collana di istruzione scientifica serie di elettronica

collana di istruzione scientifica serie di elettronica

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

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

Copyright F 2006, 2002, 1998 The McGraw-Hill Companies, srl Publishing Group Italia via Ripamonti, 89-20139 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 978-88-386-7302-3 Printed in Italy

A mio figlio Marco

Indice Prefazione XIII Capitolo 1 Circuiti digitali 1 1.1 Introduzione 1 1.2 Discretizzazione dei segnali 4 1.3 L invertitore ideale 6 1.4 Porte logiche elementari 6 1.4.1 Porte elementari come combinazioni di interruttori ideali 8 1.5 Richiami dell algebra Booleana 9 1.5.1 Trasformazioni di reti logiche 10 1.5.2 Semplificazione delle reti logiche 12 1.6 Caratteristiche elettriche delle porte logiche 14 1.6.1 Caratteristica di trasferimento dell invertitore reale 14 1.6.2 Livelli logici nominali 14 1.6.3 Disturbi nei circuiti digitali 16 1.6.4 Margini di rumore 19 1.6.5 Tempo di propagazione 23 1.6.6 Potenza dissipata 25 1.6.7 Prodotto ritardo-potenza dissipata 27 1.6.8 Fan-in e fan-out 28 1.7 Progetto dei sistemi digitali 29 Esercizi di riepilogo 30 Riferimenti bibliografici 31 Capitolo 2 Tecnologie dei circuiti integrati 33 2.1 La tecnologia planare 33 2.1.1 Ossidazione termica 34 2.1.2 Tecniche fotolitografiche 35 2.1.3 Attacchi chimici selettivi 36 2.1.4 Impiantazione ionica 37 2.1.5 Deposizione di strati conduttori e isolanti 38 2.1.6 Metallizzazioni 39 2.2 Processi di fabbricazione per i transistori MOS 40 2.3 Il processo CMOS 42 2.4 Processi per i transistori bipolari 44 2.5 Altri componenti 46

VIII Indice 2.6 Interconnessioni 50 2.7 Tracciati e regole di progetto 51 2.8 Scala di integrazione dei circuiti 54 Esercizi di riepilogo 55 Riferimenti bibliografici 56 Capitolo 3 Il transistore MOS 57 3.1 Introduzione 57 3.2 Struttura del transistore MOS 57 3.3 La tensione di soglia 58 3.4 Caratteristiche corrente-tensione 62 3.5 Capacità del dispositivo 68 3.6 Tracciato del dispositivo MOS 73 3.7 Modelli CAD di dispositivi MOS 74 Esercizi di riepilogo 76 Riferimenti bibliografici 76 Capitolo 4 Porte logiche NMOS 77 4.1 Introduzione 77 4.2 Invertitore NMOS con carico resistivo 77 4.3 Dispositivi MOS come carichi attivi 79 4.4 Invertitori con carico attivo NMOS 81 4.5 Caratteristica di trasferimento e livelli logici 83 4.5.1 Carico a svuotamento 84 4.5.2 Carico con PMOS 87 4.6 Margini di rumore degli invertitori 89 4.7 Minimizzazione dell area dell invertitore 89 4.8 Capacità del circuito 92 4.9 Analisi dinamica e tempi di propagazione 93 4.10 Potenza dissipata dall invertitore 98 4.11 Prodotto Ritardo-Potenza dissipata 98 4.12 Porte logiche elementari NMOS 99 4.13 Confronto tra porte logiche NAND e NOR 103 4.14 Fan-in e fan-out delle porte NMOS 104 Esercizi di riepilogo 105 Riferimenti bibliografici 105 Capitolo 5 Porte logiche CMOS 107 5.1 Introduzione 107 5.2 L invertitore CMOS 107 5.3 Caratteristica di trasferimento e margini di rumore 109 5.4 Tracciato di un invertitore CMOS 112 5.5 Comportamento dinamico e tempi di propagazione 113 5.6 Potenza dissipata 117 5.7 Porte logiche elementari CMOS 119 5.8 Fan-in e fan-out delle porte CMOS 123 5.9 Stadi separatori di uscita 125 5.10 Tracciati delle porte NAND e NOR 127 5.11 Riduzione di scala dei circuiti CMOS 128

