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ELETTRONICA DEI SISTEMI DIGITALI

Anno accademico e docente
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English course description
Anno accademico
2022/2023
Docente
PIERO OLIVO
Crediti formativi
6
Percorso
Ingegneria elettronica e wireless
Periodo didattico
Secondo Semestre
SSD
ING-INF/01

Obiettivi formativi

Il corso riprende i principali argomenti visti nel corso di Sistemi Elettronici Digitali, da un punto di vista di logico/sistemistico, e ne approfondisce le realizzazioni circuitali, permettendo quindi di comprendere le motivazioni alla base delle diverse scelte progettuali.

Le principali conoscenze acquisite riguarderanno le tecniche di analisi e progetto dei circuiti e sistemi digitali integrati con attenzione ai problemi legati al consumo di potenza, all’integrità dei segnali, al loro collaudo. In particolare:
• elementi di base della tecnologia dei semiconduttori;
• 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;
• funzionamento e dimensionamento dei blocchi combinatori, statici e dinamici;
• funzionamento e dimensionamento di circuiti sequenziali, statici e dinamici;
• temporizzazione dei circuiti elettronici: distribuzione del segnale di sincronismo e deviazioni rispetto alle attese;
• collaudo dei circuiti integrati digitali.

Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) riguarderanno l’analisi e la progettazione di sistemi digitali utilizzando componenti dedicati. In particolare:
• analizzare il comportamento di circuiti digitali in condizioni statiche e dinamiche;
• identificare i vincoli di progetto che determinano il dimensionamento di un circuito digitale;
• identificare i circuiti combinatori e sequenziali più idonei per il progetto di uno specifico sistema elettronico;
• comprendere i problemi di temporizzazione che possono evidenziarsi durante il progetto di un sistema elettronico;
• individuare la procedura di collaudo più idonea per un sistema elettronico;
• individuare i vincoli di progetto di un sistema di autocollaudo in un circuito integrato digitale.

Prerequisiti

Per seguire il corso è necessario avere piena conoscenza delle basi di Sistemi Elettronici Digitali.

In particolare è necessario avere acquisito e assimilato le seguenti conoscenze fornite da corsi del 1° e 2° anno:

• 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 a livello logico sistemi digitali di dimensioni ridotte.

Contenuti del corso

Il corso prevede 60 ore. Trattando argomenti di base non sono previste esercitazioni di laboratorio.

Introduzione al corso
Riepilogo dei punti fondamentali visti nel corso di Sistemi Elettronici Digitali

Tecnologia dei semiconduttori
Semiconduttori – Diodo - Processi tecnologici di base: ossidazione, fotolitografia, drogaggio - Considerazioni sui costi della tecnologia del Silicio

Transistore MOS
Fisica del transistore MOS - Tensione di soglia - Caratteristica Ids/Vds - Esempi polarizzazione nMOS Transistore pMOS

Porte logiche statiche
Famiglie logiche (parametri di confronto) – Caratteristiche statica e dinamica - Invertitore CMOS - caratteristica statica - Soglia logica - Dimensionamento simmetrico e ad area minima - Consumo di potenza dinamico - Consumo di potenza di short circuit e leakage - Modellistica connessioni - Resistenze - Capacità - Transitori di commutazione di un invertitore CMOS - Modello switch - Transitori in un NOR CMOS - Confronto NAND-NOR - FCMOS - trend capacità - Switching activity - Statistica dei segnali - Correlazioni tra i segnali - Logiche a rapporto - Logiche differenziali (DCVSL) - Logiche a pass transistor - Problemi nelle logiche a pass transistor. Utilizzo di level restorer - Pass transistor a soglia ridotta - Transfer gate

Porte logiche dinamiche
Cross talk capacitivo – Partitore capacitivo - Logiche dinamiche: Velocità, consumo di potenza, switching activity - Corrente di leakage - Ridistribuzione di carica - Accoppiamento capacitivo - Connessione tra circuiti dinamici - Domino - Riepilogo dei diversi circuiti combinatori

