Corso di Fondamenti di Elettronica

Corso di laurea in Ingegneria Informatica

A.A. 2019/20

Prof. M. Mosca

Prova in itinere (22/11/2019)

Durata massima della prova: 2h30min

Candidato:	Cognome e nome

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Progettare un sistema elettronico per il monitoraggio della frequenza di un segnale elettrocardiografico, le cui caratteristiche sono riportate sotto in figura.

10 mV 50 mV onda P onda QRS

L’onda P è caratterizzata dal superamento di un valore di ampiezza di 10 mV, mentre l’onda QRS dal superamento di un valore di ampiezza di 50 mV. Si noti che l’onda P non raggiunge mai 50 mV. In assenza di onde il segnale è pari a 0 V.

Il sistema deve effettuare e visualizzare su due display a due cifre, rispettivamente il conteggio delle onde P e quelle QRS in un intervallo di 10 secondi.

Si richiede lo schema a blocchi del sistema, il progetto di ogni singolo blocco e la relazione tecnica.

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Corso di laurea in Ingegneria Informatica

A.A. 2019/20

Prof. M. Mosca

ESAME DI FONDAMENTI DI ELETTRONICA

(14/01/2020)

Durata massima della prova: 4h00min

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Prova n. 1 (max 6 punti):	VOTO:

Si spieghi in dettaglio il funzionamento fisico del BJT npn, polarizzato in zona attiva. Nella descrizione si evidenzino:

-	le correnti in gioco;

-	l’effetto delle due tensioni di polarizzazione sulle cariche che percorrono il semiconduttore;

-	l’effetto amplificante.

Variabili utili: iE, iC, iB, vBE, VT, , vBC, vCE, , a.

Formule utili:	iE = iC + iB , , , , ,

 = iC/iE ,  = iC/iB ,

Prova n. 2 (max 8 punti)	VOTO:

Per il circuito riportato in figura si ha VCC = +15 VRC = 860  RE = 430 , R1 = 10 k R2 = 5 k; la resistenza di carico sia RL = 1 M, mentre la resistenza interna del generatore di piccoli segnali vs sia Rs = 630 , Per il BJT si assuma un guadagno b = 300.

Determinare:

il punto di riposo del transistor;

lo schema equivalente dinamico;

l’amplificazione di tensione totale (ossia riferita alla sorgente) AvT = vo/vs.

Si trascurino le reattanze dei condensatori alla frequenza del segnale d’ingresso.

VCC = +15 V RL = 1 M Rs = 630  RC = 860  RE = 430  R1 = 10 k R2 = 5 k b = 300

Variabili utili: ID, VCE, VBE, VT, VBB, VCC, VB, VC, vi, vs, vo, vbe, gm, rp, b, Av, AvT, RC, RE, R1, R2, RL, Rs, Ci, Co,

Formule utili: (in zona attiva), ,

Equazioni predefinite:

,

, ,

, , , ,

, ,

,

Simboli circuitali utili:

b gm rp

B C E gmvgs rp Rs RE vgs vo +VCC +VBB E vi RC RL RBB
Prova n. 3 (max 8 punti):	VOTO:

La ridondanza in elettronica consiste nella duplicazione dei componenti di un sistema con l'intenzione di migliorare l'affidabilità del sistema stesso, in particolare per le funzioni di vitale importanza o per garantire la sicurezza delle persone e degli impianti o la continuità della produzione. Ad esempio, le uscite di sicurezza di un aeroporto sono indicate da un pannello a LED intermittente che deve essere sempre funzionante anche nel caso in cui il circuito astabile che genera l’intermittenza si guasti. In caso di guasto, deve immediatamente attivarsi un secondo astabile che continui a fare lampeggiare la lampada LED.

Uno schema a blocchi di massima del sistema ridondante è riportato sotto in figura. Gli astabili sono identici e hanno frequenza pari a 2 Hz. Il blocco “RICONOSCITORE DI GUASTO” può essere ad esempio realizzato tramite un generatore di una finestra temporale di durata prefissata ed un sistema di conteggio che verifichi se, all’interno della finestra temporale, il numero degli impulsi contati del primo astabile sia pari a quello atteso. In caso contrario viene attivato il secondo astabile “ridondante”.

Una nota sul driver LED: questi deve essere progettato in modo da fare scorrere sulla lampada una corrente pari a 100 mA. Il transistor del driver sia ovviamente un BJT adatto a sopportare una tale corrente. Il valore di b sia compreso tra 100 e 300. Il LED abbia una tensione di soglia di 3,5 V. La tensione di alimentazione del driver sia compresa tra 12 e 36 V.

