Ing. Massimo Poli – diapositiva 1 Elettronica digitale, analogica e di potenza Lelettronica nel suo complesso è suddivisibile in tre grandi settori: elettronica

ing. Massimo Poli – diapositiva ing. Massimo Poli – diapositiva 11

Elettronica digitale, analogica e di potenzaElettronica digitale, analogica e di potenzaL’elettronica nel suo complesso è suddivisibile in tre grandi settori: elettronica digitale, L’elettronica nel suo complesso è suddivisibile in tre grandi settori: elettronica digitale, elettronica analogica e elettronica di potenza. L’elettronica digitale tratta segnali elettronica analogica e elettronica di potenza. L’elettronica digitale tratta segnali discreti; mentre sia l’elettronica analogica sia l’elettronica di potenza trattano segnali discreti; mentre sia l’elettronica analogica sia l’elettronica di potenza trattano segnali analogici con la principale differenza che quest’ultima opera a potenze decisamente più analogici con la principale differenza che quest’ultima opera a potenze decisamente più alte rispetto alla precedente. Lo schema di un circuito elettronico utilizzato in una alte rispetto alla precedente. Lo schema di un circuito elettronico utilizzato in una buona parte delle odierne applicazioni è il seguente:buona parte delle odierne applicazioni è il seguente:

Come si nota dalla schematizzazione (che non ha alcuna pretesa di rappresentare un Come si nota dalla schematizzazione (che non ha alcuna pretesa di rappresentare un circuito elettronico totalmente generale) i tre settori interagiscono e svolgono le circuito elettronico totalmente generale) i tre settori interagiscono e svolgono le funzioni a cui sono più adatti. Ovviamente per passare dal mondo del “continuo” funzioni a cui sono più adatti. Ovviamente per passare dal mondo del “continuo” (analogico) a quello del discreto (digitale) sono necessari dei convertitori chiamati (analogico) a quello del discreto (digitale) sono necessari dei convertitori chiamati convertitori Analogicoconvertitori Analogico--Digitale (A/D) e Digitale-Analogico (D/A) che trasformano, Digitale (A/D) e Digitale-Analogico (D/A) che trasformano, rispettivamente, un segnale analogico in un segnale discreto e viceversa.rispettivamente, un segnale analogico in un segnale discreto e viceversa.

elettronica analogicaelettronica analogica elettronica digitaleelettronica digitale elettronica di potenzaelettronica di potenza

Condizio-namento

ConvertitoreA/D

ConvertitoreD/A

Elaborazione PotenzaSensori Attuatori


Alcune caratteristiche importanti dei settori Alcune caratteristiche importanti dei settori dell’elettronicadell’elettronica

SettoreSettore

DigitaleDigitale AnalogicoAnalogico PotenzaPotenza

Potenza istantaneaPotenza istantanea ●● ● ●● ● ● ● ●● ● ●

Potenza mediaPotenza media ● ●● ● ● ●● ● ● ● ●● ● ●

Corrente di picco ripetitivaCorrente di picco ripetitiva ●● ●● ● ● ●● ● ●

Corrente di picco non ripetitivaCorrente di picco non ripetitiva ●● ●● ● ● ●● ● ●

FrequenzaFrequenza ● ● ●● ● ● ● ●● ● ●●

Scala di integrazioneScala di integrazione ● ● ●● ● ● ●● ●●

RumoreRumore ●● ● ● ●● ● ● ●●

Sensibilità alle condizioni operativeSensibilità alle condizioni operative ●● ● ● ●● ● ● ● ●● ●

Rendimento di conversioneRendimento di conversione ●● ● ●● ● ● ● ●● ● ●

Tolleranze di processoTolleranze di processo ●● ● ● ●● ● ● ●●

LinearitàLinearità ●● ● ● ●● ● ● ●●

Limiti operativi in corrente e Limiti operativi in corrente e tensionetensione

●● ● ●● ● ● ●● ●


Convertitore analogico-digitaleConvertitore analogico-digitaleIl convertitore analogico-digitale (abbreviato come ADC, A/D) è un circuito elettronico Il convertitore analogico-digitale (abbreviato come ADC, A/D) è un circuito elettronico il cui scopo è quello di convertire segnali analogici (tensione, corrente, carica elettrica) il cui scopo è quello di convertire segnali analogici (tensione, corrente, carica elettrica) in segnali discreti (digitali). La conversione analogico-digitale si compone di due passi: in segnali discreti (digitali). La conversione analogico-digitale si compone di due passi: campionamento e quantizzazione.campionamento e quantizzazione.

Il campionamento è l’operazione mediante la quale si estraggono campioni del segnale Il campionamento è l’operazione mediante la quale si estraggono campioni del segnale ad intervalli di tempo regolariad intervalli di tempo regolari

Detta Detta ffHH la massima frequenza del segnale [ la massima frequenza del segnale [ss((tt)] da campionare, dal segnale campionato )] da campionare, dal segnale campionato

[[sscc((tt)] è ricostruibile il segnale originario se e solo se la frequenza di campionamento )] è ricostruibile il segnale originario se e solo se la frequenza di campionamento

((ffSS=1/=1/TT) è maggiore di 2 ) è maggiore di 2 ffHH (teorema di Nyquist-Shannon): (teorema di Nyquist-Shannon): ffSS > 2 > 2ffHH. .

T t

s(t)

T t

sc(t)Segnale continuoSegnale continuo Segnale campionatoSegnale campionato


Convertitore analogico-digitaleConvertitore analogico-digitaleDall’operazione di campionamento vengono restituiti campioni “continui” del segnale; Dall’operazione di campionamento vengono restituiti campioni “continui” del segnale; tali valori non possono essere rappresentati in un dominio discreto, dunque devono tali valori non possono essere rappresentati in un dominio discreto, dunque devono essere discretizzati. La quantizzazione è l’operazione che associa ad un insieme essere discretizzati. La quantizzazione è l’operazione che associa ad un insieme continuo (contenente infiniti elementi) un insieme discreto (contenente un numero continuo (contenente infiniti elementi) un insieme discreto (contenente un numero finito di valori) secondo una determinata funzione di quantizzazione.finito di valori) secondo una determinata funzione di quantizzazione.

Nella figura precedente si sono usati 16 livelli di quantizzazione (4 bit=2Nella figura precedente si sono usati 16 livelli di quantizzazione (4 bit=244 livelli) e si è livelli) e si è usata una funzione di quantizzazione che associa ad ogni livello continuo il livello discreto usata una funzione di quantizzazione che associa ad ogni livello continuo il livello discreto più prossimo. Più è alto il numero di bit utilizzati nella quantizzazione e minore è l’errore più prossimo. Più è alto il numero di bit utilizzati nella quantizzazione e minore è l’errore che si commette nella quantizzazione (errore di quantizzazione), cioè si riduce la distanza che si commette nella quantizzazione (errore di quantizzazione), cioè si riduce la distanza media tra il valore campionato e il corrispondente valore quantizzato.media tra il valore campionato e il corrispondente valore quantizzato.

