ELETTRONICA 2 - a.a. 2018/2019 ============================== (prof. Sergio Carrato) Il corso e’ costituito da 3 parti, tutte da 3 cfu Obiettivi formativi: fornire agli studenti alcuni importanti nozioni di elettronica non incluse nel corso di base, in particolare riguardo i dispositivi elettronici, le FPGA, lo sviluppo di strumentazione elettronica avanzata. Programma del corso =================== Parte prima: dispositivi elettronici (prof. Carrato, 3 cfu) ------------------------------------------------------------- Elementi di fisica dello stato solido [Fonstad, Sze02, Singh, Ghione] La giunzione pn [Sze02, cap. 4]. Il BJT. La "giunzione" MOS [Pierret, pp. 31--46] ed il transistor MOSFET [Calzolari]. Tecnologia di produzione dei circuiti integrati: produzione del silicio, fotolitografia, crescita e rimozione dell'ossido, diffusione ed impiantazione ionica, deposizione del silicio, metallizzazioni, assemblaggio [Hastings, cap. 2; Ghione]. Tre processi: standard bipolar, polysilicon-gate CMOS, analog BiCMOS (cenno) [Hastings, cap. 3]. Bunnysuit (cenno). Lo scalaggio negli IC [Fonstad, pp. 580--585]. Deviazioni dal modello ideale [Fonstad, pp. 151-154, 203-207, 275-285]. Cenno a: giunzione Shottky [Singh, cap. 6], MESFET [Mayer, cap. 5.7], dispositivi di potenza [Singh, cap. 7.5.7; Sze02, cap. 6.7; Boylestad, cap. 21]. Parte seconda: FPGA (prof. Marsi, 3 cfu) --------------------------------------------------------------------------------------- I circuiti logici dai PAL alle FPGA Panoramica sui dispositivi programmabili e le tecnologie realizzative di memorie. Logiche programmabili a due livelli (PAL, PLA, ROM). PAL e PLA Avanzate, CPLD. Architettura e potenzialità di una XC9500. Struttura di una FPGA. Architettura e potenzialità di una XC4000 di Xilinx e di una Ciclone II di Altera. Tecniche e metodologie per la configurazione di una FPGA. La scheda DE1 Architettura e periferiche collegate. Sistema di sviluppo per la configurazione ed il test della scheda. Descrizione ed analisi dei dispositivi montati sulla scheda. Protocolli di comunicazione (PS2 – I2C). Tecniche di progetto Analisi e confronto tra varie tecniche (schematico, HDL, Diagrammi) Descrizione a diversi livelli di astrazione. Simulazione comportamentale, Sintesi e simulazione Post-Layout. Linguaggio di descrizione Hardware (Verilog HDL) Struttura e sintassi del Verilog HDL Il Verilog HDL ed i livelli di astrazione La sintetizzabilita' del sorgente Verilog HDL Il Processore NIOS II Struttura e funzionamento. Realizzazione di periferiche ed integrazione delle stesse sul processore. Realizzazione di sistemi con progettazione congiunta hardware-software. Utilizzo del processore per la realizzazione di algoritmi di elaborazione di segnali audio. Bus di comunicazione Avalon Memory Master ed Avalon Streaming. Utilizzo degli interrupt. Strumenti di sviluppo Utilizzo degli strumenti di progettazione atti a customizzare il processore e ad integrarvi interfacce opportune. Sviluppo delle HAL (Hardware abstraction Layer). Strumenti di compilazione e di debugging Argomenti complementari: Struttura e funzionamento delle memorie (SRAM, SDRAM, FLASH). Considerazioni sulla testabilità e la realizzazione di circuiti configurati a tale scopo, standard JTAG, funzionamento ed applicazioni. Strumenti aggiuntivi utili al progetto dei circuiti integrati, analisi dei tempi di ritardo (timing closure) e soluzione di problemi ad essi collegati. Parte terza: laboratorio di elettronica e strumentazione avanzata per la ricerca (dr. Cautero, 3 cfu) ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Il modulo “Laboratorio di elettronica avanzata e strumentazione per la ricerca” si sviluppa attorno alla progettazione ed alla realizzazione finale di uno strumento necessario per lo svolgimento di un esperimento. Parte quindi da esigenze reali e si conclude con la realizzazione di uno strumento vero e