collana di istruzione scientifica serie di elettronica

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1 collana di istruzione scientifica serie di elettronica

2 Dal catalogo McGraw-Hill: Alexander, Sadiku, Circuiti elettrici, 2 a ed. Conciauro, Fondamenti di onde elettromagnetiche Cutolo, Optoelettronica, Ottica, fotonica, laser Ghione, Dispositivi per la microelettronica Gray, Meyer, Circuiti integrati analogici, 2 a ed. Jaeger, Blalock, Microelettronica - 1 Elettronica digitale, 2 a ed. Jaeger, Blalock, Microelettronica - 2 Circuiti integrati analogici, 2 a ed. Jaeger, Blalock, Microelettronica - 3 Elettronica digitale, 2 a ed. Millman, Grabel, Microelettronica, 3 a ed. Pattavina, Reti di telecomunicazioni Rizzoni, Principi di ingegneria elettrica Spirito, Elettronica digitale, 3 a ed. Thornhill, Elettronica analogica Collana Schaum s: Edminister, Circuiti elettrici Edminister, Elettronica parte prima Edminister, Elettronica parte seconda Tokheim, Elettronica digitale Al lettore La realizzazione di un libro comporta costi variabili (carta, stampa, legatura) e costi fissi, cioè indipendenti dal numero di copie stampate (traduzione, preparazione degli originali, redazione, composizione, impaginazione). I fotocopiatori possono contenere il prezzo perché, oltre a non pagare i diritti d autore, non hanno costi fissi. Ogni fotocopia, d altra parte, riducendo il numero di copie vendute dall editore, aumenta l incidenza dei costi fissi a copia e costringe l editore ad aumentare il prezzo; questo, naturalmente, fornisce un ulteriore incentivo a fotocopiare. Se questo circolo vizioso non verrà spezzato, arriveremo al punto in cui gli editori non avranno più convenienza economica a realizzare libri di testo per l università. In quel momento non ci saranno più neppure le fotocopie. L editore

3 Paolo Spirito Elettronica digitale terza edizione McGraw-Hill Milano New York San Francisco Washington D.C. Auckland Bogota Lisboa London Madrid Mexico City Montreal New Delhi San Juan Singapore Sydney Tok yo To ronto

4 Copyright F 2006, 2002, 1998 The McGraw-Hill Companies, srl Publishing Group Italia via Ripamonti, Milano I diritti di traduzione, di riproduzione, di memorizzazione elettronica e di adattamento totale e parziale con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche) sono riservati per tutti i paesi. Nomi e marchi citati nel testo sono generalmente depositati o registrati dalle rispettive case produttrici. Editor: Paolo Roncoroni Produzione: Donatella Giuliani Impaginazione: M.T.M. snc, Monza (MI) Grafica di copertina: G&G ISBN Printed in Italy

5 A mio figlio Marco

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7 Indice Prefazione XIII Capitolo 1 Circuiti digitali Introduzione Discretizzazione dei segnali L invertitore ideale Porte logiche elementari Porte elementari come combinazioni di interruttori ideali Richiami dell algebra Booleana Trasformazioni di reti logiche Semplificazione delle reti logiche Caratteristiche elettriche delle porte logiche Caratteristica di trasferimento dell invertitore reale Livelli logici nominali Disturbi nei circuiti digitali Margini di rumore Tempo di propagazione Potenza dissipata Prodotto ritardo-potenza dissipata Fan-in e fan-out Progetto dei sistemi digitali 29 Esercizi di riepilogo 30 Riferimenti bibliografici 31 Capitolo 2 Tecnologie dei circuiti integrati La tecnologia planare Ossidazione termica Tecniche fotolitografiche Attacchi chimici selettivi Impiantazione ionica Deposizione di strati conduttori e isolanti Metallizzazioni Processi di fabbricazione per i transistori MOS Il processo CMOS Processi per i transistori bipolari Altri componenti 46