T t

sc(t)Segnale campionatoSegnale campionato

t

sq(t)

0001001000110100010101100111

1001101010111100110111101111

1000

0000

Segnale quantizzatoSegnale quantizzato


Caratteristiche statiche invertitoreCaratteristiche statiche invertitore

►Caratteristica di trasferimento Caratteristica di trasferimento vvoo//vvii

►Soglia logica Soglia logica

►Swing logico di ingressoSwing logico di ingresso

►Swing logico di uscitaSwing logico di uscita

►Margine di rumoreMargine di rumore

vvii vvoo


Caratteristica di trasferimento Caratteristica di trasferimento VVoo//VVii

La caratteristica di trasferimento (f.d.t.) in tensione di un invertitore è la relazione che La caratteristica di trasferimento (f.d.t.) in tensione di un invertitore è la relazione che lega la tensione di uscita lega la tensione di uscita vvoo con la tensione di ingresso con la tensione di ingresso vvii

( )io vfv

K-1K-2 K K+1vi,k-2

vo,k-2 vo,k-1vo,k vo,k+1

vi,k-1 vi,kvi,k+1

La f.d.t. si costruisce a tratti facendo riferimento ad una catena di invertitori ugualiLa f.d.t. si costruisce a tratti facendo riferimento ad una catena di invertitori uguali

( )( ) ( ) ( )( )1,1,11,11,

1,,

kikkkokkikko

kikko

vffvfvfv

vfvkoki vv ,1,


Caratteristica di trasferimento Caratteristica di trasferimento vvoo//vvii

vi,k = vo,k-1

v o,k

= v

i,k+

1

( )kikko vfv ,,

( )1,11, kikko vfv

Le curveLe curve

( )kikko vfv ,,

( )1,11, kikko vfv

A

B

hanno 3 punti di intersezione: A, B, C. Le hanno 3 punti di intersezione: A, B, C. Le coordinate di A e B vengono definite valori coordinate di A e B vengono definite valori di ingresso nominalidi ingresso nominali

oLnomiHnom vvA ,

oHnomiLnom vvB ,C

Le coordinate del punto C, vengono definite Le coordinate del punto C, vengono definite soglia logica (SL), cioè il punto della soglia logica (SL), cioè il punto della caratteristica di un invertitore in cui caratteristica di un invertitore in cui VVoo=V=Vii

oSLiSL vvC ,45°


Swing logicoSwing logico

vi

vo

D

E

Si individuano inoltre i punti D e E tali cheSi individuano inoltre i punti D e E tali che

di coordinatedi coordinate

minmax oHiL ,vvD

maxmin , oLiH vvE

Si definiscono swing logico di ingresso (Si definiscono swing logico di ingresso (IILSLS) e di ) e di uscita (Ouscita (OLSLS) le seguenti grandezze) le seguenti grandezze

( )io vfv

1i

o

dv

dv

viHminviLmax

voHmin

voLmax maxmin iLiHLS vvI

maxmin oLoHLS vvO


Zone operative dell’invertitoreZone operative dell’invertitore

La derivata La derivata dvdvoo//dvdvi i può essere vista come il limite per può essere vista come il limite per vvii che tende a zero del guadagno differenziale di tensione, in altri termini che tende a zero del guadagno differenziale di tensione, in altri termini

i

o

vi

o

v

v

dv

dvi

0lim

Da un punto di vista geometrico, quindi, Da un punto di vista geometrico, quindi, dvdvoo//dvdvii=-1 rappresenta quei punti in cui si ha un guadagno in =-1 rappresenta quei punti in cui si ha un guadagno in tensione unitario e invertente, ovvero quei punti in cui ad una variazione positiva/negativa dell’ingresso tensione unitario e invertente, ovvero quei punti in cui ad una variazione positiva/negativa dell’ingresso corrisponde una uguale variazione negativa/positiva dell’uscita. Da queste considerazioni derivano le corrisponde una uguale variazione negativa/positiva dell’uscita. Da queste considerazioni derivano le seguenti:seguenti:

1i

o

dv

dvSe Se vvii≤≤viLmax oppure vvii≥≥viHmin allora:

in tale zona l’invertitore sopprime i in tale zona l’invertitore sopprime i disturbi (rumore) della tensione di disturbi (rumore) della tensione di ingresso (proprietà rigenerativa)ingresso (proprietà rigenerativa)

1i

o

dv

dvSe Se viLmax ≤≤ vvii≤≤viHmin allora:

in tale zona l’invertitore amplifica la in tale zona l’invertitore amplifica la tensione di ingresso, l’uscita tensione di ingresso, l’uscita dell’invertitore è instabile e tende ad dell’invertitore è instabile e tende ad andare o verso andare o verso vvoLnomoLnom, o verso , o verso vvoHnomoHnom..


Margini di rumoreMargini di rumoreIl rumore nel dominio digitale rappresenta variazioni indesiderate del valore logico di un nodo. Si definisce margine di Il rumore nel dominio digitale rappresenta variazioni indesiderate del valore logico di un nodo. Si definisce margine di rumore di un invertitore il massimo livello di rumore che può essere sostenuto dall’invertitore (un livello maggiore rumore di un invertitore il massimo livello di rumore che può essere sostenuto dall’invertitore (un livello maggiore porta ad un malfunzionamento dell’invertitore e quindi ad un valore indeterminato del nodo di uscita) quando è messo porta ad un malfunzionamento dell’invertitore e quindi ad un valore indeterminato del nodo di uscita) quando è messo in cascata con un altro invertitore uguale.in cascata con un altro invertitore uguale.

vi1

vi2 = vo1

viHminviLmax

voHmin

voLmax

viHmin2

viLmax2

NMH

vo2

NML

I1 I2

vo1= vi2 vo2vi1

Si definisce margine di rumore Si definisce margine di rumore alto (alto (NMNMHH) la differenza) la differenza

2minmin iHoHH vvNM analogamente si definisce analogamente si definisce margine di rumore basso margine di rumore basso ((NMNMLL) la differenza) la differenza

max2max oLiLL vvNM

Dal momento che i due invertitori sono uguali si ha: Dal momento che i due invertitori sono uguali si ha: viHmin2 = viHmin e e viLmax2 = viLmax dunquedunque

minmin iHoHH vvNM maxmax oLiLL vvNM


Significato fisico dei margini di rumoreSignificato fisico dei margini di rumoreSupponiamo che Supponiamo che vvi1i1 sia sia bassobasso ( (vvi1i1≤≤vviLiLmaxmax), di conseguenza ), di conseguenza vvo1o1= v= vi2 i2 è è alto alto ((vvo1o1≥≥vvoHoHminmin, , vvi2 i2 ≥≥vviHiHminmin) e ) e vvo2o2 è è basso basso ((vvo2o2≤≤vvoLoLmaxmax). ). Adesso ipotizziamo che per qualche ragione (rumore) il nodo Adesso ipotizziamo che per qualche ragione (rumore) il nodo vvo1o1 subisca una variazione di tensione superiore a subisca una variazione di tensione superiore a NMNMHH++ e che dunque si posizioni ad un livello pari a e che dunque si posizioni ad un livello pari a vvoEoE. Quale sarà il valore di tensione di uscita . Quale sarà il valore di tensione di uscita vvo2o2? Inizialmente ? Inizialmente vvo2o2 avrà un avrà un valore valore vvo2Eo2E, ma tale valore, come discusso in precedenza, si trova in una zona di instabilità della caratteristica, quindi , ma tale valore, come discusso in precedenza, si trova in una zona di instabilità della caratteristica, quindi dopo un certo transitorio, dopo un certo transitorio, vvo2o2 tenderà o a tenderà o a vvoLnomoLnom oppure a oppure a vvoHnomoHnom. Il problema risiede nel fatto che a priori non è possibile . Il problema risiede nel fatto che a priori non è possibile stabilire a quale valore tende, dando così una indeterminazione funzionale non voluta in un circuito digitale.stabilire a quale valore tende, dando così una indeterminazione funzionale non voluta in un circuito digitale.Da questa breve considerazione si deduce che i margini di rumore sono delle variazioni di tensione superate le quali non Da questa breve considerazione si deduce che i margini di rumore sono delle variazioni di tensione superate le quali non è più garantito il funzionamento del circuito digitale.è più garantito il funzionamento del circuito digitale.

vi1

vi2 = vo1

viHminviLmax

voHmin

voLmax

viHmin2

viLmax2

NMH

vo2

NML

voE

I1 I2

vo1= vi2 vo2vi1

vo2E


Potenza media staticaPotenza media staticaSiano Siano IIoLoL e e IIoHoH rispettivamente le correnti (statiche) erogate dalla tensione di alimentazione rispettivamente le correnti (statiche) erogate dalla tensione di alimentazione VVDDDD in in corrispondenza delle tensioni nominali di uscita corrispondenza delle tensioni nominali di uscita vvoLnomoLnom e v e voHnomoHnom. Si definisce potenza media statica la quantità. Si definisce potenza media statica la quantità

