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    Luigi ZENI

    Insegnamento di FONDAMENTI DI ELETTRONICA DIGITALE

    Corso di laurea in INGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA

    SSD: ING-INF/01

    CFU: 9,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 72,00

    Periodo di Erogazione: Secondo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Materiali e tecnologie; Tecnologia planare;
    Dispositivi a semiconduttore: Diodo a giunzione, MOSFET e BJT; Introduzione all’elettronica digitale: Elemento logico ideale; Invertitore ideale ed invertitore reale; Proprietà dei circuiti digitali; Grandezze caratteristiche dei circuiti digitali; Panoramica delle famiglie logiche; Confronto tra prestazioni delle diverse famiglie logiche;
    Famiglia logica NMOS; Porte elementari NMOS.
    Famiglia logica CMOS; Porte elementari CMOS;
    Famiglia logica TTL; Porte elementari TTL. Logica di tipo Schottky (cenni) Famiglia logica ECL; Porte elementari ECL; Interfacciamento di famiglie logiche differenti:
    Logica cablata; Porte a tre stati; Logica BiCMOS; Memorie a semiconduttore; Amplificatori di lettura; Dispositivi logici programmabili.

    Testi di riferimento

    Microelettronica 2/ed Parte 3 – Elettronica Digitale Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock , McGraw-Hill -2004-
    Microelettronica 3/ed Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock , McGraw-Hill - 2008-
    Elettronica Digitale 3/ed Paolo Spirito, McGraw-Hill -2006-
    Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock, McGraw-Hill
    Microelettronica V/ed -2018-

    Obiettivi formativi

    Fornire gli elementi base del funzionamento dei dispositivi a semiconduttore e le metodologie di progettazione e analisi dei circuiti digitali, dal semplice invertitore ai circuiti logici complessi

    Prerequisiti

    Elettrotecnica

    Metodologie didattiche

    Lezioni frontali e esercitazioni in aula

    Metodi di valutazione

    Prova scritta e prova orale (facoltativa)

    Altre informazioni

    Trasparenze delle lezioni rese disponibili dal docente.

    Programma del corso

    Materiali e tecnologie: Materiali semiconduttori e cenni sulle tecnologie di fabbricazione dei circuiti integrati: Tecnologia planare.
    Dispositivi a semiconduttore: Diodo a giunzione, MOSFET e BJT: Funzionamento ed equazioni caratteristiche.
    Introduzione all’elettronica digitale: Elemento logico ideale. Invertitore ideale ed invertitore reale. Proprietà dei circuiti digitali. Grandezze caratteristiche dei circuiti digitali: margini di rumore, escursione e soglia logica, fan-in e fan-out, tempi di propagazione, potenza dissipata, prodotto ritardo-potenza dissipata. Panoramica delle famiglie logiche. Confronto tra prestazioni delle diverse famiglie logiche.
    Famiglia logica NMOS:Logica a rapporto. Calcolo dei margini di rumore, della potenza dissipata e dei tempi di propagazione degli invertitori NMOS con carico resistivo, carico ad arricchimento ed a svuotamento. Ottimizzazione dell’area di un invertitore NMOS. Porte elementari NMOS.
    Famiglia logica CMOS: Proprietà della famiglia logica CMOS. Calcolo dei margini di rumore, della potenza dissipata e dei tempi di propagazione dell’invertitore CMOS. Porte elementari CMOS. Buffer di tipo tri-state. Riduzione in scala dei circuiti. Instabilità elettriche nei circuiti CMOS: latch-up e limitazioni nelle tensioni.
    Famiglia logica TTL: Generalità. Invertitore TTL con totem-pole. FAN-IN e FAN-OUT. Tempi di commutazione. Porte elementari TTL. Logica di tipo Schottky (cenni)
    Famiglia logica ECL: Generalità. Invertitore ECL Tempi di commutazione. Porte elementari ECL. Comportamenti non ideali in commutazione.
    Interfacciamento di famiglie logiche differenti: Interfacciamento TTL-CMOS; Interfacciamento CMOS-TTL; Interfacciamento ECL-TTL; Interfacciamento TTL-ECL.
    Logica cablata: Logica cablata in NMOS; Logica cablata in ECL; Logica cablata in TLL; Logica cablata in CMOS; Porte a tre stati; Invertitore CMOS a tre stati; Invertitore TTL a tre stati.
    Logica BiCMOS: Caratteristiche generali della logica BiCMOS; Invertitore BiCMOS; Porte logiche BiCMOS.
    Memorie a semiconduttore: Classificazione ed architettura interna delle memorie. Memorie non volatili a sola lettura (ROM). Celle ROM in tecnologia MOS. Memorie non volatili riprogrammabili (EPROM, EEPROM, Flash). Memorie a lettura e scrittura (SRAM, DRAM): cella statica 6T, cella dinamica 1T. Amplificatori di lettura.
    Dispositivi logici programmabili: Sistemi logici complessi; Definizioni; Interruttori programmabili: classificazione e tipologie; Capacità logica; Programmazione dei PLD (cenni); Struttura dei PLA e dei PAL; Logica in due passi; Terminali di uscita programmabili; PAL sequenziali; Struttura delle macrocelle di uscita; CPLD e FPGA: struttura generale ed esempi di dispositivi commerciali.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Materials and technologies; Planar technology;
    Semiconductor devices. Junction diode, MOSFET and BJT; Introduction to digital electronics; Ideal logic gate; Ideal and real inverters; Characteristics of digital circuits; Overview of logic families; Comparison of logic families characteristics; NMOS family; Basic NMOS gates;
    CMOS family; Basic CMOS gates;
    TTL family; Basic TTL gates; TTL Schottky;
    ECL family;
    Interfacing logic families;
    Wired logic; Tri-state gates;
    BiCMOS family;
    Semiconductor memory circuit; Programmable logic devices.

