Laboratorio virtuale per l'analisi dei circuiti elettronici

Per lo studio della microelettronica esistono molti libri di testo. Principalmente essi sono di tipo universitario in quanto contengono riferimenti a matematica molto complessa, come i numeri complessi, le trasformate di Laplace, le trasformate di Fourier, le equazioni integro-differenziali, matrici e molto altro ed inoltre sono per la maggior parte in lingua inglese.
La materia trattata è molto difficile da comprendere in quanto verte su un enorme varietà di argomenti che richiedono sempre l'uso della matematica di un certo tipo per determinati argomenti e di un altro tipo per altrettanti argomenti.
Sui libri di testo, oltre alla spiegazione, viene preso come riferimento uno schema circuitale elettrico al quale fanno seguito le equazioni matematiche per capirne il funzionamento.
L'analisi e lo studio elettrico richiedono quindi molto tempo, sia per capire tutti i passaggi matematici e sia per rendersi conto di come effettivamente un circuito elettronico si comporta in funzione dei segnali d'ingresso applicati ed in uscita ottenuti.
Il vero impatto conoscitivo dei circuiti elettronici si ha quando lo studente accede ai laboratori di elettronica e fa le prime esperienze con i componenti di base, resistenze, condensatori e induttanze, e utilizza i generatori di funzione per la generazione di segnali e gli oscilloscopi per la misura dei segnali.
Poiché il laboratorio di elettronica non è sempre disponibile ed inoltre per ogni tipo di circuito non è pensabile poterlo realizzare e provare sistematicamente, si è arrivati ad adottare testi di elettronica scritti in modo tale che gli argomenti siano trattati il più semplicemente possibile, con molti circuiti semplici di base fino ad arrivare ai più complessi e con molti grafici, ricchi di matematica scritta in modo chiaro e preciso avendo cura dei passaggi complicati, affinché lo studente riesca a capirne bene e velocemente la materia.
Per gli studenti, quindi, viene consigliato il libro di testo "per eccellenza" sul quale studiare e capire i concetti della materia in esame.
E'così che anche il Professor Franco Maloberti ha scritto un libro di testo sulla microelettronica, essendo il responsabile del Laboratorio IMS, Integrated MicroSystems dell'Università di Pavia.
Il libro realizzato è uscito a gennaio 2012.
Chi studia le materie d'Ingegneria oggi, ha quasi sicuramente un PC a casa o un portatile; molti studenti lo portano a scuola tenendolo nello zaino, dato anche il basso costo d'acquisto di un notebook o netbook (PC portatili di dimensioni molto contenute con monitor di circa 10" e molto leggeri).
I motivi sono molteplici:

– connessione Wi-Fi gratuita in Università per accedere ad Internet,
– scaricare e installare software scientifico gratuito e open souce,
– studiare le materie scientifiche avendo libro di testo e PC,
– uso del PC per avere un feedback degli esercizi svolti su carta (ad esempio in matematica),
– utilizzo di programmi di impaginazione, ufficio, tipo Word, Excel e PowerPoint.

Per lo studente di elettronica è importante anche avere un feedback sul circuito che si sta studiando e per questo non c'è niente di meglio che un PC portatile.
Un ottimo aiuto nello studio, oltre ad un libro di testo di elettronica, sono i programmi scientifici, in particolare questi due tipi:

1) simulazione elettronica e progettazione CAD,
2) programmi di matematica.

I software più conosciuti e utilizzati di progettazione elettronica, gratuiti, sono:

– QUCS
– SPICE
– TINA
– CPU Sim
– GNU Circuit Analysis Package
– PSIM
– Electric VLSI Design system
– Logisim

Mentre i software di matematica più utilizzati, gratuiti e non, sono:

– MATLAB
– MATHEMATICA
– MAPLE
– Maxima
– SciLab
– MuPAD

Ottimi programmi sono SPICE e QUCS per la simulazione elettronica. Abbinati ad un libro di testo si riesce a comprendere meglio il significato delle equazioni matematiche in funzione di molte variabili e a capire molto velocemente su quale parametro agire per una modifica progettuale.
Sono adatti per la simulazione analogica e digitale, con una libreria di componenti enorme, comprendente componenti con caratteristica lineare e non lineare.
La sola analisi in simulazione analogica comprende:

– analisi in DC
– analisi in AC
– analisi ai Transitori
– analisi al Rumore
– analisi Monte Carlo
– analisi in Temperatura

Quella in digitale è anch'essa lei molto ricca di funzioni.
La miglior pratica e studio, comunque, resta il laboratorio con gli strumenti e tutta l'attrezzatura.
Il nuovo libro di Maloberti propone un nuovo aiuto agli studenti.
Infatti, nel libro vengono proposti, per ogni capitolo, molti esperimenti primari da realizzare in laboratorio, ma l'innovazione consiste nel far riferimento ad un laboratorio virtuale realizzato appositamente per questo libro e specificatamente per gli esperimenti proposti in ogni sezione.
Il nome del nuovo strumento è:

ELVIS Lab è un laboratorio virtuale sul Web, che risiede sui server dell'Università di Ingegneria a Pavia. E'accessibile su richiesta dal professore o istruttore che utilizza questo libro all'indirizzo Internet: https://ims.unipv.it/~ElvisLab/
L'uso di ElvisLab è semplice e lineare e non richiede l'uso di un manuale.
Nei paragrafi successivi spiegherò più in dettaglio questo progetto.