2oHoL

DDST

IIVP

vi

vo

voHnom

voLnom

INV

VDD

IoL

voLnom

INV

VDD

IoH

voHnom


Fan-in e fan-outFan-in e fan-out

►Si definisce fan-in il numero massimo di ingressi ad una Si definisce fan-in il numero massimo di ingressi ad una porta logica che ne garantiscono il funzionamentoporta logica che ne garantiscono il funzionamento

►Si definisce fan-out il numero massimo di porte logiche che Si definisce fan-out il numero massimo di porte logiche che una data porta può pilotare garantendo il suo funzionamentouna data porta può pilotare garantendo il suo funzionamento

INV

Io1

Io2

Ion

Ii1

Ii2

Iim

fan-infan-in fan-outfan-outCon riferimento allo specifico caso riportato in figura, Con riferimento allo specifico caso riportato in figura, entrambe le definizioni sono associate all’invertitore entrambe le definizioni sono associate all’invertitore INVINV; ; in tal caso il fan-in e il fan-out sono, rispettivamente, il in tal caso il fan-in e il fan-out sono, rispettivamente, il numero massimo di invertitori che possono pilotare e numero massimo di invertitori che possono pilotare e essere pilotati da essere pilotati da INVINV mantenendo il suo funzionamento mantenendo il suo funzionamento logico corretto. Ciascun invertitore (così come tutte le logico corretto. Ciascun invertitore (così come tutte le porte logiche) ha una capacità di ingresso e una capacità porte logiche) ha una capacità di ingresso e una capacità di uscita. Le capacità di uscita degli invertitori di uscita. Le capacità di uscita degli invertitori IIi1i1……IIimim contribuisco ad aumentare la capacità in ingresso a contribuisco ad aumentare la capacità in ingresso a INVINV, , mentre quelle di ingresso di mentre quelle di ingresso di IIo1o1……IIonon aumentano la sua aumentano la sua capacità di uscita. Si comprende quindi come capacità di uscita. Si comprende quindi come all’aumentare di all’aumentare di mm e e nn si possa raggiungere un carico si possa raggiungere un carico capacitivo di ingresso/uscita non più sostenibile da capacitivo di ingresso/uscita non più sostenibile da INVINV: : in altri termini trattandosi di un invertitore questo in altri termini trattandosi di un invertitore questo significa che INV non effettuerebbe più correttamente significa che INV non effettuerebbe più correttamente l’inversione dell’ingresso.l’inversione dell’ingresso.


Caratteristiche dinamiche invertitoreCaratteristiche dinamiche invertitore

►Tempo di salitaTempo di salita

►Tempo di discesaTempo di discesa

►Ritardo di salita (tempo di propagazione basso-alto)Ritardo di salita (tempo di propagazione basso-alto)

►Ritardo di discesa (tempo di propagazione alto-basso)Ritardo di discesa (tempo di propagazione alto-basso)

►Ritardo di propagazione (tempo di propagazione)Ritardo di propagazione (tempo di propagazione)

vvii vvoo


Caratteristiche dinamiche invertitoreCaratteristiche dinamiche invertitoreSi consideri un invertitore Si consideri un invertitore kk inserito in una catena di invertitori come riportato in figura. Siano note inserito in una catena di invertitori come riportato in figura. Siano note CCII e e CCOO, ,

rispettivamente la capacità di ingresso e di uscita di tale invertitore, allora è possibile trovare un circuito rispettivamente la capacità di ingresso e di uscita di tale invertitore, allora è possibile trovare un circuito equivalente al precedente sostituendo all’ingresso e all’uscita di equivalente al precedente sostituendo all’ingresso e all’uscita di kk i carichi capacitivi equivalenti ( i carichi capacitivi equivalenti (CCTT e e CCLL):):

k

k+1

k+2

k+n

k-1

k

TIO CCC IOL CnCC

vvii vvoo

vvii vvoo

vvii

vvoo

tt

tt

Ovviamente la presenza di capacità di ingresso e di uscita altera il funzionamento del circuito portando a delle Ovviamente la presenza di capacità di ingresso e di uscita altera il funzionamento del circuito portando a delle distorsioni delle forme d’onda di ingresso e uscita. La capacità distorsioni delle forme d’onda di ingresso e uscita. La capacità CCTT è la somma di due capacità solitamente è la somma di due capacità solitamente

sufficientemente piccole da non causare distorsioni in sufficientemente piccole da non causare distorsioni in vvii, mentre la capacità , mentre la capacità CCLL è tale da causare distorsioni è tale da causare distorsioni

nella forma d’onda di uscita (nella forma d’onda di uscita (vvoo). Chiaramente questo è solo un esempio, a seconda dell’entità dei carichi ). Chiaramente questo è solo un esempio, a seconda dell’entità dei carichi

capacitivi equivalenti si hanno più o meno distorsioni.capacitivi equivalenti si hanno più o meno distorsioni.


Tempi di salita e di discesaTempi di salita e di discesaCon riferimento alla figura, si individuino i punti in cui Con riferimento alla figura, si individuino i punti in cui vvoo è pari al 90% e al 10% della massima escursione in è pari al 90% e al 10% della massima escursione in tensione di uscita (tensione di uscita (vvOH OH - - vvOLOL); ); vvo o raggiunge i suddetti valori rispettivamente nei tempi raggiunge i suddetti valori rispettivamente nei tempi ttf90f90, , ttf10f10 per la transizione per la transizione altoalto--bassobasso e e ttr90r90, , ttr10r10 per quella per quella bassobasso--altoalto..

Si definisce tempo di salita Si definisce tempo di salita ttrr la differenza la differenza ttr90r90--ttr10r10 1090 rrr ttt

Si definisce tempo di discesa Si definisce tempo di discesa ttff la differenza la differenza ttf10f10--ttf90f90 9010 fff ttt

vvii

vvoo tt

ttf90f90 ttf10f10 ttr10r10 ttr90r90

vvOHOH

vvOLOL

tt

vvO90%O90%==vvOLOL++0.0. 9(9(vvOHOH-v-vOLOL))

vvO10%O10%==vvOLOL+0.+0. 1(1(vvOHOH-v-vOLOL))

ttirir ttifif


Esempio di calcolo del tempo di salita/discesaEsempio di calcolo del tempo di salita/discesaIn un modello semplificato dell’invertitore, per il teorema di Thevenin, l’uscita dell’invertitore può essere vista come In un modello semplificato dell’invertitore, per il teorema di Thevenin, l’uscita dell’invertitore può essere vista come un generatore di tensione con in serie una resistenza. Quanto l’uscita dell’invertitore transita da un generatore di tensione con in serie una resistenza. Quanto l’uscita dell’invertitore transita da bassobasso ( (vvOL OL ) a ) a altoalto ( (vvOHOH) ) il generatore di tensione equivalente di Thevenin è pari a il generatore di tensione equivalente di Thevenin è pari a vvOHOH, quanto transita da , quanto transita da alto alto ((vvOHOH) a ) a bassobasso ( (vvOL OL ) il suo valore è ) il suo valore è nullo. Dunque si hanullo. Dunque si ha

k

LC LcEQv

R

Supponendo per semplicità che Supponendo per semplicità che vvOH OH = = VVDDDD e e vvOL OL = 0, il tempo di salita/discesa si calcola come segue.= 0, il tempo di salita/discesa si calcola come segue.

