Corso di laurea: Ingegneria elettronica Programmazione per l'A.A. 2015/2016

Circuiti a parametri concentratiIl modello circuitale. Leggi di Kirchhoff. Limiti di validità del modello circuitale a parametri concentrati.Elementi circuitali ideali ad una e due porteResistori. Generatori indipendenti. Capacitori. Induttori. Circuiti semplici: collegamenti serie e parallelo, partitori di tensione e di corrente. Concetto di equivalenza: trasformazione stella-triangolo e viceversa. Resistori non lineari. Metodo grafico per la determinazione della caratteristica equivalente. Punto di lavoro. Diodo ideale. Induttori accoppiati. Trasformatore ideale. Generatori pilotati. Potenza ed energia. Teorema di Tellegen.Circuiti del primo e del secondo ordine. Circuiti RC ed RL serie e parallelo. Circuito RLC serie e parallelo Concetto di stato. Frequenze naturali. Equazione differenziale e condizione iniziale. Risposta ingresso zero, stato zero e completa. Risposta al gradino. Risposta all'impulso. Cenni sui circuiti di ordine qualsiasi Equazione differenziale di ordine minimo. Risposta ingresso zero, stato zero e completa. Risposta all'impulso. Integrale di convoluzione. Risposta completa ad ingresso arbitrario.Metodi sistematici per la soluzione delle reti e teoremi delle reti Grafo di una rete elettrica. Insiemi di taglio e maglie. Analisi dei nodi, dei tagli, delle maglie e degli anelli. Teorema di sostituzione. Teorema di sovrapposizione. Teorema di Thevenin e Norton. Teorema di MillmanAnalisi in regime sinusoidaleTeorema fondamentale del regime sinusoidale. Valore efficace. Fasori. Espressione fasoriale delle leggi di Kirchhoff e delle equazioni di lato. Impedenza ed ammettenza. Soluzione delle reti in regime sinusoidale. Potenze in regime sinusoidale. Teorema di Boucherot. Applicazioni: rifasamento, teorema del massimo trasferimento di potenza, circuiti risonanti RLC. Regime periodico non sinusoidale. Sistemi trifase.Doppi bipoli. Rappresentazioni dei doppi bipoli. Reciprocità nei doppi bipoli. Interconnessione di doppi bipoli.Campi elettromagnetici stazionari quasi stazionari e comunque variabili nel tempoCampo elettrostatico e applicazioni. Campo magnetostatico e applicazioni. Equazioni di Laplace e Poisson, Circuiti magnetici. Campi rapidamente variabili, potenziali elettromagnetici, teorema di Poynting, equazioni d’onda omogenee e non omogenee, potenziali ritardati, radiazione, dipolo hertziano cenni sulle linee di trasmissione.

1. C.A. Desoer, E.S. Kuh , Fondamenti di Teoria dei Circuiti, Franco Angeli Editore,
2. A. Laurentini, A.R. Meo, R. Pomè, Esercizi di elettrotecnica, Levrotto&Bella
3. R.Perfetti, Circuiti Elettrici, Zanichelli.
4. J.A. Edminister, Circuiti Elettrici, coll. Schaum's, McGraw-Hill.
5. Ramo, Whinnery, Van Duser, Campi e onde nell’elettronica per le comunicazioni Franco Angeli Editore

