Corso di laurea magistrale in Fisica

1. Ripasso: generatori controllati, quadripoli, classificazione amplificatori
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2. Amplificatori single-ended vs. differenziali, sistemi a retroazione negativa
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3. Dimostrazione LTspice, introduzione al MOS-FET e alle tecnologie CMOS
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4. Caratteristica I/V MOS, effetto di modulazione di canale, PMOS transistor
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5. Amplificatore common-source, modello di piccolo segnale
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6. Amplificatore common-source (cont'd), CMOS inverter
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7. Amplificatore common-source con carico attivo, diode-connected MOS
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8. Specchio di corrente, amplificatore common-source con degenerazione, body-effect
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9. Amplificatore common-source con degenerazione (cont'd), source follower, cascode 
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10. Amplificatore cascode, amplificatore di trans-impedenza
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11. Amplificatore common-gate, introduzione agli amplificatori differenziali
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12. Coppia differenziale di base
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13. Coppia differenziale con carico attivo
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/b2fb327bc99e4f45b3375511c3b6e003

14. Coppia differenziale retroazionata, regolatore LDO
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15. Trasformate di Laplace, capacità parassite nel transistor MOS, diagrammi di Bode
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16. Risposta in frequenza, effetto Miller
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17. Bandgap, LVDS, common-mode feedback
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18. Esercitazione aggiuntiva in preparazione d'esame
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19. Ulteriore sessione di domande in preparazione d'esame
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1. Mar 29/09/2020
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2. Mer 30/09/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/a4562d32d9884f1f97a1126715092555

3. Gio 01/10/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/1d0ea5c6959d405db117f91e092a255d

4. Mar 06/10/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/690dcbacb0f14ef5b4fa64cc752e54d3

5. Mar 17/11/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/411f59d73c794d9789044502ba2e225b

6. Mer 18/11/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/c5d5f847ce334ed3b362f2198574c546

7. Gio 19/11/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/bbc30690613c4270aafd772839d33b4a

8. Mar 24/11/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/21e4920bc56e4fac95d836078ff492f9

9. Mer 25/11/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/cb3b48d4d5d546b29132e75ab8c62a19

10. Gio 26/11/2020
https://unito.webex.com/recordingservice/sites/unito/recording/play/634ce12191114014ac8c59571281d112

11. Mer 2/12/2020 (esercitazione aggiuntiva in preparazione d'esame)
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• Definizioni di tensione, corrente, potenza elettrica. Derivazione delle leggi di Kirchoff a partire dalle equazioni di Maxwell, approssimazioni di quasi-staticità. Legge di Ohm.
  
  
• Bipoli elettrici: definizioni e loro classificazione. Bipoli passivi fondamentali: resistore, condensatore e induttore. Caratteristiche I/V e relazioni costitutive.
  
  
• Analisi delle reti in regime sinusoidale. Sviluppo in serie e integrale di Fourier. Impedenze complesse e calcolo simbolico per segnali sinusoidali. Estensione a segnali qualunque tramite la trasformata di Laplace. Frequenza complessa e impedenze generalizzate. Calcolo simbolico generalizzato.
  
  
• Bipoli attivi: generatori tensione/corrente e loro classificazione, generatori ideali vs. reali, caratteristiche I/V, resistenza interna, simboli circuitali, esempi. Partitore di tensione e partitore di corrente. Equivalenza tra generatori. Generatori controllati, classificazione (vcvs/vccs/ccvs/cccs) e loro utilizzo per la modellizzazione di circuiti attivi. Bipoli teorici: nullatore e noratore. Collegamenti in serie e parallelo di generatori ideali.
  
  
• Teorema del massimo trasferimento di potenza generalizzato al caso di impedenze complesse, massimo trasferimento di potenza vs. efficienza. Adattamento di impedenza. Teorema di Thevenin. Teorema di Norton. Teorema di Miller.
  
  
• Quadripoli passivi e attivi. Quadripoli lineari. Modello a parametri di impedenza. Modello a parametri di ammettenza. Modello a parametri ibridi. Modello a parametri di trasmissione e introduzione al concetto di funzione di trasferimento.

• Introduzione agli amplificatori e loro classificazione. Funzioni di trasferimento ingresso/uscita per quadripoli: guadagno di tensione, guadagno di corrente, guadagno di transimpedenza e guadagno di transammettenza. Effetti di carico. Modelli circuitali per amplificatori di tensione, corrente, trans-impedenza e transconduttanza. Segnali differenziali vs. single-ended.
  
