Programma

Programma di massima del corso

Introduzione metodologica

Significato della misura in fisica. Metodo di preparazione delle relazioni. Software di analisi e visualizzazione dei dati sperimentali.

Circuiti lineari - Richiami di teoria dei circuiti.

Leggi di Ohm, Kirchoff. Modello di Thevenin. Risposta di un circuito a segnali sinusoidali o impulsivi. Uso delle trasformate di Fourier e Laplace. Induttanze e capacità. Componenti ideali e reali. Resistenza serie e parallela. Resistenza di ingresso e uscita. Metodo di soluzione dei circuiti e software di simulazione.

Dispositivi a semiconduttore - Diodo

Cenni alla teoria dei semiconduttori. Drogaggio. Giunzioni p-n. Corrente nei semiconduttori. Diodo a giunzione. Struttura e caratteristiche di un diodo. Corrente, svuotamento, capacità. Diodi Zener. Il diodo come elemento circuitale. Circuiti limitatori e rettificatori. Filtri capacitivi. Rivelatori di picco. Duplicatore di tensione.

Dispositivi per amplificazione - Transistor

Transistor a giunzione bipolare (BJT). Caratteristiche del transistor. Zona attiva, di saturazione edi interdizione. Implementazione di circuiti logici. Logica TTL. Modello a parametri h del transistor. Amplificatori a transistor con configurazione di collettore o emettitore comune.

Transistors a giunzione ad effetto di campo (JFET) e sue caratteristiche.

Transistor MOSFET di tipo p e di tipo n. Circuiti CMOS. Amplificatori differenziali.

Reazione (feedback).

Circuiti con feedback positivo o negativo. Feedback di tensione e di corrente. Uso del feedback negativo per migliorare le prestazioni degli amplificatori. Feedback positivo.

Amplificatori operazionali (OpAmp)

Il feedback negli OpAmp. Principio della massa virtuale. Circuiti che effettuano operazioni matematiche: sommatore, derivatore, integratore. Impedenza di ingresso e uscita nei circuiti con OpAmp. Teorema di Miller.

Filtri attivi. Cenni al rumore nei circuiti elettronici.

Usi non lineari degli OpAmp. Rivelatori di picco. Sistemi di Sample-And-Hold.

Oscillatori. Trigger di Schmitt.

Circuiti digitali

Base binaria, ottale, esadecimale, decimale e conversione tra le varie basi. Rappresentazioni dei numeri binari: modulo e segno, complemento a uno e a due, codice Gray e BCD. Porte logiche a 1 e 2 ingressi. Caratteristiche fisiche dei circuiti logici: livelli logici di tensione, fan-out, ritardi. Implementazione di NAND con elementi discreti in logica TTL. Definizione di reti logiche combinatorie e sequenziali, tabella delle verità.

Logica combinatoria

Forme standard di funzioni logiche: somma di prodotti e prodotti di somme. Algebra di Boole e leggi di De Morgan. NOR e NAND come porte logiche universali. Mappe di Karnaugh ed esempi di applicazioni: comparatore di numeri binari e sommatore. Implementazione di circuiti per controllo del display a sette segmenti, half adder e full adder.

Logica sequenziale

Elementi logici sequenziali di base. Flip-flop (FF). FF Set-reset sincrono e asincrono con porte NOR e NAND. Latch di tipo D e JK. Circuito di master-slave. Ingressi sincroni e asincroni. Applicazioni dei FF: contatori asincroni e sincroni, registri a scorrimento, moltiplicatore e divisore, generatore di numeri pseudocasuali, registro ad anello, contatore decadico. Temporizzazione con FF.

Progettazione di circuiti in logica sequenziale

Macchina a stati finiti. (FSM). Applicazione della FSM: controllo/calcolo della parità, registro a scorrimento come FSM, macchina distributrice.

Circuiti integrati logici complessi

Multiplexer, demultiplexer, ROM, PAL, PLA, FPGA. Metodologie per l'implementazione di un circuito combinatorio: parti standard, look-up tables, template based logic.

MicroControllori: struttura e funzionamento, porte tri-state, bus, architettura Harvward e Von Neumann, memorie, ALU, esecuzioni di una istruzione, porte in-out. Concetto e gestione di interrupt. FPGA: applicazioni, struttura di base ed utilizzo.

Circuiti per la conversione digitale/analogica e analogica/digitale (DAC e ADC):

a contatore, ad approssimazioni successive, a singola e doppia rampa.

Esercitazioni

Il corso include circa 30 esercitazioni di laboratorio ed alcune esperienze di fisica fondamentale tra le seguenti:

1. Misura del rapporto e/m

2. Esperienza di Franck-hertz

3. Misura dell’effetto fotoelettrico

4. Righe di Balmer - costante di Rydberg

5. Misure di lunghezza d'onda, interfermetro di Michelson