Premessa: Richiami di notazione vettoriale e definizione di gradiente, divergenza, rotore. Teorema della divergenza e teorema di Stokes.
Campo elettrostatico: Cariche elettriche: fenomenologia e legge di Coulomb. Principio di sovrapposizione. Campo elettrostatico generato da un insieme discreto di cariche. Linee di forza. Legge di Gauss. Campo elettrostatico prodotto da distribuzioni continue di cariche. Moto di cariche in un campo elettrostatico.
Potenziale elettrostatico: Lavoro della forza elettrica e potenziale elettrostatico. Energia potenziale elettrostatica, superfici equipotenziali. Tensione. Dipolo elettrico. Equazioni di Maxwell per il campo elettrostatico.
Conduttori e capacità elettrica: Conduttori in equilibrio. Capacità di un conduttore isolato. Schermo elettrostatico. Condensatori, collegamenti in serie e parallelo. Energia immagazzinata in un condensatore.
Dielettrici : Fenomenologia dei dielettrici e vettore polarizzazione. Descrizione qualitativa della polarizzazione elettronica e per orientamento. Equazioni di Maxwell nei dielettrici. Condizioni di raccordo dei campi. Energia del campo elettrico in presenza di dielettrici. Trattazione microscopica della polarizzabilità elettronica.
Corrente elettrica continua: Conduzione elettrica. Corrente elettrica. Principio di conservazione della carica ed equazione di continuità. Modello di Drude per la conduzione e legge di Ohm (effetto Joule). Resistori in serie e in parallelo. Circuiti RC.
Campo magnetico: Forza magnetica: fenomenologia. Linee di forza e legge di Gauss per il campo magnetico. Legge di Lorentz. Forza su conduttori percorsi da corrente: leggi elementari di Laplace. Principio di equivalenza di Ampere. Campo magnetico prodotto da correnti. Legge di Ampere. Azioni elettrodinamiche fra circuiti. Equazioni di Maxwell campo magnetostatico.
Mezzi magnetici: Fenomenologia delle sostanze magnetiche e vettore magnetizzazione. Equazioni di Maxwell nei mezzi magnetici. Condizioni di raccordo dei campi. Energia del campo magnetico nei mezzi materiali. Trattazione microscopica di Larmor del diamagnetismo. Paramagnetismo di Langevin. Discussione qualitativa del ferromagnetismo: isteresi e schermi magnetici.
Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo: Induzione elettromagnetica, legge di Faraday Lenz. Forza elettromotrice indotta. Fenomeni di induzione. Corrente di spostamento e legge di Ampere Maxwell. Energia magnetica.
Equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche nel vuoto: Equazioni di Maxwell nel vuoto in forma integrale e differenziale. Introduzione alle onde elettromagnetiche. Equazione di d'Alambert. Notazione simbolica. Onde piane. Onde armoniche. Polarizzazione di onde elettromagnetiche. Densità di energia di onde elettromagnetiche, intensità e vettore di Poynting.
Equazioni di Maxwell nella materia e onde elettromagnetiche nei mezzi: Onde elettromagnetiche nei mezzi materiali lineari. Indice di rifrazione e velocità di propagazione. Relazione tra indice di rifrazione, funzione dielettrica e coefficiente di assorbimento. Dispersione nei dielettrici. Propagazione e assorbimento di onde elettormagnetiche nei metalli.

P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, Fisica volume II Seconda edizione, EdiSES 2000.
Edward M. Purcell, La Fisica di Berkley 2, Elettricità e Magnetismo, Zanichelli.