Ground bouncing e problemi EMC

Linee RC e linee di trasmissione
Trend resistenze - Reti RC distribuite - Esempi reti RC distribuite - Linee di trasmissione - Impedenza caratteristica - Onda riflessa ed onda trasmessa - Esempi dettagliati di comportamento in funzione della resistenza di sorgente - Caso reale con circuiti CMOS - Adattamento al carico e alla sorgente - Intervallo del rapporto Rs/Zo

Circuiti sequenziali
Circuiti sequenziali - Temporizzazioni - Registri edge triggered - Level sensitive latchs - Flip-flop - Clock Overlapping - Registri dinamici - Flip flop SR – C2MOS – Temporizzazione e sincronismo - Sistemi sincroni e asincroni temporizzati - Skew - Effetti su prestazioni e funzionalità - Jitter - Effetto su prestazioni - Effetto combinato di skew e jitter - parallelismo e pipeline - Origine di skew e jitter - Tecniche di distribuzione del clock - Sincronizzazione basata sul latch - Logiche autotemporizzate - Circuiti di "fine operazione" - Replica del ritardo - Segnali di controllo

Relazioni consumo-velocità
Controllo della potenza - Doppie alimentazione e tensione di soglia - Controllo run-time dell'alimentazione

Collaudo dei circuiti integrati
Costo del collaudo - Definizioni - Characterization & production testing - Collaudo parametrico e funzionale - Filosofia del collaudo - Generazione automatica dei vettori di collaudo - Simulazione di guasti - Esempio di controllabilità e osservabilità di un guasto - Generazione casuale - Design For Testability (DFT) - Aspetti economici del DFT - Metodi ad hoc - Scan design - Registri per scan design - Partial Scan - BIST: filosofia, vantaggi e svantaggi - Architettura BIST - Generazione random e pseudorandom - ALFRS - Generazione pesata - Analisi della risposta del circuito - Signature analysis - Stima dell'errore di aliasing - MISR - Procedura di progetto per il BIST – Boundary Scan test: comandi e funzioni

Metodi didattici

In via sperimentale il corso sarà tenuto in modalità “flipped classroom”. Ciò significa che le lezioni sono già state videoregistrate e sono fruibili in modo autonomo da parte degli studenti, seguendo una scaletta temporale proposta dal docente. Ogni settimana ci sarà un incontro in aula nel quale verranno ripetuti dal docente i punti fondamentali delle lezioni proposte per la settimana precedente, verranno poste domande che serviranno allo studente per un’autoverifica dell'apprendimento e verranno risolti alcuni esercizi. Questi incontri settimanali in aula saranno fruibili anche a distanza.

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 2 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. 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 8 punti su 20. Il tempo previsto per la prova è di 50'. Non è consentito consultare testi o utilizzare PC, smart phone, calcolatrici,…. ;
• 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 5 punti su 13. 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.
Vista la complessità di molti schemi circuitali, allo studente non è richiesto di saperli ridisegnare a memoria. Lo studente può utilizzare gli schemi visti a lezione e sui quali ha studiato. L’obiettivo dello studio, infatti, non è ricordare a memoria schemi circuitali che, probabilmente, fra pochi anni non saranno più utilizzati, ma avere compreso le motivazioni teoriche, applicative ed economiche che hanno portato alla definizione di quelle specifiche soluzioni circuitali.
La preparazione dello studente non si baserà, pertanto, sulla capacità di ricordare, a memoria, schemi o formule, ma nella capacità di spiegare le motivazioni che portano a specifiche scelte circuitali e nell’individuarne potenziali limiti.

Il voto finale è dato dalla somma dei 2 punteggi.
Per superare l’esame è necessario acquisire un punteggio minimo di 18 su 33.
Qualora una delle 2 prove risulti insufficiente o qualora il punteggio totale sia inferiore a 18 è necessario ripetere tutte e 2 le prove.

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.

Testi di riferimento

Appunti forniti dal docente. Il materiale didattica sarà interamente disponibile prima dell’inizio del corso