Lo studente può liberamente progettare i circuiti dei singoli blocchi, oppure fornire uno schema a blocchi (e circuitale) alternativo. In ogni caso è sempre richiesta la relazione tecnica.

Per il progetto dei circuiti si considerino i datasheet riportati di seguito. Come porte logiche e flip-flop si utilizzino dei dispositivi generici (senza indicarne, cioè, la sigla corrispondente). Nel caso in cui fosse necessario utilizzare un circuito integrato non riportato nei datasheet, si utilizzi un dispositivo generico, specificandone la funzione, nonché le linee d’ingresso, d’uscita e – se necessario – di controllo.

Simboli circuitali utili:

Datasheet utili:

Prova n. 4 (max 6 punti):	VOTO:

Si illustri il funzionamento del contatore sincrono modulo 8 riportato sotto in figura.

Si indichi inoltre la differenza con i contatori asincroni e si specifichino le differenze dei diversi tipi di propagazione del comando.

Variabili utili: Q1, Q2, Q3, Qi-1, Qi-2, T1, T2, T3, Ti, tp1, tp2, TCK, fmax,

Equazioni predefinite: T1 = , Q1 = , , , ,

, , ,

, ,

Figure utili:

Schemi circuitali utili:

Prova n. 5 (max 2 punti):	VOTO:

Si indichino con una “x” nel quadratino corrispondente, tutti quei circuiti nei quali la tensione d’uscita sia uguale a quella d’ingresso (né maggiore, né minore).

☐

☐

☐

☐

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A.A. 2019/20

Prof. M. Mosca

ESAME DI FONDAMENTI DI ELETTRONICA

(29/01/2020)

Durata massima della prova: 4h00min

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Prova n. 1 (max 6 punti):	VOTO:

A cosa serve il circuito riprodotto sotto in figura? Se ne descriva in dettaglio il funzionamento (N.B.: SAR: Registro ad Approssimazioni Successive, DAC: Digital-Analog Converter).

Variabili utili: SOC, EOC, Va,

Prova n. 2 (max 8 punti)	VOTO:

Il circuito riportato in figura funziona con un’alimentazione pari a VDD = +9 V; la corrente di drain a riposo è ID = 9 mA, la tensione drain-source vale VDS = 3,5 V, mentre la tensione sul gate è VG = 4,5 V. La sua resistenza d’ingresso è pari a Ri = 500 kW. Sapendo che l’NMOS ha un parametro di conducibilità K = 1 mA/V2 e una tensione di soglia Vt = +0,5 V:

si dimensionino le resistenze del circuito RD RS, R1 e R2, imponendo per la resistenza di carico il valore RL = 1 M;

si calcoli l’amplificazione Av = vo/vs, dopo avere disegnato lo schema equivalente;

si disegni la forma d’onda ai due nodi O1 e O2, così come verrebbe visualizzata su un oscilloscopio, sapendo che la tensione d’ingresso è una sinusoide di ampiezza 100 mV e valor medio nullo.

Si trascurino le reattanze dei condensatori alla frequenza del segnale d’ingresso.

VDD = +9 V RL = 1 M ID = 9 mA VDS = 3,5 V VG = 4,5 V Ri = 500 k K = 1 mA/V2 Vt = +0,5 V O2 O1

Variabili utili: ID, VDS, VGS, Vt, VGG, VDD, VD, VS, VG, vs, vo, vgs, gm, K, Av, RD, RS, R1, R2, RL, RGG, Ri, Ci, Co, CS,

Formule utili: (in zona di pinch-off), ,

(in zona di pinch-off)

Equazioni predefinite:

,

, ,

, ,

, ,

.

, ,

.

Simboli circuitali utili:

gm vgs

??? V ??? V ??? V ??? V gmvgs D S G Ri RS vo +VDD +VGG S vi RD RL RGG

Prova n. 3 (max 8 punti)	VOTO:

L’antifurto di un piccolo centro commerciale è costituito da un sistema connesso ad un elaboratore che controlla lo stato delle porte a saracinesche degli otto negozi ivi presenti. Normalmente, quando la saracinesca è chiusa, un interruttore connesso ad un alimentatore da 5 V genera un livello alto su una linea; in caso di effrazione e di apertura della saracinesca, l’interruttore si apre e la tensione sulla linea si porta a livello basso (0 V).

