ID:
A000515
Durata (ore):
72
CFU:
9
Url:
INGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA/PERCORSO COMUNE Anno: 2
Anno:
2023
Dati Generali
Periodo di attività
Secondo Semestre (26/02/2024 - 17/05/2024)
Syllabus
Obiettivi Formativi
Fornire allo studente una visione globale dell’Elettronica moderna, delle metodologie di analisi e di progetto dei circuiti elettronici digitali, dei dispositivi e tecnologie per la realizzazione dei moderni circuiti integrati.
Sviluppare la capacità di analizzare e progettare, a livello di dispositivo e tecnologia, sistemi logici relativamente complessi in modo analitico e attraverso l’utilizzo di strumenti numerici CAD.
Favorire lo sviluppo dell’autonomia dello studente nella scelta della migliore soluzione architetturale e/o tecnologica del problema sotto esame.
Favorire la capacità di esprimersi con adeguato linguaggio ai fini della corretta comunicazione delle scelte tecniche adottate e dei risultati ottenuti.
Sviluppare l’autonoma capacità di aggiornamento in un settore, come quello delle tecnologie elettroniche per applicazioni digitali, che è caratterizzato da rapida e costante evoluzione tecnologica.
Sviluppare la capacità di analizzare e progettare, a livello di dispositivo e tecnologia, sistemi logici relativamente complessi in modo analitico e attraverso l’utilizzo di strumenti numerici CAD.
Favorire lo sviluppo dell’autonomia dello studente nella scelta della migliore soluzione architetturale e/o tecnologica del problema sotto esame.
Favorire la capacità di esprimersi con adeguato linguaggio ai fini della corretta comunicazione delle scelte tecniche adottate e dei risultati ottenuti.
Sviluppare l’autonoma capacità di aggiornamento in un settore, come quello delle tecnologie elettroniche per applicazioni digitali, che è caratterizzato da rapida e costante evoluzione tecnologica.
Prerequisiti
Reti elettriche lineari; Reti logiche combinatore e sequenziali.
Metodi didattici
Il corso è composto di lezioni (teoria), esercitazioni in aula ed esercitazioni al calcolatore. Le lezioni si svolgono attraverso la proiezione di slide e materiale didattico messo a disposizione dal docente. Le esercitazioni al calcolatore riguardano la simulazione e progettazioni di circuiti digitali.
Verifica Apprendimento
L’esame è composto da tre quesiti ognuno dei quali può avere carattere analitico, progettuale, simulativo e/o teorico e possono richiede l’ausilio di un calcolatore. Due dei tre quesiti vanno risolti e argomentati in forma scritta, il terzo può essere risolto in forma scritta o in forma orale. Nel primo caso la valutazione complessiva satura a 27/30. Al momento dell’iscrizione su ESSE3 lo studente deve aggiungere una nota relativa alla modalità di esame scelta. Durata e valutazione dei quesiti saranno proporzionali alle relative complessità. Per lo svolgimento della prova scritta lo studente deve essere provvisto di carta, penna e di matite/pennarelli colorati per il disegno di layouts. E’ vietato l’utilizzo di appunti/libri e di dispositivi elettronici con l’esclusione di una calcolatrice portatile. In accordo col docente sarà possibile l’utilizzo di calcolatori personali per la parte progettuale che include simulazioni e disegno di layouts. Il docente si riserva di convocare gli studenti per chiarimenti sulla parte scritta/ progetto al calcolatore.
In alternativa, è possibile sostenere l’esame attraverso la realizzazione di progetto e di un esame orale. Il progetto include la progettazione circuitale, la simulazione e il disegno di stick diagrams e layouts. Il progetto va richiesto con sufficiente anticipo al docente per email (almeno due settimane prima della data di esame su ESSE3) e per la sua realizzazione è concesso un tempo che varia in relazione alla complessità, tipicamente 48 ore dalla assegnazione che avviene tramite email del docente. La consegna avviene in formato elettronico e include una relazione e i relativi files di simulazione e layouts. L'esame orale include la discussione (verifica) del progetto ed una seconda domanda generica sul programma (non necessariamente contestuali).
In alternativa, è possibile sostenere l’esame attraverso la realizzazione di progetto e di un esame orale. Il progetto include la progettazione circuitale, la simulazione e il disegno di stick diagrams e layouts. Il progetto va richiesto con sufficiente anticipo al docente per email (almeno due settimane prima della data di esame su ESSE3) e per la sua realizzazione è concesso un tempo che varia in relazione alla complessità, tipicamente 48 ore dalla assegnazione che avviene tramite email del docente. La consegna avviene in formato elettronico e include una relazione e i relativi files di simulazione e layouts. L'esame orale include la discussione (verifica) del progetto ed una seconda domanda generica sul programma (non necessariamente contestuali).
Testi
- Microelettronica, 5ed, R.C. Jaeger, T. N. Blalock, Mc Graw Hill.
- CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, R. J. Baker, Wiley
- materiale didattico fornito dal docente
- CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, R. J. Baker, Wiley
- materiale didattico fornito dal docente
Contenuti
INTRODUZIONE. Introduzione all’Elettronica e cenni storici, evoluzione del transistor e dei primi calcolatori. Richiami di teoria delle reti elettriche lineari: relazioni costitutive, caratteristica corrente-tensione, componenti e reti lineari e non lineari, analisi in DC e caratteristiche di trasferimento, risposta dinamica: tempi di ritardo, salita e discesa. La simulazione circuitale con SPICE: storia e struttura del simulatore, descrizione del circuito, elementi circuitali implementati e modelli dei componenti, parametri e sotto-circuiti, stimoli transitori, comandi e classi di simulazione, analisi parametrica, esempi.
MATERIALI PER L’ELETTRONICA INTEGRATA. Materiali omogenei: semiconduttori, isolanti e metalli, moto termico e bande di energia, elettroni, lacune e concentrazione intrinseca, semiconduttori drogati, legge di azione di massa, neutralità di carica e concentrazione dei portatori, mobilità, conducibilità e resistività, corrente di deriva, saturazione di velocità e legge di Ohm. Resistori integrati: sheet resistance, design e modello SPICE. Interconnessioni in metallo ed elettromigrazione. Materiali non omogenei: corrente di diffusione e trasporto di carica drift/diffusion, trasporto nei metalli e nei semiconduttori. Giunzione pn: regione di svuotamento, polarizzazione diretta e inversa, modello di Shockley, caratteristica IV reale: resistenza serie, corrente inversa, breakdown, capacità di giunzione e di diffusione. Giunzione metallo-semiconduttore. Processi tecnologici per la fabbricazione dei circuiti integrati: tecnologia del substrato, epitassia e crescita, ossidazione, fotolitografia, etching, deposizione di film, drogaggio per diffusione e impiantazione ionica. Interconnessioni: resistenza e capacità di linea, modello RC distribuito.
IL TRANSISTOR MOSFET. la struttura MOS: regioni di funzionamento, tensione di soglia e caratteristica CV; struttura e tecnologia del transistor MOSFET planare in tecnologia poly-Silicon Gate. Funzionamento del MOSFET: meccanismi di conduzione e caratteristiche corrente-tensione, effetto body, correnti di leakage, effetti capacitivi e modello di Meyer, modello SPICE, analisi dei circuiti in DC, transistor di tipo P e a svuotamento.
INTRODUZIONE ALL’ELETTRONICA DIGITALE: porte logiche ideali e reali; definizione dei livelli logici e margini di rumore; fan in/out; riposta dinamica: tempi di salita, discesa, ritardo di propagazione; dissipazione di potenza statica e dinamica; prodotto ritardo-potenza; ring-oscillator; modello digitale del MOSFET.
ANALISI E DESIGN DI CIRCUITI DIGITALI NMOS. Invertitore NMOS: caratteristica di trasferimento, risposta dinamica; potenza dissipata, power e delay scaling. Analisi, progetto e simulazione di invertitori NMOS con carico resistivo, in saturazione, in triodo, a svuotamento, con PMOS. Tecnologia PMOS. Analisi, design e simulazione di porte logiche NMOS a standard cells e complex gates. Porte di trasmissione NMOS/PMOS.
ANALISI E DESIGN DI CIRCUITI DIGITALI CMOS. Invertitore CMOS: tecnologia e steps di processo, caratteristica di trasferimento, risposta dinamica, potenza dissipata. Analisi, design e simulazione di porte logiche CMOS: standard cells e complex gates. Circuiti di buffer. Porta di trasmissione CMOS. Applicazioni delle porte di trasmissione: block selector, tri-state, path selector, mux-demux, transistor switch array, logica ad interruttori. Circuiti in logica dinamica: PE, Domino, NP logic.
MEMORIE MOS. Elementi di memoria in logica statica: latch D e meta-stabilità, latch SR NOR/NAND, latch D a porte di trasmissione, flip flop (FF) D Master-Slave. Elementi di memoria in logica dinamica: FF-D Master-Slave dinamico, clock timing, clock a due e quattro fasi. Memorie RAM: array e circuiti di periferia, decoder riga/colonna, drivers e sense amplifiers. Celle di memoria SRAM (6T) e DRAM (1T-1C): scaling, analisi e simulazione delle operazioni di lettura e scrittura. Memorie non volatili: ROM, PROM, Floating Gate e architettura NOR/NAND Flash.
