David Esseni

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Università degli Studi di Udine
Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica


 

Fondamenti di Elettronica Digitale



Programma del corso

Argomento trattato Num. ore
Introduzione alla nozione di Segnale Digitale. Livelli di astrazione e di progetto nei Sistemi Digitali. Cenni sulla evoluzione della Tecnologia CMOS. 2
Il transistore n-MOS: relazione fra carica e tensione di Gate e soglia di Inversione. Regioni di funzionamento e caratteristiche corrente tensione. Funzionamento ai Piccoli Segnali. Cenni al processo di fabbricazione CMOS e Regole di Layout. Capacita' del transistore MOS. Il transistore p-MOS come Switch Complementare. I modelli Spice. Esempi numerici ed Esercizi. 6
Inverter CMOS: Caratteristica statica, soglia logica e dipendenza dal dimensionamento dei MOSFETs. Tempi di commutazione e dipendenza dal dimensionamento dei MOSFETs. Resistenza Equivalente dei transistori MOS. Dimensionamento a ritardo minimo, ritardo caratteristico di una tecnologia ed Scaling Tecnologico. Consumo di potenza: statico, dinamico e di corto circuito. Esempi numerici ed Esercizi. 6
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. Esempi numerici ed Esercizi. 4
Logiche a Rapporto: generalità, dimensionamento a rapporto e tipi di carico. Potenza statica, tempi di commutazione e criteri di dimensionamento. Generatore di Corrente come carico ideale. Logiche DCVLS. Esempi numerici ed Esercizi. 2
Logiche a Pass Transistor: Reti di Switch e stadi di buffer. Switch ad n-MOSFET e switch complementari. Resistenza equivalente degli Switch, ritardi di una sequenza di stadi e criteri di dimensionamento. Logiche con soli n-MOS pass-transistors. Esempi numerici ed Esercizi. 2
Logiche Dinamiche: Fase di precarica e valutazione. Sensibilità ai disturbi: charge leakage, charge sharing e clock-feedthrough. Requisiti per la messa in cascata di stadi di logica dinamica: logiche Domino e np-Logics. Esempi numerici ed Esercizi. 3
Buffering di grandi capacità e Buffer di tipo BiCMOS. Dipendenza dei ritardi dei buffer CMOS dalla capacità di carico. 2
Complementi sul consumo di Potenza nei Gate CMOS: Switching Activity, consumo legato al Glitching e consumo di Corto Circuito. Tecniche di progettazione a basso consumo a livello logico e circuitale. Riduzione delle tensioni di Alimentazione. 4
Svolgimento in Aula di Temi di Esame e/o correzione degli Homework. 6
Esercitazioni svolte in laboratorio col simulatore circuitale SPICE o altri software didattici. 4

 

Organizzazione del Corso e Modalità di Esame

Il Corso si articola in:

Lezioni svolte in Aula secondo il programma del Corso reperibile su questo stesso sito.
Esercitazioni svolte in Aula che forniscono applicazioni delle lezioni teoriche e preparano alla Prova Scritta finale.
Esercitazioni di Laboratorio basate sull'uso del simulatore PSPICE .
Homework assegnati agli studenti, risolti a casa individualmente e quindi corretti in Aula.

Le Modalità d'Esame prevedono:

Una Prova Scritta Obbligatoria volta a verificare l'acquisizione delle nozioni teoriche e della capacità di analisi e sintesi manuale dei ciruiti digitali fornite dal Corso. La Prova Scritta riceve un voto massimo di 24/30 che è possibile confermare come voto complessivo dell'esame senza sostenere la Prova Orale.
Una Prova Orale Facoltativa condizionata al superamento della Prova Scritta. Nel caso in cui lo studente decida di affrontare la Prova Orale, il voto finale d'esame risulterà da una valutazione complessiva che tiene conto anche della Prova Scritta.

Il docente si riserva la possibilità di rendere obbligatoria la prova orale nel caso in cui lo ritenga necessario.
Lo svolgimento di un Progetto Facoltativo assegnato durante il Corso dà diritto ad un Bonus fino a 3 punti sul voto finale d'esame, se il progetto viene svolto correttamente ed opportunamente documentato da una breve relazione.
Per l'ammissione alla prova scritta è indispensabile iscriversi alle apposite liste elettroniche attraverso il servizio Esse3 almeno due giorni lavorativi prima della data di svolgimento della prova.

Il calendario delle prove scritte è accessibile presso la Presidenza della Facoltà.


Organizzazione delle Esercitazioni

Le esercitazioni di laboratorio sono basate sull'uso del simulatore circuitale PSPICE e tipicamente riguardano lo studio di un circuito proposto e brevemente introdotto dal docente. Lo scopo di queste esercitazioni è duplice. In primo luogo si intende familiarizzare lo studente con strumenti di Computer Aided Design (CAD), il cui utilizzo rappresenta una prassi consolidata nella progettazione di circuiti elettronici sia digitali che analogici. Inoltre, l'uso di un simulatore numerico consentirà di verificare i limiti di validità dell'analisi manuale dei circuiti, nonchè di approfondire i concetti esposti nelle lezioni svolte in aula.

Anche se le linee guida per lo svolgimento delle esercitazioni sarà fornito dal docente, lo studente è invitato a svolgerle in piena autonomia anche per acquisire gli strumenti necessari allo svolgimento del Progetto proposto durante il Corso.

I giorni e le ore di svolgimento delle Esercitazioni di Laboratorio saranno decise durante lo svolgimento del Corso.


