Master in Ingegneria dell`innovazione.

Sistemi elettronici: una panoramica
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
1
Elettronica ovunque
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
2
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).
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
3
Un grande mercato
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
4
Parametri di giudizio dei sistemi
elettronici
Funzionalità.
Costo.
Consumo.
Ingombro.
Facilità d’uso.
Affidabilità.
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
5
Tipi di Sistemi Elettronici
I sistemi elettronici possono essere di tipo
Analogico
Di potenza
Digitale
Misti
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
6
Distinzione tra Elettronica analogica
e digitale
Tradizionale
ANALOGICA
DIGITALE
L’informazione sta nel come varia
nel tempo una tensione o una
corrente
L’informazione sta (a grandi linee) nella
presenza o meno di segnale
I,V
I,V
t
t
Il singolo dettaglio nella forma
d’onda è significativo  una piccola
modifica della forma del segnale
porta ad una informazione diversa
Alla presenza/assenza di segnale (V o I)
viene associato un valore logico
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
7
Effetto del rumore sui segnali
analogici e digitali
In ogni circuito elettronico è presente un rumore, dovuto alla natura
fisica dei componenti elettronici, che si sovrappone al segnale utile
Livello alto
I,V
I,V
t
t
Un rumore, anche di piccola entità, altera
profondamente il contenuto informativo
Livello
basso
Istanti di campionamento
Un rumore (anche di entità
significativa) sovrapposto al segnale non
altera il contenuto informativo
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
8
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)
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
9
Sistemi elettronici digitali
 Hardware
 Software
Schede
Circuiti integrati
Componenti discreti
Interconnesioni
Sistemi operativi
Software applicativo
Linguaggi
Tecnologie
Verifica
Collaudo
Progettazione
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Compilatori
10
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
2
Il consumo di potenza in un circuito CMOS è a proporzionale a V ps (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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
11
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
12
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
ES.
circuiti smart power (potenza intelligente). La parte logica di controllo
è di tipo digitale, mentre quella di potenza è di tipo analogico
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
13
Schema a blocchi di un sistema
elettronico
Es: strumento di
misura
Sensore
Temp,
pressione,….
 V, I
Amplificatore
Condizionamento
del segnale e
aumento di S/N
A/D
D/A
P
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
14
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
15
Schede complesse
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
16
Esempio di visione top-down di un sitema:
generatore programmabile di forme d’onda
Alimentazione
V
Dati
digitali
t
Memoria
Logica di
controllo
D/A
Amplificatore
Forma
d’onda
(analogica)
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
17
Ruolo delle connessioni
Nota: oltre ai singoli blocchi sono fondamentali le connessioni tra i singoli blocchi
Segnali di controllo (leggi, scrivi,
autotest,…)
Logica di
controllo
Espansione nella
visione top/down
Bus dati
Circuiti
di I/O
Memoria
Decodificatore
di indirizzi
Bus indirizzi
Celle di
memoria
Alimentazione
Una memoria può essere vista come un macro-sistema costituito da sotto-blocchi
opportunamente connessi
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
18
Ulteriore espansione nella visione
top-down
Espansione nella
visione top/down
Decodificatore
di indirizzi
Porta logica
Blocco costituto da porte logiche
elementari opportunamente connesse
tra loro
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
19
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
DC-Operated
Batteria
Sistema
Raddrizzatore
Trasformatore
110 -220 V, AC
Bassa
tensione, AC
Bassa
tensione, DC
AC-Operated
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
20
Consumo di potenza
La riduzione del consumo di potenza è uno dei principali requisiti dei sistemi attuali,
sia per un problema di $ che di impatto ambientale
P = VI  P  se V  e I 
Consumo di potenza nei circuiti CMOS:
P  V2  P  se V  e I 
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
21
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
22
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
23
Interconnessioni
P
Memoria
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
24
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
25
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
dV
1
dV
1
 I 
 C 
dt
C
dt
C
A
dim 2
C 

tox
dim
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
Prof. Bruno Riccò D.E.I.S. Università di Bologna
Slide from:
Piero Olivo, Università di Ferrara
26