ITALIANO1. Elementi di fisica dei semiconduttori. Metalli, isolanti e semiconduttori. Semiconduttori estrinseci. Corrente elettrica di deriva e di diffusione. Equazione di Boltzman. Cenni sulla giunzione pn lineare: elettrostatica ed equazione della corrente.2. Diodi. Diodo ideale. Modelli statici. Retta di carico. Modello per piccolo segnale a bassa frequenza. Modello per piccolo segnale ad alta frequenza. Diodi speciali e loro applicazioni. Conversione AC/DC. Raddrizzatori. Filtro capacitivo. Regolatori di tensione lineari.3. Transistori Bipolari e MOS. Equazioni e Modelli statici. Modelli per piccolo segnale a bassa e alta frequenza. Il transistore come interruttore. Il transistore come amplificatore.4. Circuiti amplificatori. Polarizzazione di un BJT e di un MOSFET. Stabilizzazione del punto di lavoro. Specchi di corrente. Amplificatori a BJT e a MOSFET: le configurazioni. Comportamento per piccolo segnale a centro banda. Amplificatore differenziale: caratteristiche per ampio segnale, il modo differenziale e il modo comune. CMRR. Amplificatori polistadio. Configurazioni Darlington e Cascode.5. Amplificatori Operazionali. Modello dell’amplificatore operazionale. Caratteristiche dell’AO ideale. Cortocircuito virtuale. Configurazione invertente e non-invertente. Applicazioni dell’AO: sommatore, buffer di tensione, integratore, derivatore. Caratteristiche dell’AO reale.6. Risposta in frequenza degli amplificatori. Comportamento a bassa ed alta frequenza. Metodo delle costanti di tempo. Teorema di Miller. Risposta in frequenza di un amplificatore. Frequenza di transizione (ft) di un transistore bipolare e MOS.7. I circuiti digitali. Introduzione ai circuiti logici. Algebra di Boole. Somma logica, prodotto logico. Teoremi di De-Morgan. Porte logiche OR-AND-NOT-NAND-NOR-XOR. Universalità della NAND e della NOR. Il problema della minimizzazione di una funzione logica. Forme canoniche. Mappe di Karnaugh. Caratteristiche statiche dell’inverter: tensione di soglia logica, margine di immunità al rumore, swing logico, fan-in, fan-out. Caratteristiche dinamiche dell’inverter: tempo di salita, tempo di discesa, ritardo di salita, ritardo di discesa, ritardo di propagazione. Dissipazione di potenza nei circuiti digitali: dissipazione statica e dinamica. Prodotto ritardo-consumo. Panoramica sulle famiglie logiche. Cenni sulla famiglia logica CMOS statica e porte NOT, NAND e NOR.8. Circuiti digitali sequenziali. Circuiti sequenziali statici bistabili: latch SR, JK, Flip-Flop Master-Slave, Edge-Triggered, Delay e Toggle. Applicazione dei Flip-Flop. Registri PIPO, SISO, PISO e SIPO.9. Memorie. Memorie a semiconduttore: classificazione ed architetture, memorie non-volatili: ROM, EPROM, E2PROM, FLASH. Cenni sulle memorie volatili SRAM (cella 6T) e DRAM (cella 1T).

Sedra - Smith, Circuiti per la Microelettronica, Ed. Ingegneria 2000.
Millman-Grabel, Microelettronica, Ed. Mc-Graw-Hill.

Segnali determinati: concetti di base, proprietà, rappresentazione nel dominio della frequenza, trasformate di Fourier (continue e discrete), sistemi, sistemi lineari tempo invarianti, filtraggio di segnali.Teoria della probabilità: concetti di base su esperimenti aleatori e leggi di probabilità, variabili aleatorie, variabili aleatorie notevoli, trasformazione di variabili aleatorie, sistemi di variabili aleatorie.Segnali aleatori: concetti di base, proprietà, caratterizzazione nel dominio del tempo e della frequenza, filtraggio di segnali aleatori, rumore, processi di Markov

M. Luise, G. Vitetta. Teoria dei segnali. McGraw Hill.

1. Rappresentazione Interna dei Sistemi LTI - Definizione assiomatica di sistema dinamico - Classificazione dei sistemi – Sistemi lineari tempo invariati (LTI) continui e discreti – Rappresentazione in forma di stato – Movimento, traiettoria ed equilibrio - Formula di Lagrange - Matrice di transizione – Reversibilità - Cambiamento di coordinate e sistemi equivalenti. Modi del sistema nel continuo e nel discreto.

2. Rappresentazione Esterna dei Sistemi LTI – Note sulla trasformata di Laplace e trasformata Z – Relazioni tra il piano Z ed il piano S (Trasformazione bilineare) - Funzione di trasferimento - Sistemi aggregati – Realizzazione di un sistema – Forma canonica di Jordan.