Testi consigliati ed Ausilii Didattici

Il libro del docente:

David Esseni "Fondamenti di Circuiti Digitali Integrati CMOS", SGEditoriali, Padova 2006.

fornisce una trattazione degli argomenti di tutti gli argomenti del corso del tutto aderente alle lezioni. Si vedano anche le indicazioni bibliografiche del libro per ulteriori riferimenti bibliografici. Inoltre il suddetto volume copre anche buona parte del corso di Complementi di Elettronica II. Gli Errata Corrige alla prima stampa del libro del Gennaio 2006 sono disponibili anche Online.
Il testo di Rabaey, Chandrakasan e B.Nikolic

Jan M.Rabaey, A.Chandrakasan and B.Nikolic "Digital Integrated Circuits", Prentice Hall - Second Edition.

e' un ottimo riferimento in lingua inglese, che ha peraltro un indice degli argomenti trattati ben piu' ampio di quelli trattati nel corso. Il libro è corredato da un Sito Web molto ricco di materiale didattico, inclusi i file dei lucidi relativi a molti capitoli del libro.
Allo scopo di avere un materiale completo per la preparazione dell'esame, si consiglia allo studente di frequentare regolarmente le lezioni prendendo appunti autonomamente. Per quanto riguarda gli esercizi sui Gate digitali in preparazione alla Prova Scritta si consigliano:

E.Franchi e L.Selmi, "Esercizi di Esame di Elettronica Digitale", Patron
P.Olivo e M.Favalli, "Esercizi di Elettronica Digitale", Esculapio

Si ricorda comunque allo studente che, a partire dall'Anno Accademico 2002-03, la formula della Prova Scritta sarà parzialmente rinnovata. Si consiglia quindi di riferirsi anche ai Testi degli Esami e agli Homework assegnati negli anni precedenti (quando disponibili) come utili test di preparazione.
Altri testi di utile consultazione per i Gate di tipo digitale, e disponibili in lingua italiana, sono:

P.U.Calzolari e G.Masetti, "Elettronica dei sistemi digitali", Pitagora Editrice, Bologna
B.Riccò, F. Fantini, P. Brambilla, "Introduzione ai circuiti integrati digitali", Zanichelli Telettra

Per una trattazione del Transistore MOS più estesa ed approfondita di quanto presentato nelle lezioni, o comunque come utile consultazione per quanto riguarda i modelli di dispositivi a semiconduttore, si consigliano:

Yannis Tsividis, "Operation and Modeling of the MOS transistor", McGraw Hill
R.S.Muller, T.I.Kamins, "Device electronics for Integrated circuits", SECOND EDITION, Wiley (edito in italiano da Boringhieri)
Baccarani G., "Dispositivi MOS", Patron.

Come ulteriori ausilii didattici al corso, si fornisce agli studenti la distribuzione del simulatore circuitale PSPICE versione Classroom ed una Guida Rapida al suo uso. Il simulatore SPICE sarà lo strumento utilizzato per le Esercitazioni di Laboratorio durante il Corso. Lo studente è inoltre invitato a farne anche un uso autonomo (a casa o nei laboratori di Facoltà) anche per prepararsi allo svolgimento del Progetto proposto durante il Corso.
Analogamente, si offre agli studenti interessati la distribuzione del Software didattico per il Layout e la Progettazione di semplici circuiti integrati MicroWind2. ed il supporto di una Guida Online all'utilizzo del suddetto Software.


Distribuzione Software per la Didattica

Simulatore Circuitale PSPICE

Layout Editor e Simulatore Circuitale Microwind2

Testi di alcuni compiti d'esame

2 Dicembre 2002
16 Dicembre 2002
17 Marzo 2003
18 Giugno 2003
24 Giugno 2003
8 Luglio 2003
9 Settembre 2003
23 Settembre 2003
14 Giugno 2004
Svolgimento e risultati numerici
23 Giugno 2004
Svolgimento e risultati numerici
13 Luglio 2004
Svolgimento e risultati numerici
8 Settembre 2004
Svolgimento e risultati numerici
23 Settembre 2004
Svolgimento e risultati numerici
Svolgimento e risultati numerici
14 Luglio 2005
Svolgimento e risultati numerici
6 Settembre 2005
Svolgimento e risultati numerici
20 Settembre 2005
Svolgimento e risultati numerici
24 Marzo 2006
Svolgimento e risultati numerici
20 Giugno 2006
Svolgimento e risultati numerici
11 Luglio 2006
Svolgimento e risultati numerici
6 Settembre 2006
Svolgimento e risultati numerici
27 Settembre 2006
Svolgimento e risultati numerici
13 Dicembre 2006
Svolgimento e risultati numerici
23 Marzo 2007
Svolgimento e risultati numerici
13 Luglio 2007
Svolgimento e risultati numerici
5 Settembre 2007
Svolgimento e risultati numerici
19 Marzo 2008
Svolgimento e risultati numerici
23 Giugno 2008
Svolgimento e risultati numerici
9 Settembre 2008
Svolgimento e risultati numerici
21 Gennaio 2009
Svolgimento e risultati numerici
18 Giugno 2009
Svolgimento e risultati numerici
08 Luglio 2009
Svolgimento e risultati numerici
26 Gennaio 2010
Svolgimento e risultati numerici

Interazione con il Docente

L'orario ufficiale di Ricevimento Studenti è fissato per mercoledì mattina dalle ore 9 alle ore 11.

Quando presente in studio e compatibilemnte con altri impegni, il Docente è anche disponibile a ricevere gli Studenti in orari diversi, sia durante che al di fuori del Periodo Didattico in cui il Corso viene tenuto.

Per fissare eventuali appuntamenti o per comunicazioni urgenti si consiglia l'uso della Email.

Iscrizione nelle liste degli esami (sistema Esse3)

Sistema Esse3

Risultati delle Prove Scritte

Risultati

Homework

Homework

Specifiche dei Progetti Proposti

Indicazioni e Specifiche per lo svolgimento dei Progetti