28651 - Electronics T-A

Learning outcomes

Il corso si propone di fornire le conoscenze di base sui processi di fabbricazione e sul funzionamento dei dispositivi elettronici elementari, nonché sull’analisi dei circuiti analogici e digitali.

Course contents

- Prerequisiti/Propedeuticità consigliate

Prerequisito per la comprensione degli argomenti svolti sono le nozioni della teoria dei circuiti elettrici lineari. In particolare, lo studente dovrebbe essere in grado di analizzare il comportamento di un circuito lineare sia in condizioni stazionarie che transitorie.

- Richiami di elettromagnetismo e teoria del trasporto.

Materiali isolanti, conduttori e semiconduttori.

- Dispositivi a semiconduttore

Giunzione p-n. Transistore MOS. Descrizione del funzionamento del transistore n-MOS e del transistore p-MOS. Regioni di funzionamento ed equazioni costitutive.

Invertitore CMOS. Regioni di funzionamento dei transistori, calcolo delle correnti e della caratteristica statica ingresso-uscita. Consumo di potenza. Comportamento in transitorio dell'invertitore CMOS. Calcolo della durata del transitorio di salita e di discesa.

Componenti parassiti del transistore n-MOS e p-MOS: calcolo della capacità d’ingresso dell'invertitore CMOS.

Logica CMOS. Caratteristiche generali delle reti di Pull-Up e Pull-Down. Topologia dei gate, analisi e sintesi delle funzioni logiche.

Tempi di commutazione e dimensionamento di transistori MOS in logica CMOS.

- Teoria dei segnali ed elaborazione digitale.

Segnale analogico, segnale digitale e segnale binario. Processo di conversione analogico-digitale e digitale-analogico. Elaborazione digitale. Sistemi embedded, warehouse scale computers e datacenters. Architetture «non von Neumann». Topologia dei sistemi elettronici e dei calcolatori. Principali trend tecnologici e architetturali. I principi quantitativi della progettazione dei calcolatori. Basi delle gerarchie delle memorie.

- Sistema di numerazione binario e porte logiche.

Rappresentazioni binaria ed esadecimale. Conversione da decimale a binario. Conversione da binario a decimale. Operazioni sui numeri binari: addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione e complemento a due.

- Circuiti combinatori.

Introduzione all‘Algebra di commutazione. Variabili logiche ed espressioni logiche. Sintesi di funzioni logiche basata sulle espressioni canoniche. Mappe di Karnaugh: regole di adiacenza e raggruppamenti. Copertura ed espressioni normali. Analisi di una rete mediante mappe di Karnaugh. Esempi di circuiti combinatori.

- Circuiti sequenziali.

Circuito bistabile. Latch di tipo D e flip-flop D. Esempi di realizzazione di circuiti sequenziali. Analisi e sintesi di macchine a stati finiti. Temporizzazione di circuiti sequenziali. Parallelismo temporale.

- Circuiti Aritmetici.

Realizzazione di un Full-Adder. Descrizione del funzionamento di un circuito sommatore a propagazione del riporto. Circuito sottrattore. Funzionamento di un moltiplicatore: moltiplicatore seriale a propagazione del riporto e moltiplicatore parallelo.

- Memorie.

Classificazione delle memorie: memorie volatili e non volatili. Struttura a matrice con decodificatori di riga e colonna. Descrizione del funzionamento della cella SRAM a 6 transistori. Lettura e scrittura di una memoria SRAM. Struttura della memoria DRAM. Lettura e scrittura di una cella DRAM e problematiche annesse. Introduzione alle memorie non volatili. ROM, PROM e memorie Flash. Architettura NOR e NAND della matrice. Funzionamento della memoria Flash, iniezione di elettroni nel floating gate.

- Sistemi a Microcontrollore.

Principali caratteristiche low-power dei microcontrollori.

Readings/Bibliography

M. Rudan, Tavole di Microelettronica, Pitagora, 3ª Ed., 2001.

M. Rudan, Physics of Semiconductor Devices, Springer, 1a edizione 2015, 2a edizione 2018 (l’errata corrige di questo libro è pubblicata in «Virtuale»).

D. M. Harris, S. L. Harris, Sistemi digitali e architettura dei calcolatori, Zanichelli, 2017, ISBN: 9788808920737

J. M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Circuiti integrati digitali, L’ottica del progettista, 2ª Ed, Pearson, 2020.

A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la Microelettronica, EdiSES, 2019, ISBN: 978-88-3319-054-9

P. Spirito, Elettronica Digitale, McGraw-Hill, 2006.

F. Fummi, M. Sami, C. Silvano, M. Lora, Progettazione digitale, McGraw-Hill, 2007.

https://www.zanichelli.it/ricerca/prodotti/sistemi-digitali-e-architettura-dei-calcolatori

Diapositive e altro materiale, insieme con la registrazione audio delle lezioni, sono disponibili sulla piattaforma "Virtuale".

Teaching methods

Il corso è strutturato in lezioni frontali in aula in cui vengono presentati gli elementi fondamentali dell'Elettronica. In particolare ci si focalizzerà sui circuiti base dell'Elettronica Digitale e loro ruolo all'interno di sistemi elettronici odierni. Alla presentazione teorica di ogni tema trattato fanno seguito diverse lezioni dedicate alla risoluzione di esercizi e problemi specifici che sottolineano la natura applicata della disciplina e mirano a far acquisire il metodo per l'analisi e la progettazione di semplici circuiti digitali.

Assessment methods

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso un esame finale che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese. La prova d'esame è scritta e della durata di due ore.

La prova scritta consiste di norma in un mix di esercizi e domande di teoria, a risposta multipla, con l'obiettivo di verificare l'acquisizione delle conoscenze previste secondo quanto dettagliato nel programma del corso. La prova è composta da uno o più esercizi/domande per modulo didattico e serve a verificare la capacità di analizzare circuiti realizzati con transistor MOS, i principali blocchi circuitali che costituiscono la ALU, il funzionamento delle memorie a semiconduttore, le tipologie di calcolatori e le loro caratteristiche in termini di performance, costo e consumi.

Per sostenere la prova d'esame è necessaria l'iscrizione tramite bacheca elettronica, nel rispetto delle scadenze previste. Coloro che non riuscissero ad iscriversi entro la data prevista, sono tenuti a comunicare tempestivamente (e comunque prima della chiusura ufficiale delle liste di iscrizione) il problema alla segreteria didattica. Sarà facoltà del docente ammetterli a sostenere la prova.

E' possibile prendere visione del compito e chiedere chiarimenti in occasione della data di verbalizzazione immediatamente successiva all'appello in cui si è sostenuto l'esame. La possibilità di utilizzare orari alternativi di ricevimento per prendere visione del compito è riservata a casi eccezionali, con una valida motivazione.

Teaching tools

Con l'eccezione di materiale coperto da copyright, il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente caricandolo in formato elettronico sulla piattaforma "Virtuale" del corso.

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