Si noti che l’invertitore è stato modellato con due diverse resistenze equivalenti per la transizione Si noti che l’invertitore è stato modellato con due diverse resistenze equivalenti per la transizione bassobasso--altoalto ( (RRrr) e per quella ) e per quella altoalto--bassobasso ( (RRff) dato che, in generale, non è detto che l’invertitore abbia un comportamento “simmetrico” nelle due transizioni. Nel caso ) dato che, in generale, non è detto che l’invertitore abbia un comportamento “simmetrico” nelle due transizioni. Nel caso in cui l’invertitore sia simmetrico e quindi in cui l’invertitore sia simmetrico e quindi RRr r = = RRf f = = R R si hasi ha

( )( )

( )( ) Lff

LfLfirf

LfLfirfCR

tt

DDO

LrrLrLrifr

LrLrifrCR

tt

DDO

CRtCRCRtt

CRCRtteVv

CRtCRCRtt

CRCRtteVv

Lf

ir

Lr

if

2.23.21.0ln

1.09.0ln

2.21.09.0ln

3.21.0ln1

%10

%90

%10

%90

LcDDV

rR

LcfR

0

DDV

Lfr RCtt 2.2


Ritardi di salita e di discesaRitardi di salita e di discesaAnalogamente a quanto fatto prima, si individuino i punti in cui Analogamente a quanto fatto prima, si individuino i punti in cui vvoo è pari al 50% della massima escursione in è pari al 50% della massima escursione in tensione di uscita (tensione di uscita (vvOH OH - - vvOLOL); ); vvo o raggiunge i suddetti valori rispettivamente nei tempi raggiunge i suddetti valori rispettivamente nei tempi ttofof5050 per la transizione per la transizione altoalto--bassobasso e e ttoror5050 per quella per quella bassobasso--altoalto. Si individuino inoltre i punti in cui . Si individuino inoltre i punti in cui vvii è pari al 50% della massima escursione in è pari al 50% della massima escursione in tensione di ingresso (tensione di ingresso (vvIH IH - - vvILIL); ); vvi i raggiunge i suddetti valori rispettivamente nei tempi raggiunge i suddetti valori rispettivamente nei tempi ttifif5050 per la transizione per la transizione bassobasso--altoalto e e ttirir5050 per quella per quella altoalto--bassobasso ( (vvii è un’onda quadra quindi tali valori coincidono con l’inizio delle transizioni). è un’onda quadra quindi tali valori coincidono con l’inizio delle transizioni).

Si definisce ritardo di salita Si definisce ritardo di salita pLHpLH o o

tempo di propagazione tempo di propagazione bassobasso--altoalto

5050 iforpLH tt Si definisce ritardo di discesa Si definisce ritardo di discesa pHL pHL o o

tempo di propagazione tempo di propagazione altoalto--bassobasso

vvii

vvoo tt

ttofof5050 ttoror5050

vvOHOH

vvOLOL

tt

vvO50%O50%==vvOLOL++0.0. 5(5(vvOHOH-v-vOLOL))

vvIHIH

vvILIL

ttirir5050 ttifif5050

5050 irofpHL tt

pLHpLH pHLpHL

Si definisce inoltre ritardo di propagazione Si definisce inoltre ritardo di propagazione pdpd o tempo di propagazione la quantità o tempo di propagazione la quantità2

pHLpLHpd

Nel caso di invertitore simmetrico si parla solo di tempo di propagazione e si ha Nel caso di invertitore simmetrico si parla solo di tempo di propagazione e si ha pLH pLH = = pHLpHL = = pdpd..


frLpHLpLHpd ttRC3

1

3

169.0

Esempio di calcolo del tempo di propagazioneEsempio di calcolo del tempo di propagazioneCome fatto in precedenza si usa il seguente modello semplificato dell’invertitoreCome fatto in precedenza si usa il seguente modello semplificato dell’invertitore

k

LC LcEQv

R

e per semplicità si suppone che e per semplicità si suppone che vvOH OH = = VVDDDD e e vvOL OL = 0, quindi= 0, quindi

Come nel caso precedente, l’invertitore è stato modellato con due diverse resistenze equivalenti per la transizione Come nel caso precedente, l’invertitore è stato modellato con due diverse resistenze equivalenti per la transizione bassobasso--altoalto ( (RRrr) e per quella ) e per quella altoalto--bassobasso ( (RRff).).

Nel caso in cui l’invertitore sia simmetrico e quindi Nel caso in cui l’invertitore sia simmetrico e quindi RRr r = = RRf f = = RR si ha si ha

( )

( ) LfLfpHLCR

tt

DDO

LrLrpLHCR

tt

DDO

CRCReVv

CRCReVv

Lf

ir

Lr

if

69.05.0ln

69.05.0ln1

50

50

LcDDV

rR

LcfR

0

DDV


Stima della massima frequenza operativaStima della massima frequenza operativaSia Sia TT il periodo ( il periodo (f f = 1/= 1/TT la frequenza) dell’onda quadra in ingresso all’invertitore, quale è il minimo periodo la frequenza) dell’onda quadra in ingresso all’invertitore, quale è il minimo periodo consentito (la massima frequenza consentita) affinché il funzionamento dell’invertitore sia garantito?consentito (la massima frequenza consentita) affinché il funzionamento dell’invertitore sia garantito?Il funzionamento dell’invertitore è garantito quando è possibile ricostruire il segnale digitale di uscita, in altri Il funzionamento dell’invertitore è garantito quando è possibile ricostruire il segnale digitale di uscita, in altri termini quando è possibile discernere lo stato termini quando è possibile discernere lo stato altoalto dell’uscita da quello dell’uscita da quello bassobasso. Dunque è sufficiente garantire . Dunque è sufficiente garantire che una transizione che una transizione bassobasso--altoalto dell’ingresso porti l’uscita al di sotto della soglia logica dell’ingresso porti l’uscita al di sotto della soglia logica vvSLSL e che una e che una transizione transizione altoalto--bassobasso dell’ingresso porti l’uscita al di sopra della soglia logica: da questi punti in poi, dell’ingresso porti l’uscita al di sopra della soglia logica: da questi punti in poi, trovandosi l’uscita in una zona di instabilità, tenderà a convergere verso i punti stabili (trovandosi l’uscita in una zona di instabilità, tenderà a convergere verso i punti stabili ( vvoHnomoHnom, , vvoLnomoLnom) più vicini ) più vicini al valore di tensione iniziale. In realtà, come si è discusso in precedenza, la zona di instabilità non dà assoluta al valore di tensione iniziale. In realtà, come si è discusso in precedenza, la zona di instabilità non dà assoluta garanzia del funzionamento dell’invertitore, quindi il metodo precedente offre una stima per eccesso della garanzia del funzionamento dell’invertitore, quindi il metodo precedente offre una stima per eccesso della massima frequenza operativa. massima frequenza operativa.

vi

vo

voHnom

voLnom

45°

vSL


Stima della massima frequenza operativaStima della massima frequenza operativaUna stima più conservativa (per Una stima più conservativa (per difetto) si può ottenere garantendo difetto) si può ottenere garantendo per l’uscita dell’invertitore un tempo per l’uscita dell’invertitore un tempo maggiore della somma del tempo di maggiore della somma del tempo di salita e del tempo di discesa (salita e del tempo di discesa (ttrr + + ttff); ); in tal caso infatti ci si troverebbe in tal caso infatti ci si troverebbe nella condizione limite in cui l’uscita nella condizione limite in cui l’uscita è molto simile ad un’onda è molto simile ad un’onda triangolare. Dunquetriangolare. Dunque

vvii

vvoo ttTTminmin

ttf90f90 ttr10r10 ttr90r90ttttf10f10

( )frLfr RRCttT 2.2min

Garantendo un ulteriore 20% di margine la stima di Garantendo un ulteriore 20% di margine la stima di TTminmin risulta risulta

( ) ( )frLfrL RRCRRCT 64.22.22.1min

Che nell’ipotesi di invertitore simmetrico divieneChe nell’ipotesi di invertitore simmetrico diviene

