28016 - ELETTRONICA T

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Istruzione di qualità Energia pulita e accessibile Industria, innovazione e infrastrutture

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

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.

Programma/Contenuti

Prerequisiti/Propedeuticità consigliate

Prerequisito per la comprensione degli argomenti svolti è l'aver appreso le nozioni principali di teoria dei circuiti elettrici lineari svolti nel corso di Elettrotecnica. In particolare lo studente dovrebbe essere in grado di analizzare il comportamento di un circuito lineare sia in condizioni stazionarie che transitorie. Si consiglia quindi di seguire il corso solo dopo aver superato l'esame di Elettrotecnica.

Programma

- Descrizione del funzionamento del transistore n-MOS. Regioni di funzionamento ed equazioni costitutive. Descrizione del funzionamento del transistore p-MOS. Regioni di funzionamento ed equazioni costitutive. Descrizione del funzionamento dell'invertitore n-MOS con carico resistivo. Caratteristica statica e consumo di potenza.  Descrizione del funzionamento dell'invertitore p-MOS con carico resistivo.  Caratteristica statica e consumo di potenza.  

- Descrizione del funzionamento dell'invertitore CMOS.  Regioni di funzionamento dei transistor, calcolo delle correnti e della caratteristica statica ingresso-uscita. Analisi del consumo di potenza. Analisi del comportamento in transitorio dell'invertitore CMOS. Calcolo della durata del transitorio di salita e di discesa. Componenti parassiti del transistore nMOS e pMOS: calcolo della capacità di ingressi dell'invertitore CMOS.     

- Metodo di progetto di un buffer CMOS al fine minimizzare il ritardo di propagazione.     

- Accenni alla teoria dei segnali: segnale analogico, segnale digitale e segnale binario. Proprietà di un codice binario: sistema di numerazione, lunghezza di un numero binario. Conversione da decimale a binario. Conversione da binario a decimale. Operazioni sui numeri binari: addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione e complemento a due. 

- Descrizione del funzionamento dei convertitori Analogico/Digitale e Digitale/Analogico. 

-  Automi a stati finiti e reti combinatorie e tabelle di verità. Reti combinatorie elementari: NOT, AND, OR, XOR, EQUIV. Realizzazione CMOS dei gate logici NAND e NOR e loro proprietà.

- Proprietà dei circuiti digitali: costo, capacità di ingresso, fan-out, ritardo di propagazione, consumo di potenza, prodotto ritardo consumo, margine di immunità ai disturbi.  

- Gate Fully CMOS: caratteristiche generali delle reti di Pull-Up e Pull-Down. Topologia dei gate, analisi e sintesi delle funzioni logiche.  Equivalenza dei transistori MOS connessi in serie ed in parallelo. Tempi di commutazione e dimensionamento dei MOSFETs nei gate Fully CMOS.   

- Introduzione all'algebra di commutazione: variabili logiche ed espressioni logiche. Sintesi di funzioni logiche basata sulle espressioni canoniche SP e PS. Reti di costo minimo. Schemi a ritardo e complessità minimi. Rappresentazioni di funzioni su mappe. Mappe di Karnaugh: regole di adiacenza e raggruppamenti. Copertura ed espressioni normali. Analisi di una rete mediante mappe di Karnaugh. Espressioni minime SP e PS mediante raggruppamenti.

- Reti con NAND e con NOR. Analisi di reti formate solo da NAND. Sintesi di reti combinatorie a NAND.

- Modello delle reti logiche programmabili. Circuito decoder, multiplexer e demultiplexer.

- L'unità di elaborazione ALU.  Addizione binaria: circuiti sommatori. Realizzazione di un Full-Adder. Full-adder realizzato mediante half-adder o multiplexer. Descrizione del funzionamento di un circuito sommatore a propagazione del riporto. Sommatore parallelo e sommatore a selezione del riporto. Circuito sottrattore. Funzionamento di un moltiplicatore: moltiplicatore seriale a propagazione del riporto e moltiplicatore parallelo. Circuito comparatore.

- Circuiti combinatori e circuiti sequenziali. Sistemi digitali sincroni e asincroni. Realizzazione stati del Latch di tipo D. Realizzazione del latch D con porte logiche NOR e in retroazione con NOT. Connessione a pass-transistor per il trasferimento del segnale. Problemi di trasferimento delle tensioni alte con transistor nMOS e delle tensioni basse con transistor pMOS. Latch D realizzato con circuito bistabile a 2 NOT e pass-transistor. Circuiti a campionamento su un fronte del clock.

- Realizzazione master-slave del Flip-flop D. Realizzazione statica con circuito bistabile e dinamica a due fasi. 

- Introduzione alle 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 transistor. Lettura e scrittura di una cella SRAM. Descrizione del funzionamento del sense amplifier di memorie SRAM. Stuttura della cella DRAM. Lettura e scrittura di una cella DRAM. Il fenomeno della ridistribuzione di carica. Il sense amplifier in meorie DRAM. Differenze tra memorie SRAM e DRAM.

- Introduzione alle memorie non volatili. ROM, PROM e memorie Flash. Architettura NOR e  NAND della matrice. Funzionamento della memoria Flash, inizezione di elettroni nel floating gate. Endurance e Data retention della memoria.

Testi/Bibliografia

GNANI - ELETTRONICA DIGITALE DI BASE A.A.2013-14   ISBN 9781308077789 - CREATE - 
Le librerie di riferimento: Libreria PITAGORA - VIA SARAGOZZA 112 - BOLOGNA - Tel 051-6446460  Libreiria BOOKSTOP - VIA MARSALA 27-B - BOLOGNA - Tel 051-29.60.662  P. Spirito, Elettronica Digitale, McGraw-Hill, 2006.
Fummi, Sami, Silvano, progettazione digitale, McGraw-Hill

Metodi didattici

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. 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.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso un esame finale che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese. Lo studente può scegliere se svolgere la prova scritta della durata di 2 ore con l'aiuto di libri e appunti (una unica prova nell'arco dell'Anno Accademico) o una prova orale (2 o più prove orali in ogni sessione d'esame).

La prova scritta consiste di norma in 5 esercizi in cui si verifica la capacità dello studente di realizzare semplici funzioni logiche.

La prova orale ha l'obiettivo di verificare l'acquisizione delle conoscenze previste secondo quanto dettagliato nel programma del corso. La prova consiste in 3 domande, una per verificare la capacità di analizzare circuiti realizzati con transistor MOS, la seconda riguardante i principali blocchi circuitali che costituiscono la ALU, e una terza riguardante il funzionamento delle memorie a semiconduttore. Il superamento dell’esame sarà garantito agli studenti che dimostreranno padronanza e capacità operativa in relazione ai concetti chiave illustrati nell’insegnamento. La durata della prova orale è mediamente di 45 minuti.

Per sostenere la prova d'esame è necessaria l'iscrizione tramite bacheca elettronica, nel rispetto inderogabile 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.

La verbalizzazione della valutazione conseguita avviene durante uno qualsiasi degli appelli orali fissati dal docente durante l'anno accademico. 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.

Strumenti a supporto della didattica

Materiale didattico disponibile al sito https://www.unibo.it/sitoweb/elena.gnani/contenuti-utili

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elena Gnani

Consulta il sito web di Massimo Rudan