Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 1 Sistemi elettronici: una panoramica.

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1 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 1 Sistemi elettronici: una panoramica

2 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 2 Elettronica ovunque

3 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 3 Sistemi Elettronici.  Insiemi complessi di componenti di diversa natura che operano su segnali elettrici.  Tesioni o correnti che cambiano nel tempo.  Acquisiscono, elaborano e trasmettono informazioni (ICT).  Operano in regime di bassa potenza (a volte controllandone una molto più grande).

4 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 4 Un grande mercato

5 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 5 Parametri di giudizio dei sistemi elettronici  Funzionalità.  Costo.  Consumo.  Ingombro.  Facilità d’uso.  Affidabilità.

6 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 6 Tipi di Sistemi Elettronici I sistemi elettronici possono essere di tipo Analogico Digitale Di potenza Misti

7 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 7 Distinzione tra Elettronica analogica e digitale Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara ANALOGICADIGITALE L’informazione sta nel come varia nel tempo una tensione o una corrente t I,V t L’informazione sta (a grandi linee) nella presenza o meno di segnale Alla presenza/assenza di segnale (V o I) viene associato un valore logico Il singolo dettaglio nella forma d’onda è significativo  una piccola modifica della forma del segnale porta ad una informazione diversa I due livelli di segnale associati ai due stati logici (0/1) sono ben distinti  piccole modifiche della forma d’onda non portano ad una informazione diversa Tradizionale

8 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 8 Effetto del rumore sui segnali analogici e digitali Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara In ogni circuito elettronico è presente un rumore, dovuto alla natura fisica dei componenti elettronici, che si sovrappone al segnale utile t I,V t Livello alto Livello basso Istanti di campionamento Un rumore (anche di entità significativa) sovrapposto al segnale non altera il contenuto informativo Un rumore, anche di piccola entità, altera profondamente il contenuto informativo

9 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 9 Ambito di applicazione dell’elettronica analogica  Amplificazione.  Condizionamento del segnale (aumento del rapporto segnale rumore, filtraggio, …)  Elettronica delle alte frequenze (problematiche di conversione e digitalizzazione dei segnali ad alta frequenza)  Elettronica di potenza (livelli di corrente elevati) Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

10 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 10 Sistemi elettronici digitali  Hardware  Software Schede Circuiti integrati Componenti discreti Interconnesioni Sistemi operativi Software applicativo Tecnologie Progettazione Collaudo Linguaggi Compilatori Verifica

11 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 11 Evoluzione dei circuiti digitali I primi circuiti digitali operavano con 0  12 V  elevata immunità ai disturbi poi a 0  5 V, in seguito a 0  3.3 V ed attualmente a 0  1.8 V ed anche a 0  1.2 V Perché ? la riduzione del consumo di potenza è fondamentale per tutte le applicazioni Il consumo di potenza in un circuito CMOS è a proporzionale a (quadrato della tensione di alimentazione)  la riduzione della tensione è necessaria per ridurre il consumo di potenza  la riduzione della tensione di alimentazione riduce la separazione tra i livelli alti e bassi  si riduce l’immunità ai disturbi Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

12 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 12 Perché l’elettronica delle alte frequenze è ancora analogica ? Aumentando la frequenza del segnale deve aumentare la frequenza di campionamento (teorema di Shannon)  Circuiti di conversione A/D più veloci  più difficili da realizzare  più costosi Inoltre, ad ogni valore del segnale anologico campionato si devono associare diversi bit (al crescere del numero di bit, cresce l’accuratezza) Con l’evoluzione dei circuiti digitali aumenta sempre più la frequenza dei segnali al disotto della quale è conveniente convertire il segnale in forma digitale, trasmetterlo ed elaborarlo in tale forma Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

13 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 13 L’elettronica digitale ed analogica non sono necessariamente disgiunte Oltre ai convertitori A/D e D/A esistono sempre più applicazioni in cui, all’interno dello stesso circuito, sono presenti sia parti digitali che analogiche circuiti smart power (potenza intelligente). La parte logica di controllo è di tipo digitale, mentre quella di potenza è di tipo analogico ES. Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

14 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 14 Schema a blocchi di un sistema elettronico Es: strumento di misura Sensore Amplificatore A/D PPD/A Temp, pressione,….  V, I Condizionamento del segnale e aumento di S/N Campionamento e digitalizzazione Elaborazione numerica Eventuale uscita analogica Un sistema elettronico è costituito da tanti macro-blocchi che, a loro volta, possono essere formati da tanti sottoblocchi Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

15 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 15 Visione top-down di un sistema elettronico Sistema Schede elettroniche collegate fra loro Circuiti elettronici collegati fra loro Blocchi più elementari collegati fra loro Componenti elettronici elementari collegati fra loro Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

