Course Syllabus
Obiettivi
L'insegnamento fornisce le conoscenze fondamentali dell'elettronica analogica necessarie alla comprensione del funzionamento dei principali dispositivi elettronici a semiconduttore e dei circuiti analogici elementari per l'elaborazione del segnale.
Particolare attenzione è dedicata all'analisi e alla progettazione di circuiti basati su diodi, transistor MOSFET e amplificatori operazionali, alla definizione dei corretti punti di polarizzazione, all'analisi nel dominio del tempo e della frequenza e all'impiego di modelli a piccolo segnale.
Il corso integra attività teoriche, esercitative e di laboratorio mediante strumenti CAD (Computer Aided Design) per la simulazione e la progettazione circuitale, consentendo allo studente di acquisire competenze sia analitiche sia progettuali nell'ambito dell'elettronica analogica. Le esercitazioni CAD sono svolte utilizzando strumenti e metodologie compatibili con la progettazione di circuiti integrati reali, analoghi a quelli impiegati nelle moderne tecnologie su silicio, permettendo agli studenti di familiarizzare con flussi di progettazione utilizzati in contesti industriali e di ricerca.
Contenuti sintetici
Richiami di teoria delle reti elettriche lineari tempo invarianti.
Diodi a semiconduttore e applicazioni circuitali.
Transistor MOSFET: principio di funzionamento, polarizzazione e modelli a piccolo segnale.
Stadi amplificatori a singolo transistor.
Retroazione e amplificatori operazionali.
Analisi nel dominio del tempo e della frequenza.
Introduzione al rumore nei circuiti elettronici.
Simulazione e progettazione di circuiti analogici mediante strumenti CAD.
Programma esteso
- Richiami di teoria delle reti elettriche lineari tempo invarianti e metodi di analisi circuitale.
- Circuiti resistivi e dinamici nel dominio del tempo e della frequenza.
- Diodo a semiconduttore: caratteristiche elettriche, modelli circuitali e principali applicazioni.
- Transistor MOSFET: struttura, principio di funzionamento, regioni operative e caratteristiche statiche.
- Tecniche di polarizzazione dei MOSFET e determinazione del punto di lavoro.
- Modelli equivalenti a grande e piccolo segnale.
- Analisi di guadagno, impedenza di ingresso e impedenza di uscita.
- Stadi amplificatori a singolo transistor nelle configurazioni common source, common gate e common drain.
- Risposta in frequenza degli amplificatori e principali limitazioni dinamiche.
- Introduzione alle sorgenti di rumore nei circuiti elettronici.
- Principi della retroazione negli amplificatori elettronici.
- Amplificatore operazionale ideale e reale.
- Principali configurazioni circuitali basate su amplificatori operazionali e loro applicazioni.
- Utilizzo di strumenti CAD (Computer-Aided Design) per la simulazione e la progettazione di circuiti analogici.
- Analisi e verifica mediante simulazione CAD del punto di lavoro, della risposta nel tempo, della risposta in frequenza e delle prestazioni di rumore.
Prerequisiti
È consigliata una conoscenza generale dei concetti fondamentali di elettrostatica, campi elettrici, circuiti elettrici e matematica di base, con particolare riferimento all'algebra, ai numeri complessi e alle funzioni di una variabile. Eventuali richiami agli argomenti propedeutici necessari alla comprensione del corso saranno forniti durante le lezioni.
Modalità didattica
L'insegnamento prevede attività di didattica erogativa (DE) e didattica interattiva (DI).
Le attività di didattica erogativa consistono in 24 ore di lezioni frontali dedicate all'introduzione dei fondamenti teorici dell'elettronica analogica, dei dispositivi elettronici a semiconduttore e dei principali circuiti analogici per l'elaborazione del segnale.
Le attività di didattica interattiva consistono in 12 ore di esercitazioni numeriche e teoriche, finalizzate all'applicazione dei concetti introdotti durante le lezioni, e 12 ore di laboratorio CAD, dedicate alla simulazione e alla progettazione di circuiti analogici mediante strumenti di Computer-Aided Design (CAD).