8 VIII Indice 2.6 Interconnessioni Tracciati e regole di progetto Scala di integrazione dei circuiti 54 Esercizi di riepilogo 55 Riferimenti bibliografici 56 Capitolo 3 Il transistore MOS Introduzione Struttura del transistore MOS La tensione di soglia Caratteristiche corrente-tensione Capacità del dispositivo Tracciato del dispositivo MOS Modelli CAD di dispositivi MOS 74 Esercizi di riepilogo 76 Riferimenti bibliografici 76 Capitolo 4 Porte logiche NMOS Introduzione Invertitore NMOS con carico resistivo Dispositivi MOS come carichi attivi Invertitori con carico attivo NMOS Caratteristica di trasferimento e livelli logici Carico a svuotamento Carico con PMOS Margini di rumore degli invertitori Minimizzazione dell area dell invertitore Capacità del circuito Analisi dinamica e tempi di propagazione Potenza dissipata dall invertitore Prodotto Ritardo-Potenza dissipata Porte logiche elementari NMOS Confronto tra porte logiche NAND e NOR Fan-in e fan-out delle porte NMOS 104 Esercizi di riepilogo 105 Riferimenti bibliografici 105 Capitolo 5 Porte logiche CMOS Introduzione L invertitore CMOS Caratteristica di trasferimento e margini di rumore Tracciato di un invertitore CMOS Comportamento dinamico e tempi di propagazione Potenza dissipata Porte logiche elementari CMOS Fan-in e fan-out delle porte CMOS Stadi separatori di uscita Tracciati delle porte NAND e NOR Riduzione di scala dei circuiti CMOS 128

9 Indice IX 5.12 Il fenomeno dell aggancio (latch-up) nei CMOS 131 Esercizi di riepilogo 133 Riferimenti bibliografici 134 Capitolo 6 Il transistore bipolare Struttura del transistore bipolare Distribuzione dei portatori minoritari nella base Regimi di funzionamento del transistore bipolare Modello di Ebers Moll e caratteristiche I-V Capacità della struttura e comportamento dinamico Modello a Controllo di Carica per il comportamento dinamico Miglioramenti tecnologici dei transistori bipolari 152 Esercizi di riepilogo 156 Riferimenti bibliografici 156 Capitolo 7 Porte logiche TTL Introduzione L invertitore RTL Caratteristica di trasferimento e margini di rumore Comportamento dinamico dell invertitore Tempo di accumulo t S Invertitore elementare TTL Lo stadio di uscita L invertitore TTL standard Caratteristica di trasferimento dell invertitore TTL Caratteristiche di ingresso e di uscita; fan-out Caratteristica di ingresso Caratteristiche di uscita Fan-out Dissipazione di potenza Tempo di propagazione Porte logiche TTL Reti attive di pilotaggio dell uscita Rete di pull-up Rete di pull-down Il transistore Schottky Logiche TTL-Schottky Logiche TTL-Schottky veloci Logiche TTL-Schottky a basso consumo Logiche Schottky-TTL avanzate 192 Esercizi di riepilogo 193 Riferimenti bibliografici 194 Capitolo 8 Porte logiche ECL La configurazione differenziale Invertitore elementare in logica ECL Caratteristiche di trasferimento della porta ECL Uscita OR Uscita NOR 204

10 X Indice 8.4 Lo stadio regolatore di tensione Analisi del comportamento termico Analisi della variazione della tensione di alimentazione Lo stadio di uscita Fan-out Comportamento dinamico e tempi di propagazione Potenza dissipata e prodotto ritardo-potenza Porte logiche ECL Porte ECL avanzate 220 Esercizi di riepilogo 221 Riferimenti bibliografici 222 Capitolo 9 Circuiti di interconnessione e di ingresso/uscita Circuiti logici standard Porte A-O-I Porte per logica cablata Porte a tre stati Invertitori con isteresi Interfacciamento di famiglie logiche differenti Invertitori e porte logiche BiCMOS Invertitore BiCMOS Porte logiche BiCMOS 246 Esercizi di riepilogo 247 Riferimenti bibliografici 248 Capitolo 10 Circuiti combinatori Circuiti sommatori e sottrattori Circuiti comparatori Circuiti codificatori e decodificatori Circuiti multiplexer e demultiplexer Unità Logica Booleana Matrici Logiche Programmabili (PLA) 267 Esercizi di riepilogo 271 Riferimenti bibliografici 273 Capitolo 11 Circuiti sequenziali Introduzione Circuiti bistabili Il bistabile SR Realizzazioni circuitali del bistabile SR Tecnologia MOS Tecnologia bipolare I flip-flop sincronizzati Flip-flop JK Flip-flop Master-Slave Flip-flop D e T Registri e contatori 298 Esercizi di riepilogo 301 Riferimenti bibliografici 302

