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
