Capitolo 2 Tecnologie dei circuiti integrati 33
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- Romolo De Marco
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1 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
2 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
3 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
4 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
5 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
6 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
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