11 Indice XI Capitolo 12 Dispositivi Logici Programmabili Introduzione Matrici Logiche Programmabili (PLA) Dispositivi PAL Logica in due passi Programmazione della polarità in uscita Terminali di Ingresso/Uscita programmabili PLD sequenziali Macrocelle di uscita PLD complessi (CPLD) Matrici di porte programmabili (FPGA) Tecniche di programmazione 318 Riferimenti bibliografici 319 Capitolo 13 Strutture CMOS per circuiti VLSI Introduzione Logiche complesse FCMOS Dimensionamento dei MOS nelle porte complesse Ritardo di propagazione di reti FCMOS Tracciato delle porte complesse FCMOS Logiche CMOS differenziali (SCL) Cella elementare SCL Porte logiche SCL Logiche con porte di trasmissione Porte logiche elementari con porte di trasmissione Circuiti combinatori con porte di trasmissione Logiche dinamiche Logica dinamica a due fasi Logica dinamica a quattro fasi Logica dinamica Domino Logica NORA CMOS Confronto tra le logiche dinamiche Latch e flip-flop in logica dinamica 358 Esercizi di riepilogo 364 Riferimenti bibliografici 366 Capitolo 14 Memorie non volatili Introduzione Memorie a sola lettura (ROM) Struttura interna delle ROM ROM a porte NOR ROM a porte NAND Memorie ROM dinamiche Indirizzamento bidimensionale Memorie non volatili Meccanismi di programmazione Memorie EPROM Memorie EEPROM Memorie Flash 390

12 XII Indice Caratteristiche delle memorie non volatili 391 Esercizi di riepilogo 392 Riferimenti bibliografici 392 Capitolo 15 Memorie RAM Memorie a lettura e scrittura (RAM) Celle elementari per RAM statiche (SRAM) Celle in tecnologia MOS Celle in tecnologia bipolare Circuiti di lettura e scrittura Organizzazione delle memorie RAM Memorie RAM dinamiche (DRAM) Celle dinamiche a un transistore Circuiti di lettura per DRAM 414 Esercizi di riepilogo 420 Riferimenti bibliografici 420 Appendice A Richiami sul simulatore SPICE 421 Appendice B Schede.MODEL dei dispositivi 427 Appendice C Analisi dinamica dell invertitore bipolare 431 Appendice D Adattamento alle linee di trasmissione 437 Indice analitico 441

13 s.n.c. di MARCON TERRIBILE MANDELLI fotocomposizione g:/macgraw/spirito/prefazione.3d :40:22 M B 13 Prefazione alla terza edizione La principale caratteristica che si è voluta dare a questo testo, già evidenziata nella seconda edizione, è quella di voler presentare gli argomenti relativi alla Elettronica digitale senza dover richiedere una conoscenza propedeutica approfondita dei dispositivi elettronici a semiconduttore e dell elettronica analogica. La convinzione che gli aspetti e le metodologie di analisi e progettazione dei circuiti digitali possa (e debba) oggi essere affrontata in parallelo (o in alternativa) allo studio dei circuiti e delle metodologie propri dell elettronica analogica, viene rafforzata dalla attuale organizzazione dei curricula universitari, che prevede una presenza di questi contenuti e richiede una conoscenza dell Elettronica digitale anche in corsi di laurea, come quelli dell Ingegneria Informatica e dell Ingegneria delle Telecomunicazioni, che spesso non prevedono, in tutto o in parte, la presentazione di argomenti di elettronica analogica, mentre richiedono la conoscenza di concetti relativi all Hardware delle tecnologie digitali e dei circuiti base dei sitemi digitali. L adozione della seconda edizione di questo testo da parte di molti atenei italiani e il suo utilizzo anche nei corsi di laurea di Informatica e di Telecomunicazioni, oltre che nel corso di laurea in Ingegneria Elettronica, ha contribuito a rafforzare la convinzione sulla scelta effettuata per la organizzazione e la presentazione del materiale didattico esposto, e ha suggerito la preparazione di una terza edizione del testo, intesa a rafforzare e migliorare questi aspetti, con particolare riguardo alla organizzazione del materiale presentato in due parti, in modo da poter essere utilizzato in diversi moduli di insegnamento universitario, in particolare nei corsi di laurea del settore Informazione, sia del primo livello (laurea triennale), che di secondo livello (laurea specialistica biennale). La prima parte del libro (Capitoli 1-4, 5, 7, 8, 10, 11) è finalizzata alla comprensione dei circuiti digitali elementari (porte logiche), con accento sull analisi elettronica del loro comportamento statico e dinamico; lo scopo è quello di permettere allo studente la comprensione delle caratteristiche dei dispositivi elettronici, e di valutare le interazioni dispositivo-circuito che sono alla base di questi circuiti. La presentazione dei circuiti digitali di base è integrata da elementi di tecnologia dei circuiti integrati e di caratteristiche dei dispositivi MOS e bipolari (Capitoli 2, 3, 6), che permettono di utilizzare il testo anche in corsi di laurea che non prevedono corsi precedenti, sia di tecnologia dei semiconduttori, sia di dispositivi. La seconda parte (Capitoli 9, 12, 13, 14, 15) presenta gli elementi per la progettazione di circuiti integrati digitali basati su tecnologia CMOS, BiCMOS o Bipolare (con enfasi sulla prima), e analizza le soluzioni circuitali adottate per i sottosistemi più utilizzati e le loro prestazioni in funzione delle scelte circuitali e architetturali, comprendendo il funzionamento e le applicazioni dei Componenti Logici Programmabili Complessi (CPLD), come i FPGA, le memorie non volatili programmabili, le RAM.