Durante le esercitazioni e le attività di laboratorio gli studenti saranno coinvolti nella risoluzione di problemi, nell'analisi di casi di studio e nella verifica delle prestazioni circuitali mediante simulazione, favorendo l'acquisizione di competenze operative e progettuali.
Articolazione delle attività
- 24 ore di lezioni frontali (DE);
- 12 ore di esercitazioni teoriche e numeriche (DI);
- 12 ore di laboratorio CAD e simulazione circuitale (DI).
Materiale didattico
Il materiale didattico comprende le slide utilizzate durante le lezioni, esercizi svolti ed esercizi proposti per lo studio individuale, dispense integrative fornite dal docente e materiale relativo alle attività di laboratorio CAD.
Ulteriore materiale di approfondimento, inclusi articoli tecnici, note applicative e documentazione di riferimento, potrà essere reso disponibile durante il corso attraverso la piattaforma e-learning dell'Ateneo.
Per le attività di laboratorio saranno utilizzati strumenti CAD professionali per la simulazione e la progettazione di circuiti elettronici.
Testo di riferimento:
A. S. Sedra, K. C. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, ultima edizione disponibile.
Testo di approfondimento:
W. Sansen, Analog Design Essentials, Springer.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo Semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La valutazione finale è basata su due componenti:
- Progetto CAD individuale da svolgere durante il semestre e consegnare entro la data dell'appello d'esame. Il progetto consiste nell'analisi e nella simulazione di un circuito analogico mediante strumenti CAD. L'attività è finalizzata a verificare la capacità dello studente di applicare i concetti teorici acquisiti durante il corso e di utilizzare correttamente gli strumenti di simulazione circuitale. Il progetto contribuisce fino a un massimo di 3 punti sul voto finale.
- Prova scritta individuale, finalizzata alla verifica delle conoscenze teoriche e delle capacità di analisi e progettazione circuitale. La prova è composta da tre esercizi, ciascuno valutato fino a un massimo di 9 punti:
- un esercizio di teoria delle reti elettriche e/o DIODI;
- un esercizio relativo all'analisi e alla progettazione di circuiti con transistor MOSFET;
- un esercizio relativo all'analisi e alla progettazione di circuiti basati su amplificatori operazionali, ed eventualmente MOSFET e DIODI
La prova scritta consente di valutare la comprensione dei principi fondamentali dell'elettronica analogica, la capacità di applicare metodi di analisi circuitale e la capacità di risolvere problemi quantitativi.
Il voto finale è espresso in trentesimi ed è ottenuto dalla somma del punteggio della prova scritta (massimo 27 punti) e del progetto CAD (massimo 3 punti). Il superamento dell'esame richiede il raggiungimento di almeno 18/30.
Orario di ricevimento
Lunedi 10-12
Sustainable Development Goals
Aims
The course provides the fundamental knowledge of analog electronics required to understand the operation of the main semiconductor electronic devices and basic analog circuits for signal processing.
Particular emphasis is placed on the analysis and design of circuits based on diodes, MOSFET transistors, and operational amplifiers, including biasing techniques, time- and frequency-domain analysis, and the use of small-signal models.
The course integrates lectures, problem-solving sessions, and laboratory activities through the use of Computer-Aided Design (CAD) tools for circuit simulation and design, enabling students to acquire both analytical and design-oriented skills in analog electronics. The CAD laboratory activities are carried out using tools and methodologies compatible with the design of real integrated circuits, similar to those employed in modern silicon technologies, allowing students to become familiar with design flows commonly adopted in industrial and research environments.
Contents
Review of linear time-invariant electrical networks.
Semiconductor diodes and their circuit applications.
MOSFET transistors: operating principles, biasing techniques, and small-signal models.
Single-transistor amplifier stages.
Feedback theory and operational amplifiers.
Time-domain and frequency-domain circuit analysis.
