concetto di reazione negli amplificatori. Come valutare tutti i parametri che caratterizzano un amplificatore reazionato. L’analisi nel dominio delle frequenze dei segnali analogici mediante trasformate di Fourier e Laplace. La stabilità di una rete reazionata ed i criteri di compensazione. Il concetto di rumore e la soluzione di reti lineari in presenza di rumore. Il concetto del rapporto
segnale su rumore. Il preamplificatore di carica e la formatura di un segnale proveniente da un rivelatore nucleare di particelle.
Accenni alla fisica dei semiconduttori come introduzione ai transistori bipolari, JFET e MOS. Il rumore nei transistori e la loro modellizzazione matematica. Realizzazione di circuiti a transistori a basso rumore. Il preamplificatore di carica in varie topologie circuitali. Vengono fornite le nozioni di base necessarie alla progettazione di Amplificatori Operazionali: stadio di ingresso, stadio di amplificatore intermedio, stadio di uscita e le più classiche protezioni elettriche.
Analisi del comportamento di dispositivi elettronici a temperature estremamente basse, criogeniche, ed in ambienti altamente radioattivi in relazione agli esperimenti sullo studio della massa del neutrino e della materia oscura e nel contesto della fisica con acceleratori.
Prerequisiti
Principali Nozioni di Fisica di base classica: Elettricità e Magnetismo.
Metodi didattici
- Le lezioni sono tutte impartire in modo erogativo, esercitazioni, esempi di simulazione circuitale con MATLAB Symbolic, MATLAB Simscape-Electronics e PSPICE, 6 cfu, 42 ore.
- Le registrazioni delle lezioni saranno anche fruibili su questa piattaforma web , previa iscrizione al corso e frequentazione delle lezioni in aula.
- Le lezioni possono essere erogate in inglese, se richiesto.
Modalità di verifica dell'apprendimento
L'esame sarà svolto con un singolo colloquio finale su tutti gli argomenti trattati.
NOTA: a fianco ad ogni dispensa troverai indicazioni degli eventuali argomenti lasciati per approfondimento che non saranno oggetto di discussione. Le dispense si intendono alla base degli argomenti richiesti.
L'esame può essere sostenuto in inglese.
Testi di riferimento
- Le slide proiettate del corso saranno disponibili in contemporanea alle lezioni su questa pagina web, cliccando su entra in alto a destra, sotto forma dispense.
Le dispense sono esplicative e sufficienti per la preparazione dell'esame. - Il dettaglio dei testi di riferimento saranno indicati nelle dispense ed anche alla pagina web del corso.
- Qui alcuni dei testi di approfondimento:
Sergio Franco, Amplificatori operazionali e circuiti integrati analogici : tecniche di progetto, applicazioni, U. Hoepli, c1992.
P.R.Gray, R.G.Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley & Sons;
E.Gatti, P.F.Manfredi, Processing the signals from solid-state detectors in elementary-particle physics, La Rivista del Nuovo Cimento, V.9, serie 3, p.1-146, 1986.
S.M.Sze Semiconductor Devices II Ed., John Wiley & Sons, 2001
R.S.Muller, T.I.Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, II Edition., John Wiley & Sons, New York.
M.Shur Physics of Semiconductors Devices, Prentice Hall 1990
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Lingua di insegnamento
Italiano / Inglese
Sustainable Development Goals
Learning objectives
The Course is particularly suitable for the Experimental Physicist who wants to understand the mode of operation of a detector readout chain. The course objectives are to provide knowledge on design criteria based on the use of amplifiers with feedback (stability and noise). Filtering criteria for optimizing signal-to-noise ratio. Applications to reading signals from particle detectors. Introduction to the use of transistors in low-noise circuits. Operation of solid state components at ultra-low (cryogenic) temperatures and in high-radiation environments.
Contents
The student is given the basic instruments to be able to design analog amplifiers, also for low noise applications. An introduction is given to the transistors operation in low noise circuits. Filtering for optimization of signal to noise ratio. Understanding of signal acquisition criteria from particle detectors for astroparticle physics and with accelerators.
The lecturers are for students in physic that are particularly interested in the experimental field.
Detailed program
The concept of amplifier, the Operational amplifier. The concept of feedback of an amplifier. The mathematical approach t to the determination of all the aspects that concern a fed backed amplifier. The frequency domain
analysis of the signals with Fourier and Laplace Transforms. The stability of a feed backed network and the compensation criteria. The noise in the electronic systems and the analysis of the noise in linear networks. The
concept of the signal t to noise ratio. The charge sensitive preamplifier and the shaping of the signals coming from a nuclear detector of particles.
A short introduction to the physic of semiconductors applied to Bipolar, JFET and MOS transistors. The mathematical modelling and the noise sources in transistors. Transistors in low noise circuits. Circuit solutions for
charge sensitive preamplifiers. A study is given on the basic blocks of Operational Amplifiers: input stage, intermediate stage, output stage and the more common electrical protections.
Investigation of the behaviour of electronics devices at extremely low temperatures, cryogenic temperatures, and in radioactive environments in the contest of experiments about neutrino physics and dark matter and the physics with accelerators.
Prerequisites
Notions on classical Physics: Electricity and Magnetism
Teaching methods
- Lectures, tutorials, circuit simulation examples using MATLAB Symbolic, MATLAB Simscape-Electronics and PSPICE, 6 cfu, 42 hrs.
- Lecture recordings will also be available for use on this web platform , subject to course registration and classroom attendance.
- If requested, lectures can be given in English.
Assessment methods
The examination will be conducted with a single final interview on all topics covered.
NOTE: Next to each lecture notes you will find indications of any topics left for further study that will not be discussed. The lectur notes are intended to be considered the basis of the required topics.
The exam can be taken in English.
Textbooks and Reading Materials
- The projected slides of the course will be available at the same time as the lectures on this web page by clicking on enter in the upper right corner, in the form of handouts.
The handouts are explanatory and sufficient for exam preparation. - Details of the reference texts will be given in the handouts and also on the course web page.
- Here are some of the background texts:
Sergio Franco, Amplificatori operazionali e circuiti integrati analogici : tecniche di progetto, applicazioni, U. Hoepli, c1992.
P.R.Gray, R.G.Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley & Sons;
E.Gatti, P.F.Manfredi, Processing the signals from solid-state detectors in elementary-particle physics, La Rivista del Nuovo Cimento, V.9, serie 3, p.1-146, 1986.
S.M.Sze Semiconductor Devices II Ed., John Wiley & Sons, 2001
R.S.Muller, T.I.Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, II Edition., John Wiley & Sons, New York.
M.Shur Physics of Semiconductors Devices, Prentice Hall 1990
Semester
First Semester
Teaching language
Italian / English
Sustainable Development Goals
Key information
Staff
-
Gianluigi Ezio Pessina