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 135 6.1 Struttura del transistore bipolare 135 6.2 Distribuzione dei portatori minoritari nella base 138 6.3 Regimi di funzionamento del transistore bipolare 140 6.4 Modello di Ebers Moll e caratteristiche I-V 142 6.5 Capacità della struttura e comportamento dinamico 147 6.6 Modello a Controllo di Carica per il comportamento dinamico 150 6.7 Miglioramenti tecnologici dei transistori bipolari 152 Esercizi di riepilogo 156 Riferimenti bibliografici 156 Capitolo 7 Porte logiche TTL 157 7.1 Introduzione 157 7.2 L invertitore RTL 157 7.3 Caratteristica di trasferimento e margini di rumore 159 7.4 Comportamento dinamico dell invertitore 161 7.4.1 Tempo di accumulo t S 162 7.5 Invertitore elementare TTL 164 7.6 Lo stadio di uscita 166 7.7 L invertitore TTL standard 169 7.8 Caratteristica di trasferimento dell invertitore TTL 170 7.9 Caratteristiche di ingresso e di uscita; fan-out 175 7.9.1 Caratteristica di ingresso 175 7.9.2 Caratteristiche di uscita 176 7.9.3 Fan-out 178 7.10 Dissipazione di potenza 179 7.11 Tempo di propagazione 179 7.12 Porte logiche TTL 181 7.13 Reti attive di pilotaggio dell uscita 183 7.13.1 Rete di pull-up 183 7.13.2 Rete di pull-down 184 7.14 Il transistore Schottky 187 7.15 Logiche TTL-Schottky 189 7.15.1 Logiche TTL-Schottky veloci 189 7.15.2 Logiche TTL-Schottky a basso consumo 191 7.16 Logiche Schottky-TTL avanzate 192 Esercizi di riepilogo 193 Riferimenti bibliografici 194 Capitolo 8 Porte logiche ECL 195 8.1 La configurazione differenziale 195 8.2 Invertitore elementare in logica ECL 199 8.3 Caratteristiche di trasferimento della porta ECL 203 8.3.1 Uscita OR 203 8.3.2 Uscita NOR 204

X Indice 8.4 Lo stadio regolatore di tensione 205 8.4.1 Analisi del comportamento termico 206 8.4.2 Analisi della variazione della tensione di alimentazione 210 8.5 Lo stadio di uscita 211 8.6 Fan-out 213 8.7 Comportamento dinamico e tempi di propagazione 214 8.8 Potenza dissipata e prodotto ritardo-potenza 218 8.9 Porte logiche ECL 219 8.10 Porte ECL avanzate 220 Esercizi di riepilogo 221 Riferimenti bibliografici 222 Capitolo 9 Circuiti di interconnessione e di ingresso/uscita 223 9.1 Circuiti logici standard 223 9.2 Porte A-O-I 225 9.3 Porte per logica cablata 227 9.4 Porte a tre stati 231 9.5 Invertitori con isteresi 234 9.6 Interfacciamento di famiglie logiche differenti 237 9.7 Invertitori e porte logiche BiCMOS 241 9.7.1 Invertitore BiCMOS 242 9.7.2 Porte logiche BiCMOS 246 Esercizi di riepilogo 247 Riferimenti bibliografici 248 Capitolo 10 Circuiti combinatori 249 10.1 Circuiti sommatori e sottrattori 250 10.2 Circuiti comparatori 255 10.3 Circuiti codificatori e decodificatori 256 10.4 Circuiti multiplexer e demultiplexer 263 10.5 Unità Logica Booleana 266 10.6 Matrici Logiche Programmabili (PLA) 267 Esercizi di riepilogo 271 Riferimenti bibliografici 273 Capitolo 11 Circuiti sequenziali 275 11.1 Introduzione 275 11.2 Circuiti bistabili 276 11.3 Il bistabile SR 278 11.4 Realizzazioni circuitali del bistabile SR 284 11.4.1 Tecnologia MOS 284 11.4.2 Tecnologia bipolare 286 11.5 I flip-flop sincronizzati 288 11.6 Flip-flop JK 290 11.7 Flip-flop Master-Slave 294 11.8 Flip-flop D e T 296 11.9 Registri e contatori 298 Esercizi di riepilogo 301 Riferimenti bibliografici 302