Introduction to noise in electronic circuits.
Simulation and design of analog circuits using Computer-Aided Design (CAD) tools.
Detailed program
- Review of linear time-invariant electrical networks and circuit analysis techniques.
- Resistive and dynamic circuits in the time and frequency domains.
- Semiconductor diodes: electrical characteristics, circuit models, and main applications.
- MOSFET transistors: structure, operating principles, regions of operation, and static characteristics.
- MOSFET biasing techniques and operating-point determination.
- Large-signal and small-signal equivalent models.
- Analysis of voltage gain, input impedance, and output impedance.
- Single-transistor amplifier stages in common-source, common-gate, and common-drain configurations.
- Frequency response of amplifiers and their main dynamic limitations.
- Introduction to noise sources in electronic circuits.
- Principles of feedback in electronic amplifiers.
- Ideal and non-ideal operational amplifiers.
- Main operational-amplifier circuit configurations and their applications.
- Use of Computer-Aided Design (CAD) tools for analog circuit simulation and design.
- CAD-based analysis and verification of operating points, time-domain response, frequency response, and noise performance.
Prerequisites
A general understanding of the fundamental concepts of electrostatics, electric fields, electrical circuits, and basic mathematics is recommended, with particular reference to algebra, complex numbers, and functions of a single variable. Any prerequisite topics required for the understanding of the course will be briefly reviewed during the lectures.
Teaching form
The course includes both Lecturing Activities (DE) and Interactive Learning Activities (DI).
Lecturing activities consist of 24 hours of classroom lectures devoted to the theoretical foundations of analog electronics, semiconductor devices, and basic analog circuits for signal processing.
Interactive learning activities consist of 12 hours of theoretical and numerical problem-solving sessions aimed at applying the concepts introduced during the lectures, and 12 hours of CAD laboratory sessions dedicated to the simulation and design of analog circuits using Computer-Aided Design (CAD) tools.
During the exercises and laboratory activities, students will be involved in problem-solving tasks, case studies, and circuit-performance verification through simulation, fostering the development of practical and design-oriented skills.
Activity Breakdown
24 hours of lectures (DE);
12 hours of theoretical and numerical exercises (DI);
12 hours of CAD laboratory and circuit simulation activities (DI).
Textbook and teaching resource
The teaching material includes lecture slides, solved examples and exercises for individual study, supplementary notes provided by the instructor, and material related to the CAD laboratory activities.
Additional resources, including technical articles, application notes, and reference documentation, may be made available throughout the course via the University's e-learning platform.
Professional CAD tools for electronic circuit simulation and design will be used during the laboratory activities.
Reference Textbook
A. S. Sedra, K. C. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, latest available edition.
Additional Reading
W. Sansen, Analog Design Essentials, Springer.
Semester
Second Semester
Assessment method
The final grade is based on two components:
- Individual CAD Project, to be carried out during the semester and submitted by the examination date. The project consists of the analysis and simulation of an analog circuit using CAD tools. Its purpose is to assess the student's ability to apply the theoretical concepts acquired during the course and to correctly use circuit simulation tools. The project contributes up to a maximum of 3 points to the final grade.
- Individual Written Examination, aimed at assessing theoretical knowledge as well as circuit analysis and design skills. The examination consists of three exercises, each worth up to 9 points:
- one exercise on electrical network theory and/or diode circuits;
- one exercise involving the analysis and design of MOSFET-based circuits;
- one exercise involving the analysis and design of operational-amplifier-based circuits, possibly including MOSFETs and diodes.
The written examination evaluates the understanding of the fundamental principles of analog electronics, the ability to apply circuit analysis techniques, and the capability to solve quantitative engineering problems.
The final grade is expressed on a 30-point scale and is obtained by summing the score of the written examination (maximum 27 points) and the CAD project (maximum 3 points). A minimum score of 18/30 is required to pass the examination.
Office hours
Monday 10-12
Sustainable Development Goals
Staff
-
Marcello De Matteis
-
Valeria Vadalà