LRCT 28.5min


Dissipazione di potenzaDissipazione di potenza

►Numero di dispositivi integrabili per chipNumero di dispositivi integrabili per chip►Tipo di package Tipo di package ►Tipologia di sistema di raffreddamento richiestaTipologia di sistema di raffreddamento richiesta►Massima tensione e massima corrente richiesteMassima tensione e massima corrente richieste

In un circuito digitale (e non solo) la dissipazione di potenza è strettamente legata la calore dissipato dal In un circuito digitale (e non solo) la dissipazione di potenza è strettamente legata la calore dissipato dal circuito e all’energia richiesta da ciascuna operazione, quindi è legata acircuito e all’energia richiesta da ciascuna operazione, quindi è legata a

Mentre il “Numero di dispositivi integrabili per chip” è un problema che riguarda tutte le tipologie di circuiti Mentre il “Numero di dispositivi integrabili per chip” è un problema che riguarda tutte le tipologie di circuiti digitali perché, in genere, si vuole la più alta scala di integrazione possibile, per quanto riguarda gli altri punti digitali perché, in genere, si vuole la più alta scala di integrazione possibile, per quanto riguarda gli altri punti essi sono legati alle applicazioni specifiche. Ad esempio per un circuito digitale che viene utilizzato in un essi sono legati alle applicazioni specifiche. Ad esempio per un circuito digitale che viene utilizzato in un dispositivo portatile sono di primaria importanza il package (più piccolo possibile per ridurre le dimensioni), dispositivo portatile sono di primaria importanza il package (più piccolo possibile per ridurre le dimensioni), la tipologia di raffreddamento (sempre per evitare dimensioni e pesi troppo elevati) e la massima tensione e la tipologia di raffreddamento (sempre per evitare dimensioni e pesi troppo elevati) e la massima tensione e corrente richieste (per consentire una maggiore durata della batteria); mentre per un sistema non portatile è di corrente richieste (per consentire una maggiore durata della batteria); mentre per un sistema non portatile è di primaria importanza la tipologia di raffreddamento (il package non è rilevante in quanto si presume si abbia primaria importanza la tipologia di raffreddamento (il package non è rilevante in quanto si presume si abbia tutto lo spazio che si vuole per realizzare il circuito; la massima tensione e corrente non sono rilevanti perché tutto lo spazio che si vuole per realizzare il circuito; la massima tensione e corrente non sono rilevanti perché si suppone che l’alimentazione provenga dalla tensione di rete). In definitiva, dunque, la dissipazione di si suppone che l’alimentazione provenga dalla tensione di rete). In definitiva, dunque, la dissipazione di potenza coinvolge la realizzabilità, il costo e l’affidabilità di un circuito digitale.potenza coinvolge la realizzabilità, il costo e l’affidabilità di un circuito digitale.


Contributi alla dissipazione di potenzaContributi alla dissipazione di potenzaDato un circuito digitale sia Dato un circuito digitale sia VVaa la tensione di alimentazione (costante) e la tensione di alimentazione (costante) e iiaa((tt) la corrente da essa erogata. ) la corrente da essa erogata. Si definisce potenza istantanea Si definisce potenza istantanea PP((tt) il prodotto) il prodottoVa

ia(t)

Circuitodigitale

( ) ( )tiVtP aa

tale potenza è la potenza erogata, istante per istante, dall’alimentazione. Si definisce potenza di picco tale potenza è la potenza erogata, istante per istante, dall’alimentazione. Si definisce potenza di picco PPpeakpeak il massimo della potenza istantanea o in altri termini il prodotto della massima corrente ( il massimo della potenza istantanea o in altri termini il prodotto della massima corrente (iipeakpeak) ) erogata dall’alimentazione per la tensione di alimentazione stessa erogata dall’alimentazione per la tensione di alimentazione stessa VVaa

( )( ) apeakpeak VitPP max

La potenza istantanea è dunque quella grandezza che determina la massima corrente richiesta dal circuito.La potenza istantanea è dunque quella grandezza che determina la massima corrente richiesta dal circuito.Quasi tutti i circuiti digitali (sono rare le eccezioni) posseggono un clock che ne scandisce le operazione. Detto Quasi tutti i circuiti digitali (sono rare le eccezioni) posseggono un clock che ne scandisce le operazione. Detto TT il il periodo (frequenza periodo (frequenza ff = 1/ = 1/TT) di clock di un circuito digitale si definisce potenza media ) di clock di un circuito digitale si definisce potenza media PPavgavg la potenza dissipata dal la potenza dissipata dal circuito in un periodo di clockcircuito in un periodo di clock

( ) ( ) T

aa

T

aaavg dttiT

VdttiV

TP

00

1

Com’è facile intuire, alla potenza media sono legati la “tipologia di sistema di raffreddamento“ e la massima Com’è facile intuire, alla potenza media sono legati la “tipologia di sistema di raffreddamento“ e la massima tensione di alimentazione richiesta e dunque la durata della batteria nei dispositivi portatili è strettamente tensione di alimentazione richiesta e dunque la durata della batteria nei dispositivi portatili è strettamente correlata ad essa.correlata ad essa.


Potenza dinamicaPotenza dinamicaDurante una transizione Durante una transizione bassobasso--altoalto l’energia totale l’energia totale EEHH erogata dall’alimentazione è erogata dall’alimentazione è

( ) ( )

( )OLOHLDD

v

vLDD

cDDcDDH

vvCVdVCV

dttiVdttiVE

OH

OL

00

INV

VDD

ic

Lc dove con dove con vvOHOH e e vvOLOL si è indicata, rispettivamente, la tensione di uscita massima e minima. si è indicata, rispettivamente, la tensione di uscita massima e minima. Solo metà dell’energia totale erogata viene immagazzinata (e quindi non viene persa) in Solo metà dell’energia totale erogata viene immagazzinata (e quindi non viene persa) in CCLL il resto viene dissipata (e quindi persa) dai dispositivi che compongono l’invertitore. il resto viene dissipata (e quindi persa) dai dispositivi che compongono l’invertitore.

Durante la transizione Durante la transizione altoalto--bassobasso CCLL perde la carica immagazzinata precedentemente perde la carica immagazzinata precedentemente

(e quindi l’energia ad essa associata) che viene dissipata nei dispositivi usati per (e quindi l’energia ad essa associata) che viene dissipata nei dispositivi usati per scaricare il condensatore: in questa fase l’alimentazione non fornisce energia. Quindi scaricare il condensatore: in questa fase l’alimentazione non fornisce energia. Quindi durante una transizione completa durante una transizione completa bassobasso--altoalto--bassobasso l’energia l’energia EELL→→H H →→LL dissipata è dissipata è

INV

VDD

icLc

( )OLOHLDDLHL vvCVE

Dato il clock di periodo Dato il clock di periodo TT ( (f f = 1/= 1/TT) si definisce potenza dinamica) si definisce potenza dinamica ( ) fvvCVT

EP OLOHLDD

LHLd

Nel caso in cui Nel caso in cui vvOHOH = = VVDDDD e e vvOLOL = 0 la potenza dinamica diviene = 0 la potenza dinamica diviene fCVP LDDd 2

La potenza dinamica dipende dalle capacità del circuito, dalla tensione di alimentazione e dalla frequenza La potenza dinamica dipende dalle capacità del circuito, dalla tensione di alimentazione e dalla frequenza operativa: cresce linearmente con la frequenza e in modo quadratico con la tensione di alimentazione.operativa: cresce linearmente con la frequenza e in modo quadratico con la tensione di alimentazione.


