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ELETTRONICA DIGITALE

Anno accademico e docente
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English course description
Anno accademico
2017/2018
Docente
PIERO OLIVO
Crediti formativi
9
Periodo didattico
Secondo Semestre
SSD
ING-INF/01

Obiettivi formativi

Il corso rappresenta il primo insegnamento di Elettronica digitale ed esamina gli elementi di base di un sistema digitale dal punto elettrico, trattando l'informazione come corrente o tensione.

L'obiettivo principale del corso consiste nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio dei sistemi digitali complessi e delle loro interconnessioni con i vincoli imposti dalle prestazioni richieste in termini di costo, velocità, occupazione d'area, immunità ai disturbi, consumo di potenza.

Le principali conoscenze acquisite saranno:

elementi di base di un sistema digitale dal punto di vista elettrico, trattando l’informazione come corrente, tensione o carica.
conoscenze relative all’analisi dei circuiti elettronici in condizioni statiche e dinamiche;
caratteristiche fondamentali di un circuito CMOS;
conoscenze di base per affrontare lo studio dei sistemi digitali complessi e delle loro interconnessioni con i vincoli imposti dalle prestazioni richieste in termini di costo, velocità, occupazione d'area, immunità ai disturbi e consumo di potenza;
conoscenze di base dei convertitori A/D e D/A e degli elementi di memoria;
fondamenti degli strumenti di simulazione circuitale.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:

analizzare il comportamento di circuiti digitali in condizioni statiche e dinamiche;
identificare i vincoli di progetto che determinano il dimensionamento di un circuito digitale;
valutare il convertitore A/D o D/A o la memoria più adatti per una determinata applicazione;
utilizzare programmi di simulazione per l’analisi di circuiti digitali.

Prerequisiti

E’ necessario avere acquisito e assimilato le seguenti conoscenze fornite dai corsi di “Analisi e sintesi dei circuiti digitali” e “Teoria dei Circuiti”:


concetti elementari di analisi matematica e del calcolo differenziale;
conoscenze dei concetti fondamentali di fisica, in particolari quelli relativi all'elettromagnetismo;
conoscenze della teoria dei circuiti: legge di Ohm e di Kirchhoff e loro applicazione pratica; metodi per trattare i circuiti elettrici in regime continuo e transitorio;
conoscenze delle reti logiche: aritmetica binaria; circuiti combinatori e sequenziali;
capacità di analizzare e progettare al livello logico sistemi digitali di dimensioni estremamente ridotte.

Contenuti del corso

Il corso prevede 90 ore di didattica tra lezioni ed esercitazioni. In particolare sono previste 70 ore di lezione in aula e 20 ore di esercitazioni guidate in laboratorio.

Elettronica digitale e analogica - Sistemi digitali (7.5 ore)
Differenza tra elettronica analogica e digitale - Livelli di operatività di un sistema: sistema, scheda, integrato e diversi livelli di astrazione - Elementi costitutivi (a livello scheda: singoli circuiti integrati; a livello chip:blocchi logici elementari) - Problematiche di progettazione per i diversi livelli di astrazione - Cenni sull'evoluzione della progettazione custom, semicustom, FPGA - Differenza tra situazione ideale a caso reale - Incremento delle problematiche di signal integrity

Circuiti con elementi passivi e attivi (7.5 ore + 7.5 ore di laboratorio)
Richiami sui circuiti elementari con resistenze. Applicazione delle legge di Ohm e di Kirchhoff. Partitore resistivo. Dispositivi a semiconduttore. Caratteristica ideale del diodo. Circuiti con resistenze e diodi. Tecnologia dei semiconduttori.

Proprietà dei circuiti digitali elementari (5 ore)
Parametri di confronto (costo, prestazioni, affidabilità,...) - Caratteristiche I/O - Caratteristiche dinamiche - Consumo di potenza

Circuiti CMOS (7.5 ore)
Invertitore CMOS - Funzionamento "a relè" - Cenni sul funzionamento del transistore MOS - Caratteristica statica, soglia logica, dimensionamento - Consumo di potenza - Gate FCMOS

Commutazione e trasmissione di segnali (10 ore)
Diverse problematiche tra scheda e chip - Carico capacitivo concentrato - Transitori dei circuiti CMOS - Dimensionamento circuiti CMOS - Confronto tra NAND e NOR CMOS - Reti RC distribuite - Buffer - Linee di trasmissione (modello circuitale per linee di trasmissione, discontinuità) - Adattamento - Linee di fan-out e bus

Rumore nei sistemi digitali (5 ore)
Crosstalk capacitivo - Oscillazioni sulle alimentazioni - Commutazione simultanea - Caduta ohmica sulle piste di alimentazione – Problemi emergenti a causa della riduzione delle dimensione e all’aumento della frequenza.

