31080 - LABORATORIO DI FISICA 3

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede le conoscenze di base sul funzionamento fisico dei principali dispositivi elettronici a semiconduttore e le loro applicazioni, sulla realizzazione di circuiti con elementi discreti ed integrati nell'ambito dell'elettronica analogica e digitale e sui relativi metodi di misura ed elaborazione dei dati sperimentali. In particolare, lo studente è in grado di: - realizzare circuiti elettronici ed effettuare sperimentalmente la loro caratterizzazione funzionale; - valutare gli errori, anche sistematici, da cui sono affette le misure in laboratorio; - elaborare con il computer i dati sperimentali di alcune prove svolte nel laboratorio di Fisica, scrivendo programmi in C++ ed usando metodi statistici e grafici, e confrontare i risultati con le aspettazioni teoriche.

Contenuti

Principi di base della fisica dei dispositivi elettronici a semiconduttore. Il diodo a giunzione: caratteristiche ed applicazioni. Il transistor bipolare (BJT): caratteristiche nelle tre configurazioni (CB, CE, CC) ed applicazioni. I transistor ad effetto di campo (JFET, MOSFET, MESFET) : caratteristiche ed applicazioni. Richiami di algebra di Boole. Funzioni logiche e circuiti digitali. Famiglie logiche fondamentali (TTL, ECL, MOS, CMOS). Pricipali circuiti elettronici in logica combinatoria : sommatori, sottrattori, ALU, moltiplicatori, comparatori, generatori e controllori di parità, decodificatori, demultiplexer, multiplexer, codificatori, ROM-PROM, EPROM-EEPROM, PAL, PLA. Pricipali circuiti elettronici in logica sequenziale: flip-flop (S-R, J-K, D, T), RAM, registri a scorrimento, contatori. Classificazione dei circuiti integrati : dai prodotti standard alla "custom logic". Classificazione dei PLD : dai sPLD ai cPLD (FPGA).

Gli argomenti delle prove pratiche di laboratorio sono:

1) Prima prova (introduttiva): calcolo teorico e misure di corrente in funzione della tensione a resitenza fissa e in funzione della resistenza a tensione variabili; calcolo teorico e misure di tensione di uscita da un partitore resistivo in funzione del rapporto di partizione.

2) Seconda prova: misura delle caretteristiche I-V di due diodi a semiconduttore (Si, Ge) con "best-fit" delle caratteristiche per il calcolo della corrente inversa di saturazione e del prodotto fattore idealità - Vt.

3) Terza prova: misura delle caratteristiche di uscita di un transistor BJT nella configurazione a emettitore comune per due valori della corrente di base, con "best-fit" nella regione attiva e calcolo del guadagno di corrente e della conduttanza di uscita.

4) Quarta prova: applicazioni analogico-digitali dei diodi a semiconduttore; I parte: realizzazione di un circuito tosatore a due livelli di un'onda sinusoidale con due diodi (Si, Ge); II parte: realizzazione di una porta logica OR e di una porta logica AND con due diodi al Si in regime dinamico.

5) Quinta prova: realizzazione di un circuito Full Adder con circuiti integrati SSI di tipo TTL standard e TTL open collector con circuito di pull-up esterno.

6) Sesta prova: I parte: realizzazione di un circuito per la decodifica e il display di un codice a 4-bit usando circuiti integrati TTL in logica combinatoria e sequanziale (Decoder/Driver, 7-Segment LED display, 4-bit Ripple Counter); II parte: realizzazione di un circuito divisore di frequenza usando 4 Flip-Flop di tipo D connessi in modo da funzionare come Flip-Flop di tipo T.

Testi/Bibliografia

J. Millman, A. Grabel, P. Terreni, "Elettronica di Millman", Ed. McGraw-Hill, 4a edizione, 2008.

J.R. Taylor, "Introduzione all'analisi degli errori", Ed. Zanichelli, Bologna.

Appunti sulle lezioni ed esercitazioni sono disponibili su AMS Campus.

Metodi didattici

• Lezioni frontali in aula.
• Esercitazioni in aula (Modulo 2).
• Sei esercitazioni pratiche obbligatorie in laboratorio di elettronica con relazione scritta.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Dopo ciascuna esperienza pratica in laboratorio gli studenti devono consegnare un rapporto scritto e dettagliato contenente lo scopo della prova, la strumentazione utilizzata, lo schema dei circuiti elettronici realizzati, le procedure adottate per le misure e tutte le misure effettuate (con calcolo degli errori, anche sistematici). A seconda dell'argomento della prova, è richiesta anche la presentazione grafica dei risultati. Il rapporto deve essere consegnato in forma cartecea quando gli studenti si presentano alla prova successiva. Il rapporto è soggetto a valutazione con un punteggio da 1 a 5. Se il rapporto è consegnato oltre il limite temporale previsto il punteggio massimo che può esservi associato da 5 diventa 3. La somma dei punteggi delle sei prove pratiche fornisce un numero in trentesimi che è mediato poi con il voto della prova scritta e della prova orale per fornire il voto finale.

L'esame finale consiste in una prova scritta di 2 ore, durante la quale non è ammesso l'uso di libri, appunti o supporti elettronici, ed una successiva prova orale. La prova scritta consiste nella soluzione di esercizi che mirano ad accertare l'abilità acquisita nel risolvere problemi pratici nell'ambito delle tematiche affrontate durante il corso ed in particolare durante le esercitazioni in aula ed in laboratorio. Per accedere alla prova orale bisogna superare lo scritto con un voto minimo di 18 su 30. La validità della prova scritta superata è limitata al singolo appello, ossia l'esame orale deve essere sostenuto nello stesso appello della prova scritta. La prova orale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze teoriche e pratiche previste dal programma del corso.

Il voto finale tiene conto delle valutazioni riportate in entrambe le prove (scritto e orale) e nei rapporti di laboratorio. Non è possibile sostenere l'esame di Laboratorio di Fisica 3 se non si è superato l'esame di Laboratorio di Fisica 2.

Strumenti a supporto della didattica

Laptop. Laboratorio con 18 posti di lavoro per montaggio di circuiti elettronici e strumenti di misura.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Gilda Scioli

Consulta il sito web di Andrea Alici