Potenza di cortocircuitoPotenza di cortocircuito

Si definisce potenza di cortocircuito la potenza necessaria per far Si definisce potenza di cortocircuito la potenza necessaria per far commutare la tensione di uscita da commutare la tensione di uscita da vvOLOL a a vvOHOH e viceversa attraverso e viceversa attraverso zone delle caratteristiche dei dispositivi corrispondenti a correnti non zone delle caratteristiche dei dispositivi corrispondenti a correnti non nulle: spesso la commutazione dell’uscita passa attraverso zone di nulle: spesso la commutazione dell’uscita passa attraverso zone di funzionamento dei dispositivi in cui si crea un percorso diretto funzionamento dei dispositivi in cui si crea un percorso diretto (cortocircuito) tra l’alimentazione e massa, in tal caso l’alimentazione (cortocircuito) tra l’alimentazione e massa, in tal caso l’alimentazione eroga una corrente non nulla generando una dissipazione di potenza. eroga una corrente non nulla generando una dissipazione di potenza. Dette Dette iicc1cc1((tt) e ) e iicc2cc2((tt)) le correnti di cortocircuito, rispettivamente per la le correnti di cortocircuito, rispettivamente per la transizione dell’uscita transizione dell’uscita altoalto--bassobasso e e bassobasso--altoalto si definisce potenza di si definisce potenza di cortocircuito cortocircuito PPcccc la quantità la quantità

( ) ( )

4

3 1

2

1 1

t

t cc

t

t ccDD

cc dttidttiT

VP

vvii

vvoo tt

ttiicccc

tt

vvOHOH

vvOLOL

iicc1cc1 iicc2cc2

tt11 tt33 tt44tt22

Nell’ipotesi di comportamento simmetrico le correnti Nell’ipotesi di comportamento simmetrico le correnti iicc1cc1((tt) e ) e iicc2cc2((tt) hanno un andamento uguale e quindi) hanno un andamento uguale e quindi

( )2

1 12t

t ccDD

cc dttiT

VP

In generale, nei comuni circuiti digitali, la potenza di cortocircuito è molto minore della potenza dinamica In generale, nei comuni circuiti digitali, la potenza di cortocircuito è molto minore della potenza dinamica

dcc PP


Circuiti ASICCircuiti ASIC

► VendibilitàVendibilità: un ASIC è progettato solo se esiste un mercato di vendita. Il : un ASIC è progettato solo se esiste un mercato di vendita. Il tipo di mercato determina la scelta della tipologia di progetto. tipo di mercato determina la scelta della tipologia di progetto.

► ProduttivitàProduttività: il prodotto deve essere producibile con un minimo scarto : il prodotto deve essere producibile con un minimo scarto (circuiti non funzionanti) e deve essere adatto a qualsiasi condizione (circuiti non funzionanti) e deve essere adatto a qualsiasi condizione operativa prevista dal mercato di destinazione: consumer, militare, ecc.operativa prevista dal mercato di destinazione: consumer, militare, ecc.

► Tempo di ingresso sul mercato (Tempo di ingresso sul mercato (time-to-markettime-to-market))

► CostoCosto

► FlessibilitàFlessibilità: la possibilità di cambiare le funzionalità del sistema senza : la possibilità di cambiare le funzionalità del sistema senza doverlo riprogettare completamentedoverlo riprogettare completamente

► PrestazioniPrestazioni: densità di componenti integrati per IC, potenza dissipata, : densità di componenti integrati per IC, potenza dissipata, velocità del sistemavelocità del sistema

Un circuito integrato per applicazioni specifiche ASIC (Un circuito integrato per applicazioni specifiche ASIC (Application Specific Integrated CircuitApplication Specific Integrated Circuit) è un circuito ) è un circuito integrato (IC) adattato alle esigenze di una particolare applicazione, piuttosto che progettato per un uso generale. Ad integrato (IC) adattato alle esigenze di una particolare applicazione, piuttosto che progettato per un uso generale. Ad esempio un chip progettato solamente per essere utilizzato in un telefono cellulare è un ASIC.esempio un chip progettato solamente per essere utilizzato in un telefono cellulare è un ASIC.Un ASIC è progettato cercando di soddisfare prima di tutto le specifiche funzionali (il modo in cui dovrà operare) e Un ASIC è progettato cercando di soddisfare prima di tutto le specifiche funzionali (il modo in cui dovrà operare) e in secondo luogo cercando di ottimizzare simultaneamente vari vincoli di progetto (in secondo luogo cercando di ottimizzare simultaneamente vari vincoli di progetto (design constraintsdesign constraints). I seguenti ). I seguenti sono vincoli di progetto comunemente tenuti in considerazione (ovviamente non sono i soli):sono vincoli di progetto comunemente tenuti in considerazione (ovviamente non sono i soli):


Tempo di immissione sul mercatoTempo di immissione sul mercato (time-to-market) (time-to-market)È il tempo necessario per portare un sistema ad uno sviluppo tale da poter È il tempo necessario per portare un sistema ad uno sviluppo tale da poter essere immesso sul mercato e quindi venduto (mediamente tale tempo è essere immesso sul mercato e quindi venduto (mediamente tale tempo è fissato ad 8 mesi). La progettazione di un ASIC è preceduta da un’analisi di fissato ad 8 mesi). La progettazione di un ASIC è preceduta da un’analisi di mercato che fornisce la cosiddetta “finestra di mercato” (mercato che fornisce la cosiddetta “finestra di mercato” (market windowmarket window), ), vale a dire il periodo durante il quale il sistema potrebbe avere le maggiori vale a dire il periodo durante il quale il sistema potrebbe avere le maggiori vendite: uno slittamento dei tempi di immissione sul mercato potrebbe vendite: uno slittamento dei tempi di immissione sul mercato potrebbe produrre un enorme perdita economica da parte dell’industria che sta produrre un enorme perdita economica da parte dell’industria che sta progettando il sistema. Si consideri il modello triangolare semplificato dei progettando il sistema. Si consideri il modello triangolare semplificato dei guadagni in figura. In tale modello si suppone che il tempo di vita del guadagni in figura. In tale modello si suppone che il tempo di vita del prodotto (prodotto (2V2V) sia in eguale misura) sia in eguale misura

Previsione di guadagno Previsione di guadagno

Tempo in mesiTempo in mesi

Finestra di mercatoFinestra di mercatoMarket windowMarket window

Incasso massimo senza Incasso massimo senza ritardo di immissione ritardo di immissione

IIMM

Incasso massimo in Incasso massimo in caso di ritardo caso di ritardo IIMRMR

Fase di crescita Fase di crescita delle venditedelle vendite

Fase di Fase di diminuzione diminuzione delle venditedelle vendite

VV 2V2VTempoTempo

RR

Gu

adag

ni

Gu

adag

ni

Immissione in tempoImmissione in tempo

Immissione in ritardoImmissione in ritardo

ripartito tra la fase di crescita e diminuzione delle vendite ripartito tra la fase di crescita e diminuzione delle vendite (entrambe di durata (entrambe di durata VV) e i guadagni sono rappresentati ) e i guadagni sono rappresentati dall’aria sottesa dal triangolo. In presenza di un ritardo dall’aria sottesa dal triangolo. In presenza di un ritardo RR di di immissione dunque si avrebbe:immissione dunque si avrebbe:

Guadagni senza ritardo Guadagni senza ritardo = = V V ··IIMM

Guadagni con ritardo Guadagni con ritardo = (2= (2V V – – RR))··IIMR MR /2/2

Nell’ulteriore ipotesi esemplificativa in cui il fattore di Nell’ulteriore ipotesi esemplificativa in cui il fattore di crescita sia unitario si ha crescita sia unitario si ha IIMM = = VV e e IIMRMR = = V V – – R, R, per cui le per cui le

perdite percentuali perdite percentuali PP%% risulterebbero pari a risulterebbero pari a

PP%% = [= [V V ··IIMM –– (2(2V V – – RR))··IIMR MR /2] / (/2] / (V V ··IIMM) ) ·100%·100% = =

= = R R (3(3V V – – RR)) /(2/(2VV22))

(es. (es. V V = 12 mesi: = 12 mesi: R R = 2 mesi = 2 mesi → → PP%% ≈ 24%; ≈ 24%; R R = 4 mesi = 4 mesi → → PP%% ≈ 44%) ≈ 44%)