Multivibratori (5 ore)
Monostabile CMOS - Astabile CMOS - Schmitt trigger

Conversione A/D e D/A (7.5 ore)
Teoria della conversione –Caratteristiche generali dei convertitori – Convertitori D/A (con resistori di peso binario, con rete a scala R-2R). Convertitori A/D (a doppia rampa, a conteggio, a successive approssimazioni, parallelo) – Filtro antialiasing di ingresso – Circuito di Sample&Hold

Memorie (15 ore)
Caratteristiche memorie - Organizzazione memorie - Decoder - Memorie ad accesso casuale - Celle SRAM - Lettura/scrittura SRAM - Celle DRAM - Lettura/scrittura DRAM - Memorie a prevalente lettura e memorie non volatili: evoluzione e classificazione - ROM, EPROM, OTP, EEPROM, FLASH NOR e FLASH NAND – Flotox cells – Architetture NOR and NAND– Programmazione/cancellazione e lettura delle memorie non volatili.

Simulazione circuitale (12.5 ore)
Introduzione a Spice - Esercitazioni di laboratorio relative alla simulazione di semplici circuiti digitali

Metodi didattici

Il corso è organizzato nel seguente modo:

lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso;
esercitazioni nel laboratorio di Elettronica per l’analisi di semplici circuiti costituiti da resistenze e diodi. Gli studenti saranno divisi in gruppi (massimo 27 studenti per gruppo) e seguiranno 3 esercitazioni guidate di 2 ore ciascuna. Al termine delle esercitazioni guidate gli studenti avranno libero accesso al laboratorio per ulteriori esercitazioni individuali;
esercitazioni presso il laboratorio di informatica per la simulazione di semplici circuiti digitali. Gli studenti seguiranno 5 esercitazioni guidate di 2 ore ciascuna, precedute da una lezione di presentazione in aula. Al termine delle esercitazioni guidate gli studenti avranno libero accesso al laboratorio per ulteriori esercitazioni individuali.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati.

L’esame è diviso in 3 parti che hanno luogo nello stesso giorno.
•Una prova a quiz (quiz a risposta multipla o soluzioni di esercizi numerici) su tutti gli argomenti trattati nel corso e sui concetti fondamentali dei corsi di “Analisi e sintesi dei circuiti digitali” e “Teoria dei circuiti”. La prova ha lo scopo di valutare lo studio della materia e la comprensione degli argomenti di base e ha carattere di selezione (lo studente che non mostri una sufficiente conoscenza degli argomenti non è ammesso alle prove successive). Per superare la prova è necessario acquisire almeno 6 punti su 15. Il tempo previsto per la prova è di 1 ora. Non è consentito consultare testi o utilizzare PC, smart phone, calcolatrici,…. ;
•una simulazione di un semplice circuito digitale mediante il programma SPICE, con l’obiettivo di valutare se lo studente ha acquisito la conoscenza degli strumenti di simulazione e sintesi di circuiti digitali. Per superare la prova è necessario acquisire almeno 3 punti su 8. Il tempo previsto per la prova è di 1 ora. E’ possibile consultare il manuale del simulatore pSpice.
•una prova orale nella quale non sarà valutata tanto l'abilità nel "ripetere" qualche argomento trattato a lezione, quanto la capacità di collegare e confrontare aspetti diversi trattati durante il corso. Per superare la prova è necessario acquisire almeno 4 punti su 11. Il superamento della prova è testimonianza dell’aver acquisto la conoscenza dei metodi per l’analisi dei sistemi digitali complessi e delle loro interconnessioni in presenza di vincoli su costo, velocità, occupazione d’area e immunità ai disturbi.

Il voto finale è dato dalla somma dei 3 punteggi.
Per superare l’esame è necessario acquisire un punteggio minimo di 18 su 33.

Il superamento dell’esame è prova dell’aver acquisto la capacità di applicare le conoscenze relative alle tecnologie per l’elaborazione digitale dei segnali e di analizzare il comportamento di circuiti e sistemi elettronici digitali nei diversi ambiti dell’ingegneria dell’informazione.

Qualora una delle 3 prove risulti insufficiente o qualora il punteggio totale sia inferiore a 18 è necessario ripetere tutte e 3 le prove.

Testi di riferimento

Appunti forniti dal docente disponibili sul sito del corso

Argomenti specifici possono essere approfonditi sui seguenti testi.

J.M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic; Digital Integrated Circuits; Prentice Hall, 2nd edition, 2003 (Testo adottato per il corso di Elettronica dei sistemi digitali)
W. J. Dally, J. W. Poulton; Digital System Engineering; Cambridge University Press, 1998