  
• Principio di funzionamento dei sistemi retroazionati. Retroazione (feedback) negativa. Funzione di trasferimento a maglia aperta e a maglia chiusa. Approssimazione del guadagno a maglia chiusa per elevati guadagni a maglia aperta. Vantaggi della retroazione negativa. Variazione del guadagno a maglia chiusa. Classificazione dei circuiti retroazionati: reazione parallelo-serie, parallelo-parallelo, serie-serie, serie-parallelo. Effetti della retroazione sulle impedenze di ingresso e di uscita. Effetti di carico della retroazione. Stabilità e compensazione in frequenza dei circuiti retroazionati.
  
  
• Amplificatori operazionali (OP-AMPs). OP-AMP ideale vs. reale, caratteristiche. Principio della massa virtuale. Applicazioni: comparatore di tensione, amplificatore invertente e non-invertente, buffer, photo-diode amplifier, sommatore, amplificatore differenziale, integratore e derivatore ideali.

• Introduzione storica agli amplificatori elettronici. Circuiti attivi, rigenerazione del segnale. Cenni sul principio di funzionamento del diodo a vuoto (realizzazione, equazione di Richardson–Dushman, equazione di Child-Langwir). Cenni sul principio di funzionamento delle valvole termoioniche (triodo, tetrodo e pentodo) per realizzare circuiti di amplificazione.
  
  
• Richiami sulla conduzione elettrica nei semiconduttori: semiconduttori intrinseci vs. drogati, necessità del drogaggio. Atomi donori e accettori. Drogaggio n-type e p-type. Legge di azione di massa. Correnti in un semiconduttore drogato. Corrente di diffusione e corrente di deriva, mobilità. Relazione di Einstein tra mobilità e coefficiente di diffusione. Giunzione PN. Trattazione all'equilibrio. Moti di diffusione e ricombinazione, formazione della zona di svuotamento. Profili spaziali di densità di carica, campo elettrico e potenziale elettrico. Potenziale di built-in. Richiami: diodo al silicio, equazione di Shockley, transistore BJT.
  
  
• Introduzione al transistore ad effetto di campo MOS: struttura geometrica, principio di funzionamento, drogaggi, aspect-ratio, oxide capacitance, polarizzazione del substrato, parametri di progetto vs. parametri di processo. NMOS vs. PMOS transistors. Confronto iniziale tra NMOS e PMOS (velocità, area, rumore). Confronto tra transistor MOS e BJT.
  
  
• Introduzione alle tecnologie CMOS moderne: processo Czochralski (cenni), silicon wafers, N-well process, STI, metal-stack, planarizzazione e ILD, layout, design-rules, BEOL vs. FEOL. Il problema del latch-up. Scaling (cenni), legge di Moore. Esempi di progettazione al CAD elettronico professionale.
  
  
• Trattazione del transistor NMOS come condensatore: reverse-bias (accumulazione) mode vs. forward bias mode, accumulo di carica nel canale, inversion layer, distinzione tra weak/moderate/strong inversion, definizione di tensione di soglia, gate capacitance vs gate-voltage.
  
  
• Derivazione della caratteristica I/V per un dispositivo NMOS: overdrive-voltage, channel charge, equazione della corrente in approssimazione di canale uniforme (deep-triode), on-resistance, equazione completa per canale non uniforme (triode), pinch-off del canale, regione lineare vs. saturazione, tensione di saturazione, square-law, amplificazione di corrente, MOS come voltage-controlled current-source, determinazione sperimentale della tensione di soglia.
  
  
• Effetti di ordine superiore. Dipendenza residua della corrente di drain dalla tensione V_DS, effetto di modulazione della lunghezza di canale, determinazione sperimentale del parametro λ. Riepilogo equazioni NMOS (modello di Shichman–Hodges). Conduzione sotto-soglia e caratteristica esponenziale in weak-inversion (cenni). Dipendenza della tensione di soglia dalla polarizzazione del substrato (body effect). Esempio di modello SPICE.
  
  
• Il transistor PMOS: struttura geometrica, drogaggi, polarizzazione del substrato, principio di funzionamento, tensione di soglia, analisi e caratteristiche per tensioni negative. Adattamento delle equazioni valide per il transistor NMOS al caso PMOS utilizzando tensioni positive.
  
  
• Body effect: dipendenza della tensione di soglia dalla tensione source-bulk, simulazione SPICE, spiegazione fisica, formula dell'effetto body, transconduttanza per effetto body. Triple-well NMOS. Controllo della tensione di soglia con i drogaggi, RVT/LVT/HVT transistors.
  
  
• Capacità parassite, modello di piccolo segnale completo.

• Amplificatore common-source con carico resistivo: voltage-transfer characteristic, concetto di punto di lavoro, linearizzazione attorno al punto di lavoro, principio di sovrapposizione e introduzione alla trattazione dei circuiti analogici tramite modello di piccolo segnale. Definizione di transconduttanza, espressione della transconduttanza in saturazione e in regione lineare, guadagno di tensione di piccolo segnale. Conduttanza di uscita e resistenza di uscita di piccolo segnale. Espressione della resistenza di uscita in funzione della corrente. Esempio di progettazione. Amplificatore common-source PMOS. Utilizzo dell'amplificatore common-source con carico resistivo come invertitore di tensione per realizzare la negazione logica. Svantaggi (power, livelli logici). L'invertitore di tensione CMOS: livelli logici CMOS, vantaggi. L'inverter CMOS come amplificatore: modello di piccolo segnale e guadagno.
  