proprio che, nelle intenzioni degli studenti e nelle speranze dei docenti e committenti, dovrà risolvere i problemi tecnici che all’inizio del corso verranno posti. I passi che verranno seguiti sono, molto sommariamente, i seguenti: • verrà inizialmente presentato da alcuni specialisti nel settore specifico “il problema da risolvere” (tipicamente un esperimento di chimica/fisica collegato alle beamlines di Elettra, ma possibilmente anche qualche misura effettuata nei laboratori di biologia molecolare), • quindi verranno forniti, attraverso alcuni cicli di lezioni (descritte più avanti) gli strumenti necessari per lo sviluppo del dispositivo • ed infine gli studenti dovranno cimentarsi, mettendo alla prova quanto appreso, nello sviluppo vero e proprio dello strumento. Il risultato finale del corso e' quindi, oltre al tradizionale “trasferimento di conoscenza”, un dispositivo concreto, utilizzabile nell'ambito di una tematica tecnico-scientifica di attualità. In genere lo strumento di anno in anno sarà diverso ed inerente a problemi sempre “originali”. Propedeuticita' --------------- Elettrotecnica, Fisica 2, Elettronica, Reti logiche. Esame ===== Ogni parte ha il suo orale. Il voto finale e' dato, ovviamente, dalla media dei voti delle parti (i pesi delle parti sono uguali), e viene registrato dal titolare del corso. Testi ===== Per la parte prima -------------------- Boylestad, Nashelsky, "Electronic devices and circuit theory", Prentice Hall, 1996 (Bibl. Deei 04/E/0076). Pier Ugo Calzolari, Sergio Graffi, "Elementi di elettronica" Zanichelli, 1984 (Bibl. Tecn. Sc. 21a / 0175) Feldman, "The Physics and circuit properties of transistors", John Wiley & Sons, ?? (fotocopie presso prof. Carrato) Fonstad, ``Microelectronic devices and circuits'', McGraw-Hill, 1994 (Bibl. Tecn. Sc. XXIa/186). Ghione, ``Dispositivi per la microelettronica, Mc Graw-Hill, 1998 (Bibl. Tecn. Sc. XXIa/192/bis). Gray et al., "Physical Electronics and circuit models of transistors", John Wiley & Sons, ?? (Bibl. Deei II/F/78II e IV/B/35/II) A. Hastings, "The art of analog layout", Prentice Hall, 2001 (Bibl. Tecn. Sc. 21b/0021). Horowitz, Hill, The art of electronics, 3rd edition (Bibl. Tecn. Sc. 21a/0155) Chenming C. Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, Prentice-Hall, 2009 (Bibl. Tecn. Sc. 21a / 0252) H. Kaeslin, ``Digital Integrated Circuit Design'', Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2008 (Bibl. Tecn. Sc. 20a / 0158). Mayer, Lau, "Electronic Material Science: For Integrated Circuits inSi and GaAs", MacMillan Publishing Company, New York, 1990 (Bibl. Tecn. Sc. 21a/0218) Neamen, "Semiconductor physics & devices", Irwin/McGraw-Hill, 1997 (Bibl. Tecn. Sc. 21a/0198). K. G. Nichols and E. V. Vernon, "Transistor physics", Chapman and Hall, 1966 (Bibl. Tecn. Sc. 21a / 0063) Pierret, Field effect devices, 2nd edition, Addison-Wesley (Bibl. Tecn. Sc. 21a/0222). Pierret, Advanced semiconductor fundamentals, 2nd edition, Prentice Hall, 2002 (Bibl. Tecn. Sc. 21a/0220) B. Razavi, Design of analog CMOS integrated circuits, McGraw-Hill, 2001 (Bibl. Tecn. Sc. 21b/0025) Seidman, ``Integrated circuits applications handbook'', John Wiley & Sons (Bibl. Deei 4/B/96). Singh, ``Semiconductor devices'', McGraw-Hill, 1994 (Bibl. Tecn. Sc. XXIa/197) Sze02, ``Semiconductor devices, physics and technology'', 2nd edition, John Wiley & Sons, 2002 (Bibl. Tecn. Sc. 21/a/225). Tuinenga, ``SPICE: a guide to circuit simulation and analysis using PSpice'', Prentice Hall, 1992 (Bibl. Tecn. Sc. XXib/13). Uyemura, ``Physical design of CMOS integrated circuits using L-EDIT'', PWS publishing company, 1995 (Bibl. Tecn. Sc. XXIb/0018). Bart Van Zeghbroeck, ``Principles of semiconductor devices'', http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/title.htm Application notes varie (Analog Devices, Texas Instruments, National...) disponibili sul sito web di Sergio Carrato.