Indice XI Capitolo 12 Dispositivi Logici Programmabili 303 12.1 Introduzione 303 12.2 Matrici Logiche Programmabili (PLA) 304 12.3 Dispositivi PAL 304 12.3.1 Logica in due passi 306 12.3.2 Programmazione della polarità in uscita 307 12.3.3 Terminali di Ingresso/Uscita programmabili 309 12.4 PLD sequenziali 311 12.4.1 Macrocelle di uscita 311 12.5 PLD complessi (CPLD) 314 12.6 Matrici di porte programmabili (FPGA) 316 12.6.1 Tecniche di programmazione 318 Riferimenti bibliografici 319 Capitolo 13 Strutture CMOS per circuiti VLSI 321 13.1 Introduzione 321 13.2 Logiche complesse FCMOS 322 13.2.1 Dimensionamento dei MOS nelle porte complesse 325 13.2.2 Ritardo di propagazione di reti FCMOS 326 13.2.3 Tracciato delle porte complesse FCMOS 330 13.3 Logiche CMOS differenziali (SCL) 332 13.3.1 Cella elementare SCL 332 13.3.2 Porte logiche SCL 335 13.4 Logiche con porte di trasmissione 339 13.4.1 Porte logiche elementari con porte di trasmissione 344 13.4.2 Circuiti combinatori con porte di trasmissione 346 13.5 Logiche dinamiche 348 13.5.1 Logica dinamica a due fasi 351 13.5.2 Logica dinamica a quattro fasi 353 13.5.3 Logica dinamica Domino 354 13.5.4 Logica NORA CMOS 356 13.5.5 Confronto tra le logiche dinamiche 357 13.6 Latch e flip-flop in logica dinamica 358 Esercizi di riepilogo 364 Riferimenti bibliografici 366 Capitolo 14 Memorie non volatili 367 14.1 Introduzione 367 14.2 Memorie a sola lettura (ROM) 369 14.3 Struttura interna delle ROM 370 14.3.1 ROM a porte NOR 370 14.3.2 ROM a porte NAND 374 14.4 Memorie ROM dinamiche 376 14.5 Indirizzamento bidimensionale 378 14.6 Memorie non volatili 381 14.6.1 Meccanismi di programmazione 382 14.7 Memorie EPROM 386 14.8 Memorie EEPROM 387 14.9 Memorie Flash 390

XII Indice 14.10 Caratteristiche delle memorie non volatili 391 Esercizi di riepilogo 392 Riferimenti bibliografici 392 Capitolo 15 Memorie RAM 393 15.1 Memorie a lettura e scrittura (RAM) 393 15.2 Celle elementari per RAM statiche (SRAM) 394 15.2.1 Celle in tecnologia MOS 395 15.2.2 Celle in tecnologia bipolare 404 15.3 Circuiti di lettura e scrittura 406 15.4 Organizzazione delle memorie RAM 408 15.5 Memorie RAM dinamiche (DRAM) 409 15.5.1 Celle dinamiche a un transistore 411 15.5.2 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

s.n.c. di MARCON TERRIBILE MANDELLI fotocomposizione g:/macgraw/spirito/prefazione.3d 21.3.6 16:40:22 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.

s.n.c. di MARCON TERRIBILE MANDELLI fotocomposizione g:/macgraw/spirito/prefazione.3d 21.3.6 16:40:41 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 www.ateneonline.it/spirito. 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