16 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 16 Schede complesse

17 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 17 Esempio di visione top-down di un sitema: generatore programmabile di forme d’onda t V MemoriaD/A Amplificatore Logica di controllo Forma d’onda (analogica) Alimentazione Dati digitali Comandi di controllo (acquisisci dati, genera forma d’onda,….) Il sistema contiene sempre alcuni blocchi fondamentali: logica di controllo/elaborazione, memoria. Può contenere stadi di conversione A/D e D/A a seconda del tipo di segnale di ingresso/uscita Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

18 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 18 Ruolo delle connessioni Nota: oltre ai singoli blocchi sono fondamentali le connessioni tra i singoli blocchi Espansione nella visione top/down Memoria Celle di memoria Decodificatore di indirizzi Circuiti di I/O Logica di controllo Bus indirizzi Bus dati Segnali di controllo (leggi, scrivi, autotest,…) Alimentazione Una memoria può essere vista come un macro-sistema costituito da sotto-blocchi opportunamente connessi Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

19 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 19 Ulteriore espansione nella visione top-down Espansione nella visione top/down Decodificatore di indirizzi Blocco costituto da porte logiche elementari opportunamente connesse tra loro Porta logica Blocco costituito da transistori (che sono i componenti elementari), opportunamente connessi tra loro Il progettista di SCHEDE (visione tradizionale) ha come mattoni fondamentali i circuiti integrati già pronti. Deve connetterli e capirne la loro interazione Il progettista di CIRCUITI INTEGRATI (visione tradizionale) ha come mattoni fondamentali i singoli componenti e deve connetterli per realizzare funzioni complesse Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

20 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 20 Problemi nei sistemi digitali: consumo-velocità Alimentazione Ogni sistema elettronico deve essere alimentato (corrente-tensione). Generalmente viene alimentato con una tensione continua di qualche V  c’è bisogno, all’interno o all’esterno del sistema, di una BATTERIA o di un blocco TRASFORMATORE-RADDRIZZATORE Sistema Batteria Trasformatore Raddrizzatore Bassa tensione, DC Bassa tensione, AC 110 -220 V, AC AC-Operated DC-Operated Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

21 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 21 Consumo di potenza Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara La riduzione del consumo di potenza è uno dei principali requisiti dei sistemi attuali, sia per un problema di $ che di impatto ambientale Consumo di potenza nei circuiti CMOS: P  V 2  P  se V  e I  P = VI  P  se V  e I 

22 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 22 Dissipazione di calore Nei circuiti passa corrente  aumento della temperatura nel circuito  problemi di affidabilità e calo delle prestazioni  necessità di smaltire il calore. La soluzione consiste nel ridurre il livello di corrente  (a parità di resistenza) ridurre V Ricapitolando V   P  V   I   T  Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

23 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 23 Velocità di risposta (=>frequenza operativa) Il carico dei transistori è di tipo capacitivo. Per aumentare la risposta del circuito (velocità nel passaggio 0  1 oppure 1  0) si deve ridurre il tempo di carica-scarica delle capacità dV/dt = I/C  (a parità di C) dV/dt  se I  Però, se I   P  Dualismo ineliminabile Se si deve andare più veloce, si deve essere disposti a consumare di più e a spendere di più Se si vuole consumare meno si deve essere disposti ad andare più piano Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

24 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 24 Interconnessioni PPMemoria Concettualmente la comunicazione è molto semplice: se il  P forza un dato, la memoria lo riceve e viceversa Es: il  P manda un 1 logico e la memoria lo legge Dal punto di vista elettrico, però, il  P potrebbe essere alimentato a 1.8 V (1 logico  1.8 V) mentre la memoria potrebbe essere alimentata a 3.3 V (1 logico  3.3. V) Per la memoria una tensione di 1.8 V è molto prossima al limite di discriminazione tra livello logico basso e alto  possibilità di errore logico Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

25 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 25 Interconnessioni (II) Se la distanza tra due blocchi   la capacità della connessione   la velocità della comunicazione  E’ importante che 2 blocchi che si trasferiscono in continuazione dati devono essere vicini se la velocità di trasferimento dati è critica.  problema di architettura di sistema (ai diversi livelli: sistema, scheda elettronica, circuito integrato). E’ fondamentale disporre i sotto-blocchi elementari del sistema in modo opportuno per aumentarne le prestazioni Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara

26 Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna 26 Dimensioni di un sistema elettronico Un sistema elettronico deve essere piccolo 1) per ovvi motivi: riduzione dello spazio occupato, del peso,….  $ 2) per migliorarne le prestazioni Se si diminuisce l’area occupata aumentano i problemi legati alla temperatura (J = I/A  ) e la dissipazione del calore diventa più problematica. I vantaggi in termini di prestazioni sono molto di più a parità di I Se si diminuiscono le dimensioni di un circuito  si riducono le capacità  si velocizza il circuito A parità di funzione logica e tecnologia, una realizzazione più piccola è più veloce Slide from: Piero Olivo, Università di Ferrara