3. Stabilità nei Sistemi LTI– Definizione di stabilita’, Stabilità interna ed autovalori nel continuo e nel discreto – Stabilita esterna e poli - Test per l’asintotica stabilità ( Routh e Hurwitz) – Stabilità nei sistemi aggregati – Stabilità e relazione tra piano S e piano Z.

4. Proprietà Ingresso-Uscita nel Dominio del Tempo - Caratteristiche della risposta all’impulso ed al gradino di sistemi LTI del primo e secondo ordine nel dominio del tempo - La caratterizzazione dinamica della risposta ed i poli - La caratterizzazione dinamica della risposta e gli zeri.

5. Proprietà Ingresso-Uscita nel Dominio della Frequenza – Funzione di risposta armonica e risposta in frequenza – Diagrammi di Bode - Caratteristiche della risposta in frequenza di sistemi LTI del primo e del secondo ordine - Sistemi a fase minima.

6. Proprietà Strutturali nei Sistemi LTI - Controllabilità e raggiungibilità – Progetto del controllore ed allocazione degli autovalori – Forma canonica di controllo – Scomposizione in parti per la raggiungibilità – Osservabilità e rilevabilità – Forma canonica di osservabilità –– Progetto dell’osservatore asintotico – Scomposizione in parti per l’osservabilità – Scomposizione di Kalman e forma minima – Sintesi del regolatore.

(INGLESE) COURSE PROGRAM “LINEAR SYSTEM THEORY”
1. LTI System Internal Representation: Definition of a Dynamical System - Systems Classification - Linear Time Invariant (LTI) Systems in continuous and discrete time – State space representation - State equation solution by Lagrange - State transition matrix - Equivalent systems and similarity transformations – System modes in continuous and discrete time. Multi-input/Multi-output systems.

2. LTI Input/Output System Representation: Mathematical note on the Laplace and Zeta operator – Relations between the S plane and Z plane (Tustin transformation) - Transfer function - Systems connection and block diagrams – System realizations and minimality - Jordan canonical form.

3. Stability for LTI Systems: Definition of Stability - Internal stability and eigenvalues - Input/output stability and poles (BIBO stability) – Asymptotic stability criteria (Routh and Hurwitz) – Stability in connected systems – Stability and relation between the S plane and Z plane.

4. Input/Output Response in Time Domain : Pulse and step response for first order and second order systems – Step response and pole placement - Step response and zero.

5. Input/Output Response in Frequency Domain: Harmonic function - Frequency response for LTI System - Bode diagrams – Characteristics of the frequency response for first and second order systems – Minimum phase systems.

6. Structural Properties for LTI Systems: Controllability - State feedback controller design for eigenvalues placement - Control canonical form - System decomposition based on the controllability – Observability - Asymptotic observer design (the state estimator) - Control canonical form - System decomposition based on the observability - Principle of separation of estimation and control - Kalman decomposition and transfer function.

SUGGESTED READING
T1) G. F. Franklin et al, Feedback control of dynamic systems, Addison Wesley
T2) R.C.Dorf and R.H. Bishop, Modern Control Systems,Addison Wesley

T1) S. Rinaldi e C. Piccardi, “I sistemi lineari – teoria, modelli, applicazioni”, Edizioni Città Studi
T2) S. Rinaldi, “Teoria dei Sistemi”, Edizioni CLUP
T3) Bolzern et al., Fondamenti di controlli automatici, McGraw-Hill


SUGGESTED READING
T1) G. F. Franklin et al, Feedback control of dynamic systems, Addison Wesley
T2) R.C.Dorf and R.H. Bishop, Modern Control Systems,Addison Wesley

Modelli per transistori bipolari e MOS. Circuiti base a transistore bipolare e a transistore MOS (Circuiti a singolo transistore, Specchi di corrente, Amplificatori differenziali, Circuiti ad alto guadagno). Stadi di uscita. Risposta in frequenza. Amplificatori retroazionati in condizioni statiche. Amplificatori retroazionati in condizioni dinamiche. Riferimenti di corrente e tensione. Amplificatori operazionali. Il simulatore SPICE.