DESIGN E LAYOUT DEI CIRCUITI INTEGRATI. Regole di layout e progetto MOSIS. Software per il disegno dei circuiti integrati. Layers dei circuiti integrati: cross-section, layout di maschera, design rules e parassiti di linea. Resistori integrati: well e poly resistors, voltage divider. Condensatori integrati: poly e metal capacitors. MOSFET layout e parassiti. Chip design: standard cell e custom design, standard cell frame, power/signal routing, crosstalk e decoupling capacitor, bonding Pad, Padframe. Stick diagrams: routing e design rules. Esempi di layout e stick diagrams in logica NOR/NAND e a porte di trasmissione.
MATERIALI PER L’ELETTRONICA INTEGRATA. Materiali omogenei: semiconduttori, isolanti e metalli, moto termico e bande di energia, elettroni, lacune e concentrazione intrinseca, semiconduttori drogati, legge di azione di massa, neutralità di carica e concentrazione dei portatori, mobilità, conducibilità e resistività, corrente di deriva, saturazione di velocità e legge di Ohm. Resistori integrati: sheet resistance, design e modello SPICE. Interconnessioni in metallo ed elettromigrazione. Materiali non omogenei: corrente di diffusione e trasporto di carica drift/diffusion, trasporto nei metalli e nei semiconduttori. Giunzione pn: regione di svuotamento, polarizzazione diretta e inversa, modello di Shockley, caratteristica IV reale: resistenza serie, corrente inversa, breakdown, capacità di giunzione e di diffusione. Giunzione metallo-semiconduttore. Processi tecnologici per la fabbricazione dei circuiti integrati: tecnologia del substrato, epitassia e crescita, ossidazione, fotolitografia, etching, deposizione di film, drogaggio per diffusione e impiantazione ionica. Interconnessioni: resistenza e capacità di linea, modello RC distribuito.
IL TRANSISTOR MOSFET. la struttura MOS: regioni di funzionamento, tensione di soglia e caratteristica CV; struttura e tecnologia del transistor MOSFET planare in tecnologia poly-Silicon Gate. Funzionamento del MOSFET: meccanismi di conduzione e caratteristiche corrente-tensione, effetto body, correnti di leakage, effetti capacitivi e modello di Meyer, modello SPICE, analisi dei circuiti in DC, transistor di tipo P e a svuotamento.
INTRODUZIONE ALL’ELETTRONICA DIGITALE: porte logiche ideali e reali; definizione dei livelli logici e margini di rumore; fan in/out; riposta dinamica: tempi di salita, discesa, ritardo di propagazione; dissipazione di potenza statica e dinamica; prodotto ritardo-potenza; ring-oscillator; modello digitale del MOSFET.
ANALISI E DESIGN DI CIRCUITI DIGITALI NMOS. Invertitore NMOS: caratteristica di trasferimento, risposta dinamica; potenza dissipata, power e delay scaling. Analisi, progetto e simulazione di invertitori NMOS con carico resistivo, in saturazione, in triodo, a svuotamento, con PMOS. Tecnologia PMOS. Analisi, design e simulazione di porte logiche NMOS a standard cells e complex gates. Porte di trasmissione NMOS/PMOS.
ANALISI E DESIGN DI CIRCUITI DIGITALI CMOS. Invertitore CMOS: tecnologia e steps di processo, caratteristica di trasferimento, risposta dinamica, potenza dissipata. Analisi, design e simulazione di porte logiche CMOS: standard cells e complex gates. Circuiti di buffer. Porta di trasmissione CMOS. Applicazioni delle porte di trasmissione: block selector, tri-state, path selector, mux-demux, transistor switch array, logica ad interruttori. Circuiti in logica dinamica: PE, Domino, NP logic.
MEMORIE MOS. Elementi di memoria in logica statica: latch D e meta-stabilità, latch SR NOR/NAND, latch D a porte di trasmissione, flip flop (FF) D Master-Slave. Elementi di memoria in logica dinamica: FF-D Master-Slave dinamico, clock timing, clock a due e quattro fasi. Memorie RAM: array e circuiti di periferia, decoder riga/colonna, drivers e sense amplifiers. Celle di memoria SRAM (6T) e DRAM (1T-1C): scaling, analisi e simulazione delle operazioni di lettura e scrittura. Memorie non volatili: ROM, PROM, Floating Gate e architettura NOR/NAND Flash.
DESIGN E LAYOUT DEI CIRCUITI INTEGRATI. Regole di layout e progetto MOSIS. Software per il disegno dei circuiti integrati. Layers dei circuiti integrati: cross-section, layout di maschera, design rules e parassiti di linea. Resistori integrati: well e poly resistors, voltage divider. Condensatori integrati: poly e metal capacitors. MOSFET layout e parassiti. Chip design: standard cell e custom design, standard cell frame, power/signal routing, crosstalk e decoupling capacitor, bonding Pad, Padframe. Stick diagrams: routing e design rules. Esempi di layout e stick diagrams in logica NOR/NAND e a porte di trasmissione.
Lingua Insegnamento
ITALIANO
Corsi
Corsi
3 anni
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Persone
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