Ogni secondo, ciclicamente, l’elaboratore riceve lo stato degli ingressi degli otto negozi su un’UNICA linea, (che pertanto, in condizioni normali – ossia con le saracinesche tutte chiuse – deve essere sempre a livello alto). In altre parole, per 0 ≤ t ≤ 1 s sulla linea viene inviato lo stato del primo negozio; per 1 ≤ t ≤ 2 s sulla medesima linea viene inviato lo stato del secondo negozio e così via. Non appena viene inviato lo stato dell’ottavo negozio, il sistema riprende ad interrogare nuovamente il primo negozio e il processo si ripete ciclicamente.

Si richiede di progettare il sistema che interroga ciclicamente, ogni secondo, lo stato dei negozi (cioè delle otto linee corrispondenti) e che li invia su un’unica linea all’elaboratore.

Uno schema a blocchi del sistema è riportato di seguito in figura. Il blocco temporizzatore deve permette al blocco di smistamento di inviare lo stato di ogni linea all’elaboratore con cadenza temporale di 1 secondo, in modo che l’elaboratore, sincronizzato con il temporizzatore, sia sempre in grado di stabilire quale negozio venga interrogato. Si noti che i blocchi del sistema possono essere costituiti da più circuiti integrati connessi opportunamente.

Lo studente può liberamente progettare i circuiti dei singoli blocchi, oppure fornire uno schema a blocchi (e circuitale) alternativo. In ogni caso è sempre richiesta la relazione tecnica (o una relazione dettagliata del funzionamento dei singoli blocchi e delle loro connessioni).

Per il progetto dei circuiti si considerino i datasheet riportati di seguito. Come porte logiche e flip-flop si utilizzino dei dispositivi generici (senza indicarne, cioè, la sigla corrispondente). Nel caso in cui fosse necessario utilizzare un circuito integrato non riportato nei datasheet, si utilizzi un dispositivo generico, specificandone la funzione, nonché le linee d’ingresso, d’uscita e – se necessario – di controllo.

Simboli circuitali utili:

Datasheet utili:

Prova n. 4 (max 6 punti):	VOTO:

Si descriva il principio di funzionamento fisico di un fotodiodo al silicio, descrivendo il processo di generazione e separazione delle coppie elettrone-lacuna in seguito all’irradiazione luminosa di lunghezza d’onda opportuna.

Si risponda inoltre in maniera esaustiva alle seguenti domande:

- A cosa è dovuto il fenomeno della dark current?

- Cosa è la responsivity di un fotodiodo?

- Quali sono le principali differenze tra un fotodiodo ed una fotoresistenza?

Figure utili:

Prova n. 5 (max 2 punti):	VOTO:

a) Quale funzione svolge il circuito indicato in figura? (una sola risposta possibile)

b) Il circuito in figura è progettato in modo da fornire in uscita una tensione continua VO non nulla e minore della tensione di alimentazione. Ad un certo istante, a causa di un guasto, la tensione d’uscita si riduce a zero (VO = 0).

Si individui la possibile causa di guasto tra le seguenti sotto elencate (una sola possibile).

R1 R2 RD + VDD RS VO

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A.A. 2019/20

Prof. M. Mosca

ESAME DI FONDAMENTI DI ELETTRONICA

(18/02/2020)

Durata massima della prova: 4h00min

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Mail

Prova n. 1 (max 6 punti):	VOTO:

Il circuito riprodotto in figura è un amplificatore a BJT in configurazione doppio carico. Si dimostri che la resistenza d’ingresso vale: Ri = RBB // [r + (1 + )RE], dove RBB = R1 // R2, r è la resistenza d’ingresso dinamica del BJT e  è il guadagno del transistor.

Ri

Variabili utili: iB, vCE, VCC, vi, Ri, vx, ix, vbe, gm, rp, b, RC, RE, R1, R2, RBB

Circuiti utili:

vx RB r RE RL  iB B E vbe iB (1 + ) iB ix

Svolgimento prova n. 1

Prova n. 2 (max 8 punti)	VOTO:

Per il circuito riportato in figura si ha VCC = +24 VRC = 730  RE1 = RE2 = 365 ,
R1 = 2 k R2 = 1 k; la resistenza di carico sia RL = 1 M, mentre la resistenza interna del generatore di piccoli segnali vs sia Rs = 667  Per il BJT si assuma un guadagno b = 200.

Determinare:

il punto di riposo del transistor;

lo schema equivalente dinamico;

l’amplificazione di tensione totale (ossia riferita alla sorgente) AvT = vo/vs.

Si trascurino le reattanze dei condensatori alla frequenza del segnale d’ingresso.