    Textbook and course materials

    Microelettronica 2/ed Parte 3 – Elettronica Digitale Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock , McGraw-Hill -2004-
    Microelettronica 3/ed Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock , McGraw-Hill - 2008-
    Elettronica Digitale 3/ed Paolo Spirito, McGraw-Hill -2006-Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock, McGraw-Hill
    Microelettronica V/ed -2018-

    Course objectives

    Basic elements of semiconductor devices and methodologies for design and analysis of digital circuits, from the inverter to complex digital circuits

    Prerequisites

    Electrical circuits theory

    Teaching methods

    Classroom lessons and exercises

    Evaluation methods

    Written test and discussion (discretionary)

    Other information

    Slides of the lessons made available by the teacher.

    Course Syllabus

    Materials and technologies. Semiconductor materials and elements of integrated circuits fabrication technologies: Planar technology
    Semiconductor devices. Junction diode, MOSFET and BJT: Working principles and basic equations.
    Introduction to digital electronics: Ideal logic gate. Ideal and real inverters. Characteristics of digital circuits: noise margins, logic voltage levels and threshold, fan-in and fan-out, propagation delay, power dissipation, power-delay product. Overview of logic families. Comparison of logic families characteristics.
    NMOS family: Ratioed logic. Determination of noise margins, power dissipation and delay time for NMOS inverters with resistor load, saturated load and depletion load. Optimization of logic gates area. Basic NMOS gates.
    CMOS family: Properties of CMOS family. Determination of noise margins, power dissipation and delay time for CMOS inverters . Basic CMOS gates. Tri-state buffer. Minimum size design of CMOS gates. Latch-up failure mechanism and voltage instabilities.
    TTL family: TTL inverter and standard TTL inverter with totem-pole. fan-in and fan-out . Propagation delay. Basic TTL gates. TTL Schottky.
    ECL family: ECL inverter. Propagation delay. Basic ECL gates. Non ideal switching behavior.
    Interfacing logic families: TTL-CMOS; CMOS-TTL; ECL-TTL; TTL-ECL.
    Wired logic: NMOS wired logic; ECL wired logic; TLL wired logic; CMOS wired logic; Tri-state CMOS inverter; Tri-state TTL inverter.
    BiCMOS family: Characteristics of BiCMOS family; BiCMOS inverter; BiCMOS logic gates.
    Semiconductor memory circuits: Memory tree and architectures. Non volatile memories (ROM). Programmable-erasable non volatile memories (EPROM, EEPROM, Flash). Volatile memory chips (SRAM, DRAM): 6T static cell, 1T dynamic cell. Sense amplifiers.
    Programmable logic devices (PLD): Complex logic devices; Definitions; Programmable switches; Logic capacity; PLD programming tools (hardware description language); PLA and PAL structures; Two-steps logic; Input-Output terminals; Output macro-cells; CPLD and FPGA: general characteristics and examples of commercially available PLDs.

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