ECTS - University of Pisa
Gli studenti che completeranno il corso apprenderanno: (i) la fisica dei dispositivi a semiconduttore; (ii) utilizzo di circuiti integrati di base quali amplificatori operazionali, porte logiche e registri; (iii) il funzionamento di microcontrollori e interfacce digitali di base; (iv) utiilizzo di software per la modellizzazione, l'acquisizione e analisi dei dati durante le sessioni sperimentali.
The students who complete the course will learn: (i) the physics of semiconductor devices; (ii) how to use integrated circuits such as operational amplifiers, logic gates, and registers; (iii) how to use a microcontroller and basic digital interfaces; (iv) how to use software for modeling, acquiring and analyzing the data during the experimental sessions.
La verifica si baserà su: (i) interazione con i docenti durante le sessioni sperimentali settimanali previste; (ii) presentazioni orali che verranno svolte durante il corso; (iii) i logbook e le relazioni degli esperimenti effettuati; (iv) verifica finale individuale.
The assessment will be based on: (i) interaction with the teachers during the weekly experimental sessions; (ii) oral presentations that will be given during the course; (iii) logbook and reports on the performed experiments; (iv) final individual test.
Lo studente svilupperà le seguenti capacità: (i) progettare, simulare (utilizzando programmi di simulazione SPICE-like), realizzare e controllare semplici circuiti elettronici, sia analogici che digitali; (ii) redigere un log-book di laboratorio; (iii) riferire il lavoro svolto sia in forma scritta che orale, con una presentazione pubblica con dicussione.
The student will develop the following skills: (i) how to design, simulate (using simulation tools such as SPICE), implement and control simple analog and digital electronic circuits; (ii) how to keep a laboratory log-book; (iii) how to report the work done, either in written or oral form, in a public presentation.
La verifica si baserà su: (i) interazione con i docenti durante le sessioni sperimentali settimanali previste; (ii) presentazioni orali che verranno svolte durante il corso; (iii) i logbook degli esperimenti effettuati; (iv) verifica finale.
The assessment will be based on: (i) interaction with the teachers during the weekly experimental sessions; (ii) oral presentations that will be given during the course; (iii) logbook of the performed experiments; (iv) final test.
Lo studente apprenderà come operare in un ambiente di lavoro laboratoriale basato su strumentazione elettronica ed optoelettroncia.
The students will learn how to operate in a laboratory environment based on electronic and optoelectronic instrumentation.
La verifica si baserà su: (i) interazione con i docenti durante le sessioni sperimentali settimanali previste; (ii) presentazioni orali che verranno svolte durante il corso; (iii) i logbook degli esperimenti effettuati; (iv) esame finale.
The assessment will be based on: (i) interaction with the teachers during the weekly experimental sessions; (ii) oral presentations that will be given during the course; (iii) logbook of the performed experiments; (iv) final exam.
Modalita': in presenza
Attivita' didattiche: lezioni, laboratorio, stesura del logbook di laboratorio, preparazione di relazioni per alcune esperienza specifiche, preparazione di seminari su esperienze specifiche.
Frequenza: obbligatoria
Delivery: face to face
Learning activities: attending the lectures, preparation of oral/written reports, participating in discussions, individual study, group work, laboratory work, bibliography search, and practical experiences.
Attendance: mandatory
Il corso si focalizza sull'elettronica e sulla fisica dei dispositivi a semiconduttore, con l'obiettivo di introdurre gli studenti alle tecnologie alla base della strumentazione fisica utilizzata attualmente nei laboratori di ricerca e di misura. Le esperienze proposte fanno uso di diversi tipi di sensori e dell'elettronica analogica e digitale necessaria per il corretto condizionamento del segnale; vengono insegnate anche le prime nozioni per l'impiego di microcontrollori dedicati all'uso generale in un laboratorio di fisica.
Il programma prevede 12 esperienze (durata settimanale, due pomeriggi per esperienza), che verranno svolte in gruppi fissi di due persone. Le esperienze possono essere raggruppate nei seguenti blocchi concettuali:
1. Introduzione al laboratorio. Le esperienze mireranno a introdurre lo studenti ai nuovi strumenti hardware e software del laboratorio, cercando di dare continuità con quanto appreso nei laboratori precedenti. Oltre alla programmazione, ci si focalizzerà su acquisizione dei dati, analisi dei dati e risposta in frequenza di un sistema fisico.