Gray, Hurst, Lewis, Meyer, Analysis and design of Analog Integrated Circuits, 5th Ed., John Wiley & Sons, Inc.
P. R. Gray, R. G. Meyer, Circuiti Integrati Analogici, II Edizione, McGraw-Hill
J. Millman & A. Grabel, Microelectronics, McGraw-Hill.
Alan B. Grebene, Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc.
A. Vladimirescu, Guida a SPICE, McGraw-Hill Libri Italia.

Introduzione ai
sistemi di controllo; Modelli matematici dei sistemi; Modelli alle
variabili di stato; Caratteristiche dei sistemi di controllo a
retroazione; Prestazioni dei sistemi di controllo a retroazione;
Stabilità dei sistemi a retroazione lineari; Metodo del luogo delle
radici; Metodi della risposta frequenziale; Stabilità nel dominio
della frequenza; Progettazione dei sistemi di controllo a
retroazione; Sistemi di controllo digitali; Analisi, progettazione e
simulazione di sistemi di controllo al calcolatore;

R. C. Dorf, R.H. Bishop, “CONTROLLI AUTOMATICI”, Pearson Italia, Prentice Hall
Franklin, Powell, Emami, Feedback control of dynamic systems, Addison-Wesley.

Misure e misurazioni. concetti fondamentali di metrologia.
L'espressione dell'incertezza, Guida all'espressione dell'incertezza di misura
Campioni e generatori
Strumenti di misura elettromeccanici e elettronici
L'oscilloscopio analogico
Analizzatore di spettro analogico
Metodi di misura diretti e indiretti
I metodi di confronto in c.c. e c.a.
La conversione A/D, campionamento e
Quantizzazione (cenni sui convertitori A/D,D/A)

J. Carr, "Elements of electronic instrumentation and measurements" 3 Ed, Prentice Hall
E. Doebelin, "Strumenti e metodi di misura", Mc Graw Hill

Parte 1 - Progettazione di sistemi digitali

1.1. Progetto di reti combinatorie:
Algebra di commutazione. Espressioni booleane minime. Minimizzazione mediante il metodo delle mappe di Karnaugh

1.2. Progetto di reti sequenziali sincrone:
Introduzione alle macchine sequenziali. Gli elementi di memoria: i bistabili. Sintesi di reti sequenziali sincrone. Minimizzazione delle macchine a stati finiti.

1.3. Progettazione di un sistema digitale:
Flusso di progettazione di un sistema digitale. Datapath e unità di controllo.

Parte 2 - Il calcolatore

2.1. Organizzazione del calcolatore:
Organizzazione dei calcolatori elettronici. Valutazione delle prestazioni di un calcolatore. Architettura del Set di Istruzione dei processori. Organizzazione sequenziale di un processore. Datapath di un processore sequenziale. Unità di Controllo di un processore sequenziale: realizzazione cablata e microprogrammata.

2.2. Control Process Unit:
Esecuzione e sequenzializzazione delle istruzioni. CPU monociclo. CPU multiciclo. Sviluppo della logica di controllo. Considerazioni sulla realizzazione multiciclo.

2.3. La pipeline
Proprietà della pipeline. Esecuzione in pipeline. Le fasi di esecuzione. Conflitti: conflitti sui dati, conflitti di controllo e conflitti strutturali.

2.4. Il sottosistema di memoria:
Memorie RAM statiche e dinamiche. Memorie asincrone e sincrone. Organizzazione della memoria. Memorie cache. Valutazione delle prestazioni della memoria.

2.5. Il sottosistema di Input/Output:
Polling. Interruzioni. Interruzioni vettorizzate. Gestione delle priorità. Accesso diretto alla memoria.

2.6. Il linguaggio Assembly:
Assembler, linker e loader. Instruction Set Architecture MIPS64. Instruction Set Simulator per il processore EduMIPS. Assembly del processore EduMIPS64.
Gestione degli array. Chiamata a procedura.