CostoCostoIl costo di mercato Il costo di mercato SS di un prodotto (il prezzo di vendita) è dato da di un prodotto (il prezzo di vendita) è dato da

( )Nm

CS TOT

1

dove dove CCTOTTOT è il costo totale sostenuto dall’industria per produrre quel prodotto, è il costo totale sostenuto dall’industria per produrre quel prodotto, mm è il margine di profitto è il margine di profitto

desiderato e desiderato e NN è il numero di pezzi prodotti. Il costo totale è a sua volta legato ai cosiddetti costi non ricorrenti è il numero di pezzi prodotti. Il costo totale è a sua volta legato ai cosiddetti costi non ricorrenti CCNRNR (i costi di sviluppo e progettazione sostenuti prima dell’immissione sul mercato) e ai costi ricorrenti (i costi di sviluppo e progettazione sostenuti prima dell’immissione sul mercato) e ai costi ricorrenti CCRR (il (il

costo necessario alla produzione di costo necessario alla produzione di NN unità) secondo la relazione unità) secondo la relazione

UNRRNRTOT CNCCCC

con con CCUU si è indicato il costo per unità, vale a dire il costo affrontato per la produzione di un singolo pezzo. si è indicato il costo per unità, vale a dire il costo affrontato per la produzione di un singolo pezzo.

Come è facilmente intuibile tale costo è legato al processo tecnologico e quindi alla resa di processo, al tipo di Come è facilmente intuibile tale costo è legato al processo tecnologico e quindi alla resa di processo, al tipo di package usato, al test e al collaudo: ogni singolo chip viene testato e collaudato, e quindi, in fase di package usato, al test e al collaudo: ogni singolo chip viene testato e collaudato, e quindi, in fase di progettazione, è necessario aggiungere dei sistemi che ne facilitano il test e collaudo come circuiti per il progettazione, è necessario aggiungere dei sistemi che ne facilitano il test e collaudo come circuiti per il Built-Built-in Self Testin Self Test (BIST), contatti aggiuntivi sul (BIST), contatti aggiuntivi sul die, test patternsdie, test patterns, ecc., ecc.

Contatti aggiuntivi sul Contatti aggiuntivi sul diedie usati per il usati per il test e collaudo. Le strisce nere in figura test e collaudo. Le strisce nere in figura sono le punte (molto piccole) di una sono le punte (molto piccole) di una macchina per il collaudo appoggiate sui macchina per il collaudo appoggiate sui contatti aggiuntivi.contatti aggiuntivi.


TecnologiaTecnologia

Il progetto di un ASIC è ovviamente fatto con strumenti software CAD che semplificano la progettazione e la Il progetto di un ASIC è ovviamente fatto con strumenti software CAD che semplificano la progettazione e la fase di test funzionale mediante strumenti di simulazione circuitale. Alla fine delle simulazioni software il fase di test funzionale mediante strumenti di simulazione circuitale. Alla fine delle simulazioni software il circuito che si trova in una fase descrittiva a livello di gate (circuito che si trova in una fase descrittiva a livello di gate (gate-levelgate-level) deve essere mappato in un circuito ) deve essere mappato in un circuito integrato: il modo in cui questo avviene si chiama tecnologia. La tecnologia, in genere, differisce da industria integrato: il modo in cui questo avviene si chiama tecnologia. La tecnologia, in genere, differisce da industria ad industria ma si possono individuare le seguenti tipologie principaliad industria ma si possono individuare le seguenti tipologie principali

Tecnologia

Full-custom Semi-custom Programmabili

CPLD FPGA MemorieStandard cell Gate array


Full-customFull-custom

Il circuito è progettato in maniere completamente dedicata all’applicazione specifica: in tal caso i progettisti si Il circuito è progettato in maniere completamente dedicata all’applicazione specifica: in tal caso i progettisti si occupano della disposizione dei singoli componenti e delle interconnessioni fra essi ottimizzando area e occupano della disposizione dei singoli componenti e delle interconnessioni fra essi ottimizzando area e prestazioni dell’intero circuito integrato. Com’è facile intuire, tale approccio richiede un notevole impiego di prestazioni dell’intero circuito integrato. Com’è facile intuire, tale approccio richiede un notevole impiego di risorse umane e strumentali e un know-how adeguato dell’azienda produttrice. Inoltre i costi e i tempi di risorse umane e strumentali e un know-how adeguato dell’azienda produttrice. Inoltre i costi e i tempi di progettazione risultano elevati e giustificati solo per produzioni relativamente grandi (più di 2000000 pezzi) o progettazione risultano elevati e giustificati solo per produzioni relativamente grandi (più di 2000000 pezzi) o per applicazioni particolari. Oggi vengono prodotti con tale tecnica principalmente microprocessori e per applicazioni particolari. Oggi vengono prodotti con tale tecnica principalmente microprocessori e memorie da immettere nel mercato consumer.memorie da immettere nel mercato consumer.

Vantaggi:Vantaggi:

► Elevate prestazioni: maggiore frequenza operativa, maggior numero di componenti integrati Elevate prestazioni: maggiore frequenza operativa, maggior numero di componenti integrati per chip, minore potenza dissipataper chip, minore potenza dissipata

► Minore costo per unità: questo è legato alla più alta scala di integrazione e quindi alla minore Minore costo per unità: questo è legato alla più alta scala di integrazione e quindi alla minore area occupata dal chip (a parità di componenti).area occupata dal chip (a parità di componenti).

► Minore ingombroMinore ingombro

Svantaggi:Svantaggi:

► Elevati costi non ricorrenti dato che il tempo di progettazione è solitamente molto più lungo e Elevati costi non ricorrenti dato che il tempo di progettazione è solitamente molto più lungo e sono necessari un più largo numero di prototipi rispetto ad altri approcci sono necessari un più largo numero di prototipi rispetto ad altri approcci

► Elevati tempi Elevati tempi time-to-markettime-to-market: prima che si arrivi ad una versione del circuito vendibile sul : prima che si arrivi ad una versione del circuito vendibile sul mercato passano parecchi mesimercato passano parecchi mesi

► È richiesta una elevata conoscenza specialistica delle tecniche di lavorazione del silicioÈ richiesta una elevata conoscenza specialistica delle tecniche di lavorazione del silicio


Semi-customSemi-custom

L’approccio L’approccio semi-customsemi-custom fa uso di un numero molto elevato di blocchi funzionali elementari le cui fa uso di un numero molto elevato di blocchi funzionali elementari le cui interconnessioni sono lasciate appositamente incomplete dal costruttore. Il progettista, avvalendosi di interconnessioni sono lasciate appositamente incomplete dal costruttore. Il progettista, avvalendosi di strumenti CAD, definisce le interconnessioni in modo da comporre il circuito integrato adatto alle specifiche strumenti CAD, definisce le interconnessioni in modo da comporre il circuito integrato adatto alle specifiche esigenze. esigenze.