14 s.n.c. di MARCON TERRIBILE MANDELLI fotocomposizione g:/macgraw/spirito/prefazione.3d :40:41 M B 14 XIV Prefazione alla terza edizione Nei riguardi di questa organizzazione del materiale, nella terza edizione del libro Elettronica Digitale le principali innovazioni e modifiche sono state le seguenti: nel capitolo iniziale, che presenta le principali caratteristiche elettriche utilizzate per i circuiti digitali, è stata introdotta l analisi delle principali cause di disturbo per il funzionamento dei circuiti stessi, come i disturbi indotti sull alimentazione e quelli di intermodulazione e accoppiamento (crosstalk); sono state presentate le principali tecnologie per la realizzazione dei circuiti integrati e sono presentati e spiegati i ruoli chiave dei diversi processi oggi utilizzati per la realizzazione dei circuiti integrati ad alta densità di integrazione e per la riduzione delle regole di progetto nel dimensionamento dei circuiti stessi; le strutture CMOS per la realizzazione di sistemi ad alta densità di integrazione sono state ampliate e integrate con l introduzione e l analisi delle logiche differenziali CMOS; sono state ampliate e analizzate le problematiche relative ai circuiti sequenziali e sono state aggiunte le analisi di temporizzazione dei principali circuiti presentati; infine una significativa innovazione, rispetto all edizione precedente, è data dalla presentazione, al termine di ogni capitolo, di una serie di problemi e esercizi (indicati con asterisco) di cui è prevista e riportata la soluzione nel sito web dedicato al libro Come già nella edizione precedente, il testo, per la parte esercitativa, è fornito di efficaci strumenti CAD per l analisi e il progetto dei circuiti digitali. Anche questi strumenti didattici sono disponibili nel sito web del libro, che contiene il seguente materiale: il software di simulazione logica DSCH che permette l analisi del comportamento logico dei circuiti e della temporizzazione dei segnali; il software SPICE per l analisi e simulazione elettrica dei circuiti realizzati; il software MICRO per la realizzazione del tracciato (lay-out) dei circuiti sul chip di silicio, in base alle regole di progetto e ai processi CMOS utilizzati dall industria; tutorials sull impiego dei programmi suddetti; analisi e progetto di: Porte logiche CMOS Porte logiche TTL Porte logiche ECL Porte complesse CMOS Decodificatore 4/16 bit Multiplexer a porte di trasmissione Flip-flop JK Registro a scorrimento Nella stesura della terza edizione è stata infine effettuata un accurata revisione del testo, con l eliminazione di alcuni errori tipografici riscontrati, e l estensione e il chiarimento di concetti e di analisi che non risultavano sufficientemente esaurienti nella versione precedente; per queste correzioni e modifiche desidero ringaziare in particolar modo gli allievi dei corsi di Elettronica Digitale e Circuiti Integrati Digitali, da me tenuti, che mi hanno segnalato questi aspetti riscontrati nel testo. Vorrei inoltre ringraziare i colleghi che mi hanno fornito indicazioni e suggerimenti preziosi per la realizzazione della nuova edizione, in particolare il prof. Giuseppe Caruso (Università di Palermo) e la prof.ssa Annunziata Sanseverino (Università di Cassino). Paolo Spirito