  
• Amplificatore common-source con carico attivo: guadagno intrinseco, carico PMOS. Introduzione al problema della polarizzazione. Guadagno di piccolo segnale, dinamica di uscita e dinamica di ingresso.
  
  
• Connessione a diodo, introduzione al calcolo di resistenze di piccolo segnale. NMOS vs. PMOS diode-connected pilotati in corrente come voltage reference. Sostituzione con resistenza di bias e calcolo della resistenza.
  
  
• Specchio di corrente di base: principio di funzionamento, calcolo del rapporto tra correnti con/senza effetto di modulazione di canale, minimizzazione dell'effetto di modulazione di canale, regole guida per il transistor sizing. Introduzione al problema dei mismatches nei circuiti ad elevata simmetria: variazioni su aspect-ratio e tensione di soglia, dipendenza dall'area del transistor (formula di Pelgrom e diagramma di Pelgrom). Calcolo del mismatch per uno specchio di corrente, regole di progettazione per minimizzare i mismatches negli specchi di corrente. Ulteriori considerazioni di layout: orientazione dei transistors, utilizzo di dummy transistors, fingering vs. multiplicity. Esempio di realizzazione di un riferimento di corrente stabile mediante l'utilizzo della retroazione negativa, cenni alla realizzazione di riferimenti di tensione LDO. Amplificatore common-source con specchio di corrente.
  
  
• Inseguitore di tensione (source-follower): individuazione dell'effetto body, voltage transfer characteristic, modello di piccolo segnale, calcolo del guadagno e dell'impedenza di uscita per carico resistivo, approssimazioni, NMOS vs. PMOS. Source-follower con carico attivo. Utilizzo del source follower come buffer di tensione. Esempio di amplificatore multi-stadio (common-source + source-follower): guadagno e rete di polarizzazione.
  
  
• Amplificatore common-source con degenerazione: individuazione della presenza di una reazione negativa per la stabilizzazione del guadagno, modello di piccolo segnale, calcolo delle funzioni di trasferimento tra nodo di ingresso e nodi di drain/source, common-source e source-follower come casi particolari, introduzione al concetto di transconduttanza equivalente, interpretazione in termini di retroazione negativa, desensibilizzazione del guadagno dalla transconduttanza, confronto con il caso BJT, calcolo dell'impedenza di uscita di piccolo segnale. Gm-Rout lemma per sistemi lineari, dimostrazione.
  
  
• Amplificatore cascode: impedenza di uscita, identificazione del transistor di ingresso, calcolo della transconduttanza equivalente Gm e del guadagno di piccolo segnale. Carico resistivo, carico attivo PMOS, carico PMOS cascode. Telescopic cascode, output buffering, buffered telescopic cascode.
  
  
• Cascode current mirrors: specchio di corrente cascode di base, vantaggi, transistor sizing, limite sulla dinamica di uscita, threshold-shift, wide-swing (low-voltage) cascode current mirror.
  
  
• Amplificatore common-gate (cenni). Cascode stage come successione di uno stadio common-source e di uno stadio common-gate, telescopic cascode vs. folded-cascode.

• Introduzione agli amplificatori differenziali: amplificatore differenziale ideale, modello quadripolare, decomposizione di due segnali in segnale di modo comune e segnale di modo differenziale. Amplificatore pseudo-differenziale: guadagno differenziale e guadagno di modo comune, dipendenza dei parametri di lavoro dalla tensione di modo comune.
  
  
• Coppia differenziale con carico resistivo: tail current, analisi di modo comune (equilibrio), voltage transfer characteristic, indipendenza delle tensioni di uscita dalla tensione di modo comune, common-mode input range, tensione sul source comune, determinazione dei valori limite sul common-mode in ingresso. Analisi di modo differenziale: derivazione del guadagno differenziale sia usando la caratteristica di grande segnale che il modello di piccolo segnale, principio della massa virtuale, guadagno residuo di modo comune, dipendenza dalla resistenza Rs, confronto con il caso di amplificatore common-source con degenerazione. Mismatches, regole guida per il transistor sizing per minimizzare i mismatches, offset, compensazione dell'offset (cenni). 
  