Parte 3 - Sviluppo su microcontrollori

3.1. Piattaforme di Prototipazione.

3.2. Struttura di un microcontrollore

3.3. Sviluppo di software in C/C++ per microcontrollori a 8 e 32-bit.

[T1] Fummi, Sami, Silvano, "Progettazione digitale", 2a edizione, McGraw-Hill;

[T2] Bucci, "Calcolatori elettronici. Architettura e organizzazione", McGraw-Hill;

[T3] Materiale fornito dal docente.

L’oscilloscopio numerico
L’Analizzatore di spettro numerico
La strumentazione numerica (tempo, frequenza, tensione)
Misura di tempo, frequenza e fase
Misure sui sistemi del primo e del secondo ordine
Misure con l’oscilloscopio e l’analizzatore di spettro
Cenni sui Sistemi Automatici di Misura (SAM)
LabVIEW

G. Zingales, “Misure elettriche: metodi e strumenti”, UTET, Torino, 1993
E. Doebelin: Mesurement systems, Mc Graw Hill;

1. Introduzione: introduzione al corso, la storia delle TLC, descrizione generale di un sistema di comunicazione, sorgenti analogiche e digitali, trasduttori. Caratteristiche del segnale telefonico. Definizioni di bit-rate, SNR, BER, SER. Parametri prestazionali di un sistema di comunicazione. Frequenze audio, pressione sonora, distribuzione delle ampiezze del segnale vocale, perdita di sensibilità dell’udito.2. Canali di comunicazione: ideale, perfetto, lineare e permanente, lineare e non permanente, non lineare. Coefficiente di distorsione di armonica. Equalizzazione. Canali rumorosi. Multiplazione a divisione di frequenza (FDM). Banda di guardia. Filtri di enfasi e di deenfasi. Esercitazioni.3. Teoria dell’informazione: Misura dell’informazione ed entropia. Sorgenti discrete ed esempi. Codifica di sorgente: proprietà dei codici, lunghezza di un codice, codifica a blocchi, codici di Gray, Shannon-Fano, Huffman. Esercitazioni.4. PCM e codifica di linea: Conversione A/D. Campionamento. Quantizzazione uniforme e non uniforme. Codifica PCM, legge A e μ. Vocoder. Trasmissione e rigenerazione di segnali PCM su canali rumorosi. Principali codici di linea binari. Codifica multilivello. Esercitazioni.5. Codifica di canale: Codici a blocco. Rate del codice. Ritardo di codifica. Codice lineare e sistematico. Matrice generatrice. Codice a ripetizione e di parità. Distanza di Hamming. Ritardo di decodifica. Interleaver. Codici convoluzionali.6. Quadripoli rumorosi: Banda equivalente di rumore, temperatura equivalente di rumore, figura di rumore. Esercitazioni.7. Modulazione e trasmissione di segnali analogici: modulazione e demodulazione d’ampiezza DSB, SSB, AM e VSB; modulazione angolare FM e PM; effetto del rumore; modulatori e demodulatori; confronto delle tecniche di modulazione. Esercitazioni8. Trasmissione numerica in banda base e traslata: Sistemi PAM binari ed M-ari in banda base. Modulazione numerica ASK, FSK, PSK, QAM, OFDM. Esercitazioni9. Reti e sistemi di telecomunicazione: rete telefonica fissa e mobile, centrali telefoniche, trasmissione dati su rete telefonica, modem, ADSL, topologia delle reti dati, tecniche di commutazione, protocolli IP, telefonia su IP.

[1] K. Sam, Shanmugam “Digital and Analog Communication Systems”, John Wiley & Sons.
[2] Couch Leon, “Fondamenti di Telecomunicazioni”, Apogeo Education, 2002.
[3] S. Haykin, M. Moher “Introduzione alle telecomunicazioni analogiche e digitali”, Casa Editrice Ambrosiana, 2007
[4] Appunti del docente.