Vantaggi Vantaggi (rispetto all’approccio (rispetto all’approccio full-customfull-custom):):

► Costi non ricorrenti inferiori dato che il tempo di progettazione è solitamente più breve e sono Costi non ricorrenti inferiori dato che il tempo di progettazione è solitamente più breve e sono necessari un più basso numero di prototipi necessari un più basso numero di prototipi

► Minori tempi Minori tempi time-to-markettime-to-market: il progettista deve solo utilizzare dei blocchi funzionali già realizzati e : il progettista deve solo utilizzare dei blocchi funzionali già realizzati e testati riducendo così i tempi di progettazionetestati riducendo così i tempi di progettazione

► È richiesta una bassa conoscenza specialistica delle tecniche di lavorazione del silicioÈ richiesta una bassa conoscenza specialistica delle tecniche di lavorazione del silicio

Svantaggi Svantaggi (rispetto all’approccio (rispetto all’approccio full-customfull-custom))::

► Minori prestazioni: minore frequenza operativa, minore numero di componenti integrati per Minori prestazioni: minore frequenza operativa, minore numero di componenti integrati per chip, maggiore potenza dissipatachip, maggiore potenza dissipata

► Maggiore costo per unità: l’area di silicio a disposizione non è interamente occupata, infatti un Maggiore costo per unità: l’area di silicio a disposizione non è interamente occupata, infatti un blocco elementari occupa un’area di silicio sicuramente maggiore di quella effettivamente blocco elementari occupa un’area di silicio sicuramente maggiore di quella effettivamente richiesta dai componenti in esso contenutirichiesta dai componenti in esso contenuti

► Maggiore ingombroMaggiore ingombro


Semi-custom: standard cells, gate arraySemi-custom: standard cells, gate array►Standard cellStandard cell (celle standard): Con l’approccio a (celle standard): Con l’approccio a standard cellstandard cell, un circuito , un circuito integrato viene realizzato mediante il posizionamento e l’interconnessione integrato viene realizzato mediante il posizionamento e l’interconnessione di blocchi di base, denominati appunto celle standard. Con tale approccio la di blocchi di base, denominati appunto celle standard. Con tale approccio la realizzazione di un circuito è effettuata usando solamente dei blocchi realizzazione di un circuito è effettuata usando solamente dei blocchi funzionali (funzionali (flip-flop, full-adderflip-flop, full-adder, ecc.) che si trovano in una libreria software , ecc.) che si trovano in una libreria software fornite dal costruttore. Ogni cella della libreria ha quindi delle fornite dal costruttore. Ogni cella della libreria ha quindi delle caratteristiche che non possono essere modificate dal progettista che si caratteristiche che non possono essere modificate dal progettista che si occupa solamente del loro posizionamento e delle interconnessioni occupa solamente del loro posizionamento e delle interconnessioni (nemmeno quest’ultime sono totalmente libere dovendo il progettista (nemmeno quest’ultime sono totalmente libere dovendo il progettista seguire determinate regole e percorsi).seguire determinate regole e percorsi).

►gate arraygate array (matrici di gate): la casa costruttrice fornisce via software dei (matrici di gate): la casa costruttrice fornisce via software dei circuiti integrati formati da matrici di transistori o gate più complessi (ma circuiti integrati formati da matrici di transistori o gate più complessi (ma comunque tutti uguali) e il progettista stabilisce solamente le intercon-comunque tutti uguali) e il progettista stabilisce solamente le intercon-nessioni tra essi.nessioni tra essi.


ProgrammabiliProgrammabili

Con questo approccio il progettista acquista un circuito integrato già pronto all’uso. Il compito del progettista Con questo approccio il progettista acquista un circuito integrato già pronto all’uso. Il compito del progettista è solo quello di stabilire, attraverso la programmazione del chip, quali interconnessioni attivare e quali è solo quello di stabilire, attraverso la programmazione del chip, quali interconnessioni attivare e quali disattivare. La diversa procedura di programmazione (EPROM, Edisattivare. La diversa procedura di programmazione (EPROM, E22PROM, SRAM, ecc.) e la tipologia di PROM, SRAM, ecc.) e la tipologia di tecnologia distingue diverse famiglie di dispositivi programmabili nelle principali tipologie: tecnologia distingue diverse famiglie di dispositivi programmabili nelle principali tipologie: Complex Complex Programmable Logic Device (CPLD), Field Programmable Gate-Array (FPGAProgrammable Logic Device (CPLD), Field Programmable Gate-Array (FPGA), Memorie. ), Memorie.

Vantaggi Vantaggi (rispetto ai precedenti(rispetto ai precedenti):):

► Costi non ricorrenti bassi dato che la progettazione è molto più breve e non sono richiesti Costi non ricorrenti bassi dato che la progettazione è molto più breve e non sono richiesti prototipi (la maggior parte di tali dispositivi si possono programmare più volte)prototipi (la maggior parte di tali dispositivi si possono programmare più volte)

► Bassi tempi Bassi tempi time-to-markettime-to-market: il progettista deve solo utilizzare dei blocchi funzionali già : il progettista deve solo utilizzare dei blocchi funzionali già realizzati e testati riducendo così i tempi di progettazionerealizzati e testati riducendo così i tempi di progettazione

► Non è richiesta alcuna conoscenza specialistica delle tecniche di lavorazione del silicioNon è richiesta alcuna conoscenza specialistica delle tecniche di lavorazione del silicio

Svantaggi Svantaggi (rispetto ai precedenti)(rispetto ai precedenti)::

► Basse prestazioni: minore frequenza operativa, numero di componenti integrati per chip Basse prestazioni: minore frequenza operativa, numero di componenti integrati per chip fissato, maggiore potenza dissipatafissato, maggiore potenza dissipata

► Costo per unità approssimativamenteCosto per unità approssimativamente11 fisso: il dispositivo programmabile ha un costo fisso a fisso: il dispositivo programmabile ha un costo fisso a prescindere dal numero di pezzi prodotti (questo rende i dispositivi programmabili adatti a prescindere dal numero di pezzi prodotti (questo rende i dispositivi programmabili adatti a piccoli numeri di pezzi)piccoli numeri di pezzi)

► Alto ingombroAlto ingombro

11 Molte ditte fanno prezzi di vendita diversi a seconda del numero di chip acquistati. Molte ditte fanno prezzi di vendita diversi a seconda del numero di chip acquistati.


Field Programmable Gate-Array (FPGAField Programmable Gate-Array (FPGA))

Un Un Field Programmable Gate-ArrayField Programmable Gate-Array (FPGA) è un chip che contiene blocchi logici e interconnessioni (FPGA) è un chip che contiene blocchi logici e interconnessioni programmabili. I blocchi di logica programmabile (programmabili. I blocchi di logica programmabile ( logic blockslogic blocks) possono essere configurati per agire da ) possono essere configurati per agire da blocchi logici di base (AND, OR, XOR, NOT, blocchi logici di base (AND, OR, XOR, NOT, flip-flopflip-flop, , multiplexermultiplexer) oppure da funzioni combinatorie più ) oppure da funzioni combinatorie più complesse, ad esempio decoder o funzioni matematiche elementari. I blocchi di logica programmabile complesse, ad esempio decoder o funzioni matematiche elementari. I blocchi di logica programmabile conservano la programmazione in elementi di memoria come conservano la programmazione in elementi di memoria come flip-flopflip-flop oppure, nei modelli più complessi, in oppure, nei modelli più complessi, in memorie statiche (SRAM): interconnessioni gerarchiche tra blocchi logici consentono al progettista di memorie statiche (SRAM): interconnessioni gerarchiche tra blocchi logici consentono al progettista di effettuare qualunque funzione logica richiesta.effettuare qualunque funzione logica richiesta.

logiccell

logiccell

logiccell

logiccell

{

interconnessioniinterconnessioni

{

matrici di matrici di interruttoriinterruttori

interruttori interruttori controllati da controllati da

SRAMSRAM

SRAM A

B

cellaSRAM

A

B


Tabella sinottica ASICsTabella sinottica ASICs

Unità prodotteUnità prodotte CCNRNR CCRR TTMM PrestazioniPrestazioni

Full-customFull-custom >2.000.000>2.000.000 AltoAlto BassoBasso AltoAlto ElevateElevate


Standard cellStandard cell

Da 200.000Da 200.000

a 2.000.000a 2.000.000↓↓ ↑↑ ↓↓ ↓↓


Gate arrayGate array

Da 20.000Da 20.000

a 200.000a 200.000↓↓ ↑↑ ↓↓ ↓↓

ProgrammabiliProgrammabili <20.000<20.000↓↓

BassoBasso

↑↑AltoAlto

↓↓BassoBasso

↓↓MinoriMinori

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Ing. Massimo Poli – diapositiva 1 Elettronica digitale, analogica e di potenza Lelettronica nel suo complesso è suddivisibile in tre grandi settori: elettronica