VCC = +24 V RL = 1 M Rs = 667  RC = 730  RE1 = RE2 = 365  R1 = 2 k R2 = 1 k b = 200

Variabili utili: IC, IE, IB, VCE, VBE, VT, VBB, VCC, VB, VC, vi, vs, vo, vbe, gm, rp, b, Av, AvT, RC, RE1, RE2, R1, R2, RL, Rs, Ci, Co, C2

Formule utili: (in zona attiva), ,

Equazioni predefinite:

,

, ,

, ,

, ,

, ,

,

Simboli circuitali utili:

b gm rp

RE2 B C E gmvgs rp Rs RE1 vgs vo +VCC +VBB E vi RC RL RBB

Svolgimento prova n. 2

Prova n. 3 (max 8 punti)	VOTO:

Il megadirettore generale di un’importante azienda (la STNZ-Microelectronics) ha il suo ufficio all’ultimo piano del grattacielo aziendale. Sulla sua scrivania ha una pulsantiera con 9 tasti tramite i quali può chiamare uno dei suoi nove responsabili vendite, i quali uffici si trovano in un open space posto al semi-interrato del grattacielo. Se uno di essi viene chiamato dal megadirettore, un display si accende all’interno dell’open space; il numero visualizzato corrisponde al responsabile chiamato ed egli deve immediatamente recarsi dal megadirettore, pena il licenziamento per scarso rendimento! Data la notevole distanza che intercorre tra la stanza del megadirettore e quelle dei suoi sottoposti, la trasmissione del segnale dal tastierino verso il display avviene per via seriale.

Si richiede di progettare il sistema che permette l’accensione del display, in modo che il segnale proveniente dall’ufficio del megadirettore si propaghi per via seriale verso l’ufficio dei dipendenti.

Uno schema a blocchi del sistema è riportato di seguito in figura. Il blocco di serializzazione deve trasformare il segnale codificato in una sequenza di dati inviati su un’unica linea seriale. Il sincronismo – sia in trasmissione, che in ricezione – è fornito dal blocco “generatore 4 impulsi di clock”: quest’ultimo, quando attivato dal blocco di codifica, deve generare solo quattro impulsi ad una frequenza che può essere ragionevolmente scelta dallo studente. Il ricevitore deve trasformare i dati ricevuti serialmente, in modo tale da potere essere decodificati e visualizzati su un display a sette segmenti. Il canale di comunicazione è, di fatto, costituito da tre linee: la linea dei dati, quella del clock e la massa comune. Si noti che i blocchi del sistema possono essere costituiti da più circuiti integrati connessi opportunamente.

Lo studente può liberamente progettare i circuiti dei singoli blocchi, oppure fornire uno schema a blocchi (e circuitale) alternativo. In ogni caso è sempre richiesta la relazione tecnica (o una relazione dettagliata del funzionamento dei singoli blocchi e delle loro connessioni).

Per il progetto dei circuiti si considerino i datasheet riportati di seguito. Come porte logiche e flip-flop si utilizzino dei dispositivi generici (senza indicarne, cioè, la sigla corrispondente). Nel caso in cui fosse necessario utilizzare un circuito integrato non riportato nei datasheet, si utilizzi un dispositivo generico, specificandone la funzione, nonché le linee d’ingresso, d’uscita e – se necessario – di controllo.

Simboli circuitali utili:

Datasheet utili:

Svolgimento prova n. 3

Prova n. 4 (max 6 punti):	VOTO:

Il circuito riportato in figura è di fondamentale importanza nei sistemi di acquisizione ed elaborazione dati. Come si chiama? Se ne descriva in dettaglio il suo funzionamento.

o

Variabili utili: va, vo, v’ Vc, Req, C, t

Figure utili:

Svolgimento prova n. 4

Prova n. 5 (max 2 punti):	VOTO:

Lo studente serio, diligente e preparato si accorgerà subito che nel circuito seguente l’amplificazione totale del circuito non può essere pari ad A a causa del disadattamento delle resistenze d’ingresso e di uscita.

Un modo per ovviare al problema potrebbe essere quello di inserire due ulteriori circuiti – uno in ingresso e uno in uscita – come quelli rappresentati dai due blocchi indicati con “?”, riportati sotto in figura.

Tra i circuiti riportati di seguito, si individui quali tra questi, inseriti correttamente al posto dei blocchi indicati con “?”, permetterebbero di ottenere un’amplificazione totale del circuito pari ad A. Si individui un solo circuito per l’ingresso (mettendo un segno di spunta sul quadratino “I”) e un altro per l’uscita (segno di spunta su “O”). Volendo indicare lo stesso circuito sia per il blocco d’ingresso, che per quello d’uscita, si spuntino in tal caso entrambe le caselle “I” e “O” in corrispondenza dello stesso circuito.