2. Elettronica analogica. Le esperienze si focalizzeranno sulla teoria e sulla pratica dei circuiti elettronici costruiti con amplificatori operazionali, con una particolare attenzione alla retroazione e alla risposta in frequenza. Il blocco si concluderà con un excursus di comuni applicazioni degli opamp (esperienze non esattamente identiche ma di complessità equivalente per ogni gruppo di lavoro), che verranno poi discusse e analizzate in sede comune.
3. Elementi di optoelettronica. Mettendo a frutto quanto appreso, gli studenti verranno introdotti ad elementi optoelettronici di base quali sorgenti e detector di radiazione, sfruttandoli anche per ottenere stime di quantità fisiche di base quali la costante di Planck. Il blocco si concluderà con una esperienza di verifica della legge di Lambert-Beer, che descrive l'assorbimento ottico di un materiale.
4. Elettronica digitale. Le esperienze si focalizzeranno sulla costruzione di un circuito logico complesso (registro di shift a feedback lineare, con lughezza fino a 64 bit), offrendo esempi di logicia combinatoria e sequenziale. Inoltre, gli studenti verranno introdotti alle interfacce digitali, che verranno quindi utilizzate per comunicare con alcuni sensori digitali.
5. Esperienze conclusive. Il laboratorio si concluderà con un paio di esperienze più elaborate, a livello di circuito o di fisica, facendo leva su quanto appreso nei precedenti blocchi. Esempi: simulazione elettronica dell'attrattore strano di Lorenz, con dinamica caotica; studio della quantizzazione della conduttanza in multipli di $e^2/h$ in giunzioni atomiche formate stocasticamente in un interruttore macroscopico.
The course focuses on electronics and on the physics of semiconductor devices, with the target of introducing the student and to technologies underlying the instrumentation currently used in physics research laboratories. Lectures are both theoretical and laboratory-based, where different circuits are designed, simulated, implemented, and tuned. The behavior of all circuits is verified akin to a typical physics experiment. The proposed laboratory experiences make use of different types of sensors and introduce to the use analog of and digital electronic components, necessary for signal conditioning. The program includes the basics of microcontrollers, their use in a physics lab as a general-purpose instrument, and the replication of some selected modern physics experiments.
The course plan includes 12 experiments (each lasting one week, two afternoons per experiment), which will be carried out by groups of two students. The experiments can be grouped in the following conceptual blocks:
1. Introduction to the lab. Experiences will aim at introducing the students to the new hardware and software tools, trying to establish a clear connection with what learned in the previous labs. Beyond programming, the focus will be on data acquisition, analysis and on the frequency response of a physical system.
2. Analog electronics. The experiments will focus on the theory and practice of circuits based on operational amplifiers. A particular focus will be devoted to feedback and frequency response. The block will include an excursus of common applications of opamps (the different groups will be assigned non-identical circuits but with equivalent complexity), which will be jointly discussed.
3. Introduction to optoelectronics. Building on the past blocks, students will be introduced to basic optoelectronics components such as radiation sources and detectors. These will also be exploited to estimate fundamental physical quantities such as the Planck constant. The block will end with an experimental verification of the Lambert-Beer law, modeling the absorption of a material.
4. Digital electronics. The experiments will focus on the construction of a complex logic circuit (linear feedback shift register, with a size of up to 64 bits), giving the opportunity to study combinatorial and sequential logic. In addition, students will be introduced to digital interfaces, which will be used to interact with a few digital sensors.
5. Concluding experiments. The laboratory course will end with a couple of more elaborate experiments, from a circuital or physical point of view, building on what learned in the previous blocks. Examples: simulation of Lorenz strange attractor, displaying chaotic dynamics; study of conductance quantization in multiples of $e^2/h$ in atomic junctions that can randomly form in a macroscopic switch.
Sono consigliati i testi di riferimento tipici per i corsi di laboratorio di elettronica,ad esempio “The art of electronics", P. Horowitz – W. Hill, Cambridge U.P.; “Teoria dei segnali", M.Luise an G.M.Vitetta - McGraw Hill; "Introduzione al Progetto di Sistemi Digitali" - G. Donzellini, L. Oneto, D. Ponta, D. Anguita - Springer 2018
Durante il corso saranno indicate diverse pubblicazioni su riviste scientifiche di settore, e altro materiale reperibile dai produttori e in altre universita'.
Recommended reading includes manuals of electronics, like “The art of electronics", P. Horowitz – W. Hill, Cambridge U.P.; "Teoria dei segnali", M.Luise and G.M.Vitetta - McGraw Hill; "Introduzione al Progetto di Sistemi Digitali" - G. Donzellini, L. Oneto, D. Ponta, D. Anguita - Springer 2018 or similar textbooks.
During the course, many papers published in scientific journals and specialized publications in electronics will be indicated.
