Laboratorio di Tecnologie Elettroniche

Strumenti software per la modellazione e l’analisi
- Fondamenti della simulazione circuitale e introduzione a SPICE e LTspice.
- Creazione di schemi elettrici, netlist, modelli e sottocircuiti.
- Analisi del punto di lavoro, DC sweep, analisi parametrica, risposta in frequenza, rumore e risposta nel dominio del tempo.
- Valutazione delle prestazioni di circuiti e amplificatori: funzione di trasferimento, impedenze di ingresso e di uscita, banda, rumore e distorsione.
- Introduzione a MATLAB: ambiente di lavoro, variabili, vettori e matrici, script, funzioni, strutture di controllo e rappresentazioni grafiche 2D e 3D.
- Uso integrato di LTspice e MATLAB: esportazione e importazione dei dati, post-processing nel dominio del tempo e della frequenza, interpolazione, FFT, calcolo di parametri caratteristici e presentazione dei risultati.

Modellazione e progettazione di sistemi elettronici per sensori e attuatori
- Fasi del processo di progettazione: definizione delle specifiche, scomposizione del sistema in blocchi funzionali, scelta del livello di modellazione, dimensionamento dei circuiti, simulazione e verifica.
- Principi di funzionamento e principali caratteristiche di sensori, attuatori e trasduttori.
- Modellazione della trasduzione e, ove rilevante, della propagazione del segnale nel dominio fisico.
- Rappresentazione di sensori e attuatori mediante modelli circuitali equivalenti e loro integrazione nella simulazione del sistema elettronico.
- Analisi dell’interazione tra trasduttore e circuito di interfaccia, con particolare riferimento a impedenza, banda, sensibilità, dinamica e rumore.
- Circuiti per la generazione dei segnali e il pilotaggio degli attuatori.
- Circuiti di polarizzazione, adattamento, amplificazione e filtraggio per il condizionamento dei segnali prodotti dai sensori.
- Criteri per la gestione dell’alimentazione dei circuiti e per il disaccoppiamento delle linee di alimentazione.
- Verifica delle prestazioni rispetto alle specifiche e analisi dell’effetto dei parametri dei componenti.
- Sviluppo guidato di un caso di studio rappresentativo, dalla modellazione del trasduttore alla progettazione e verifica dei circuiti elettronici di interfaccia.

Prototipazione e verifica sperimentale
- Realizzazione di prototipi su breadboard e criteri di collegamento, alimentazione e interfacciamento.
- Uso degli alimentatori da laboratorio e misurazione di tensioni e correnti continue.
- Generazione e acquisizione dei segnali mediante strumentazione di laboratorio.
- Utilizzo dell’oscilloscopio per l’osservazione e la misura dei segnali nel dominio del tempo.
- Analisi dei segnali e confronto tra risultati teorici, simulati e sperimentali mediante MATLAB.
- Individuazione delle principali cause di scostamento tra il comportamento previsto e quello misurato.

Progettazione CAD di circuiti elettronici
- Tecnologia e fabbricazione dei circuiti stampati: materiali, struttura, finiture e principali parametri tecnologici.
- Tecnologie di packaging e assemblaggio dei componenti elettronici: THT, SMT e cenni al wire bonding.
- Flusso di progettazione di un PCB mediante Autodesk Fusion/Eagle: schema elettrico, librerie, simboli, footprint e modelli 3D.
- Definizione delle regole di progetto e dei vincoli meccanici.
- Criteri per il posizionamento dei componenti, la distribuzione delle alimentazioni, la realizzazione dei piani di massa e lo sbroglio delle piste.
- Verifiche ERC e DRC, ispezione del modello 3D ed esportazione dei file necessari alla fabbricazione.

Elementi di progettazione CAD meccanica
- Principi delle tecniche di prototipazione sottrattiva e additiva: lavorazioni CNC e stampa 3D.
- Principali lavorazioni meccaniche e relativi vincoli di progettazione.
- Introduzione ad Autodesk AutoCAD e ai principali strumenti per il disegno 2D e la modellazione 3D.
- Progettazione di semplici componenti meccanici destinati alla prototipazione e all’integrazione con circuiti e sistemi elettronici.

Sono richieste conoscenze di base di:
- matematica e fisica: algebra lineare, calcolo differenziale e integrale, trasformate, meccanica, elettromagnetismo e onde;
- elettronica analogica e digitale: componenti passivi e attivi, amplificatori operazionali e circuiti logici combinatori e sequenziali;
- teoria dei segnali e dei sistemi: segnali continui e discreti, sistemi lineari, risposta impulsiva e in frequenza e campionamento;
- misure elettriche ed elettroniche;
- programmazione.
Non è richiesta una conoscenza pregressa dei software LTspice, MATLAB, Autodesk Fusion o AutoCAD, il cui utilizzo viene introdotto durante il corso.

Il materiale didattico comprende le slide delle lezioni, le tracce delle esercitazioni e il materiale integrativo fornito dal docente e reso disponibile attraverso la piattaforma Moodle del corso. Costituiscono inoltre materiale di consultazione la documentazione ufficiale dei software utilizzati, i manuali della strumentazione e i datasheet dei componenti elettronici esaminati.
Non è previsto un unico testo di riferimento.

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Il corso è erogato in modalità interattiva e integra lezioni teoriche, dimostrazioni al calcolatore, esercitazioni guidate e attività sperimentali in laboratorio. I concetti vengono introdotti attraverso brevi richiami teorici e sono immediatamente applicati alla modellazione, alla simulazione e alla progettazione di circuiti e sistemi elettronici.
Le attività pratiche prevedono l’uso individuale del personal computer e dei software LTspice, MATLAB, Autodesk Fusion/Eagle e AutoCAD, nonché la realizzazione e la verifica di prototipi mediante componenti e strumentazione di laboratorio. Un caso di studio comune accompagna gli studenti attraverso le diverse fasi del flusso di sviluppo, dalla definizione delle specifiche alla verifica sperimentale.

Il corso prevede due lezioni o esercitazioni a settimana, ognuna della durata di due ore. La frequenza è fortemente consigliata in considerazione del carattere pratico e interattivo delle attività didattiche e di laboratorio.

L’esame comprende:
1. la valutazione delle esercitazioni svolte durante il corso, sulla base del materiale prodotto e consegnato secondo le modalità indicate dal docente;
2. una prova pratica individuale, assegnata nella fase finale del corso, riguardante la progettazione e l’analisi di un circuito o di un semplice sistema elettronico mediante gli strumenti software e le metodologie affrontati durante le lezioni. La consegna comprende i file di progetto, gli script di calcolo e una relazione tecnica contenente specifiche, metodologia, risultati e relativa discussione;
3. un colloquio orale conclusivo. Il colloquio verte sull’intero programma del corso e non soltanto sulla prova pratica; è volto a verificare la comprensione dei principi teorici, la padronanza delle metodologie di progettazione e verifica, la capacità di motivare le scelte effettuate e di interpretare criticamente risultati di simulazione e sperimentali.
La valutazione finale tiene conto congiuntamente della correttezza e completezza delle esercitazioni e della prova pratica, dell’autonomia dimostrata, della qualità della documentazione prodotta e dell’esito del colloquio orale.