  
• Coppia differenziale con carico attivo diode-connected, guadagno di piccolo segnale. Amplificatore fully-differential con PMOS current-source, guadagno di piccolo segnale, necessità del Common-Mode Feedback (cenni). Definizione di Operational Transconductance Amplifier (OTA), telescopic-cascode OTA vs. folded-cascode OTA (cenni). Coppia differenziale con specchio di corrente PMOS, uscita single-ended, calcolo della tensione di uscita all'equilibrio, modello di piccolo segnale, guadagno di piccolo segnale. OTA a due stadi, guadagno.

• Risposta in frequenza dell'amplificatore a source comune: frequenza di taglio, banda passante, prodotto guadagno-banda, frequenza di guadagno unitario.

• Segnali analogici vs. digitali, logica binaria, costanti e variabili logiche, esempi elettrici (TTL, CMOS, NIM, LVDS), ottici (fibra ottica, compact-disk) e magnetici (hard-disk).
  
  
• Stringhe binarie, MSB/LSB, endianess (big-endian vs. little-endian). Bit, byte e multipli (kB, MB, GB, TB). Sistemi di numerazione posizionali: decimale, ottale, esadecimale, binario. Esempi di codici binari: straight binary, BCD, one-hot/one-cold, termometrico, Gray.

• Classificazione dei circuiti digitali (combinatori vs. sequenziali, sincroni/asincroni). Funzioni logiche combinatorie e tabelle di verità. Operatori logici fondamentali: NOT, AND, OR. Algebra di Boole e teoremi di De Morgan, principio di dualità, NAND e NOR come porte logiche universali. Esempio (applicazione pratica): misura dell'efficienza di un rivelatore di tipo scintillatore. Equazioni di semplificazione e loro dimostrazione.
  
  
• Derivazione delle equazioni logiche a partire da tabelle di verità: minterms/maxterms, equazioni logiche come somma di prodotti (SOP) e prodotti di somme (POS). Equazione minima. Introduzione alle mappe di Karnaugh: costruzione, numerazione Gray, caselle/ righe adiacenti, esempi.
  
  
• Semplificazione delle mappe di Karnaugh con esempi vari. XOR e XNOR. Realizzazione di blocchi combinatori di uso comune: multiplexer/demultiplexer, decoders, encoders, esempi (binary/Gray, Gray/binary, one-hot). Comparatore binario. Somma binaria, half-adder/full-adder, ripple-carry-adder. Sottrazione binaria, half-subtractor/full-sutractor. Moltiplicazione binaria (cenni). Barrel shifters. Esempio semplificato di Arithmetic Logic Unit (ALU) a 1-bit.

• Il transistor MOS come interruttore, simboli usati in elettronica digitale, CMOS logic levels. CMOS inverter: richiami sull'amplificatore common-source, voltage-transfer characteristic (VTC), NMOS-only inverter e svantaggi, importanza del processo CMOS, CMOS inverter. Implementazione CMOS di NAND/NOR/AND/OR gates.
  
  
• Implementazione CMOS di funzioni logiche più complesse, pull-up network (PUN) vs. pull-down network (PDN). CMOS XOR/XNOR gates. CMOS switch, pass-gate logic, esempi (multiplexer pass- gate).
  
  
• Lo stato di alta impedenza, esempi pratici (protocollo I2C). 3-state CMOS logic ed esempi: 3-state inverter, 3-state buffer, 3-state multiplexer. Ulteriori considerazioni sull'inverter CMOS: calcolo del consumo di potenza dinamico, noise margin, definizione operativa di tempo di ritardo (delay), input-slew vs. load capacitance, fan-in/fan-out, optimum transistor sizing per inverter, NOR e NAND gates. Dimostrazione del fatto che NMOS (PMOS) sia un buon pull-down (pull-up) device ma non il viceversa.

• Circuiti con memoria, elemento bistabile di base, derivazione della caratteristica esponenziale in transitorio. Ring-oscillator come generatore di clock, oscillatore di Pierce. Latches vs. FlipFlops: NOR-based e NAND-based S/R latches, gated S/R latch, D-latch e D-Flip-Flop, tempo di setup e di hold.
  
  
• Implementazione CMOS di latches e FlipFlops. Reset sincrono vs. asincrono. T-FlipFlop, J/K FlipFlop. Esempi di circuiti sequenziali: clock-divider, 1-bit register, ripple-counter, contatore sincrono binario, shift-registers (SISO/SIPO/PISO/PIPO), Johnson counter. Introduzione alle macchine a stati finiti, derivazione del diagramma di stato a partire da un circuito, encoding degli stati (straight binary, Gray, one-hot/one-cold), minimum cost vs. minimum risk, macchine di Mealy vs. Moore.
  
  
• Il problema del timing nei circuiti digitali: timing-hazards e glitches nei circuiti combinatori (esempi), derivazione di setup/hold constraints per i circuiti sincroni.
  
  
• Introduzione alle memorie e loro classificazione. Implementazione CMOS della cella di RAM di base a 6 transistor e concetto di puntatore.