Appunti Elettronica, prof. Dario Natali, 2018/2019, ing. Matematica, POLIMI

1. Introduzione

Segnali e circuiti elettrici.

Sistemi elettronici: definizione, classificazioni, esempi.

Breve storia dell’evoluzione delle tecnologie elettroniche.

2. Richiami di elettrotecnica

Reti elettriche resistive.

Circuiti dinamici con commutazione degli ingressi.

Circuiti dinamici lineari in regime sinusoidale e arbitrario.

Risposta in frequenza. Circuiti nel dominio della trasformata di Laplace: poli e zeri e loro significato circuitale. Diagrammi di Bode. Il metodo delle costanti di tempo. Individuazione delle funzioni di trasferimento per ispezione circuitale.

Legame tra il comportamento in frequenza e la risposta nel tempo.

Circuiti con elementi non lineari: il modello linearizzato per piccoli segnali.

3. Fisica dei semiconduttori

Legge di ohm e mobilità dei portatori. Introduzione ai semiconduttori. Semiconduttori intrinseci ed estrinseci. Drogaggio p e n. Compensazione. Legge di azione di massa. Correnti di deriva e diffusione. Relazione di Einstein. Relazione tra concentrazione di portatori e differenza di potenziale. Derivazione della distribuzione di Boltzmann. Equazione di continuità.

4. Il diodo

La giunzione pn: relazione funzionale corrente-tensione basate sulla distribuzione di Boltzmann. Elettrostatica della giunzione: estensione della zona di carica spaziale. Corrente nel diodo pn a base corta e lunga, in diretta ed inversa. Estensione della zona di carica spaziale nella giunzione polarizzata.

Analisi delle approssimazioni: neutralità delle regioni neutre, caduta di tensione sulle regioni neutre, quasi equilibrio della zona svuotata, lunghezza di Debye.

Il significato della lunghezza di diffusione. Il tempo di transito dei minoritari nelle zone neutre del diodo a base corta. Carica di minoritari accumulata nel diodo a base lunga e corta e relativa formulazione alternativa per la corrente. Capacità di giunzione e di diffusione. Ionizzazione da impatto: calcolo del campo elettrico critico.

Modelli e circuiti equivalenti per diodi. Circuiti di taglio e vincolo, clamper, allungatore di picco per la demodulazione AM.  Rettificatore a semionda e ad onda intera. Calcolo del ripple e della corrente massima nel diodo. Ponte di diodi.

Il diodo polarizzato in inversa come fotorivelatore. Strutture pin.

5. Il transistore MOS

Il concetto di transistore come generatore comandato. Breve storia del transistor. BJT e JFET (cenni).

MOS: calcolo della tensione di soglia. Calcolo della corrente nel MOSFET in approssimazione di canale graduale. La zona di saturazione nel MOSFET. Modello per piccoli segnali.

Polarizzazione del MOS e impiego come amplificatore per piccoli segnali.

Circuiti elementari a MOS: source comune, source follower, source degenerato, gate comune. Resistenza viste nei terminali del MOSFET. La resistenza di uscita. Il MOSFET come generatore di corrente. Stadio differenziale e specchio di corrente.

Effetti dello scaling.

6. Amplificatore Operazionale

Sistemi retroazionati: stabilizzazione del guadagno ed effetto sulle non linearità del blocco di andata. Guadagno ideale, reale e d’anello.

L’amplificatore operazionale retroazionato ovvero il nullore. Configurazione invertente e non invertente. L’elaborazione analogica del segnale con l’A.O: nodo sommatore, buffer di tensione, amplificatore alle differenze, integratore ideale e reale.

Risposta in frequenza. Cenni alla stabilità. Polo ad anello chiuso della configurazione non invertente. Trade-off tra banda e guadagno.

La retroazione e la risposta in frequenza. La stabilità e i relativi criteri di verifica.

L’A.O. reale: effetti delle principali non idealità: correnti di bias, offset di tensione, corrente di uscita, slew-rate, resistenze di ingresso e uscita.

8. Rumore nei circuiti elettronici (cenni)

Processi casuali, processi stazionari, processi ergodici. La funzione di autocorrelazione e la densità spettrale di potenza. Rumore termico e rumore shot. Generatori equivalenti di rumore.