Sistemi Elettronici Programmabili - Parte 1

Temporizzazione nei circuiti sequenziali

Il tempo di propagazione è relativo alla frequenza di clock → ne vediamo le relazioni

I circuiti digitali si dividono in SINCRONI e ASINCRONI.

Un circuito sincrono è caratterizzato da un segnale speciale, il CLOCK → La frequenza definisce la velocità del circuito.

Se il clock manca il circuito si dice ASINCRONO, invece di avere una temporizzazione per segnali, ogni singolo componente avrà una serie di segnali per la comunicazione (sei pronto? posso inviare?) → la comunicazione è seriale lungo il circuito.

Un flip-flop senza clock è un LATCH → la temporizzazione avviene tramite scambio di messaggi

Vantaggi e svantaggi dei circuiti sincroni

• L'analisi di un circuito sincrono è molto semplice → è un sistema a tempo discreto, facile da realizzare
• È molto affidabile poiché è semplice da analizzare e da progettare e da testare (poiché è un circuito sequenziale)
• Il fatto che sia facile da analizzare e da testare con i VLSI è utile perché si può coprire se non funzionano

- Poiché il clock non verifica la fine della trasmissione, deve essere sovradimensionato per coprire eventuali ritardi

- Se un blocco è lento, il clock deve essere dimensionato su quello.

- Questo tempo, ideale, ha un grosso carico capacitivo e ha ritardi skew, per cui nella realtà è difficile raggiungere questo ideale.

Circuito Asincrono

• Teoricamente tutti i circuiti possono andare alla massima velocità possibile → Innestamento del circuito stesso e dei dati immesso
• Non devo realineare il clock
• Esecuzione dipendente dai ritardi di circuito è difficile da progettare e impossibile da testare nella pratica
• L'affidabilità non è garantita
• Il massimo delle velocità non è garantito

Dopo il sviluppo si preferisce la temporizzazione sincrona

→ Il 98% di quello che si progetta in elettronica digitale è sincrona → sviluppo veloce e bisogno di sincronizzare ↑ed esempio sottosistemi che lavorano a frequenze diverse asincrona per le attese → si cerca di risolvere velocemente il problema garantendo la maggiore affidabilità possibile.

Consideriamo il caso in cui nel suo viaggio il clock accumuli un ritardo

Deve essere pronto prima del tempo di setup del flip-flop, ma il clock è ritardato.

Per cui il vincolo sul tempo di setup sarà _tg + _{tc, max} + _ts « _T +

ovvero, il ritardo migliora la frequenza di clock perchè c'è più tempo per propagare il segnale — mi aspetta un pochino in più essere anche negativo e peggiorare — > in ogni caso anche positivo non è bene, poichè influenza il vincolo sul tempo di hold — > il segnale nel caso migliore varierà dopo _tg + _{tc, min} o deve avere considerazione _CK = _t0 + _{tc, min} > _th + — > se _th + dunque maggiore di _t0, con positivo, il vincolo non sarà soddisfatto, e possono esserci malfunzionamenti.

Definizione: Il ritardo sul clock in due punti del sistema è detto SKEW.

— > Il problema dello CLOCK SKEW deve essere tenuto sotto controllo e i problemi relativi al CLOCK SKEW non possono essere mai di dimensione.

PACKAGE

→ è il supporto meccanico del chip, che permette di collegare le periferiche di I/O e l’alimentazione. → è un involucro che lo protegge dall’ambiente e si occupa della dissipazione del calore generato dal circuito (potenza dissipata).

→ ha un ruolo fondamentale nelle prestazioni del circuito, ha un forte impatto sui risultati del chip (un 50% del ritardo è dovuto al package) → deve avere una bassa induttanza, capacità e resistenza e un’impedenza caratteristica uguale, per adattarsi, a quella di uscita dei chip.

CARATTERISTICHE :

• → PRESTAZIONI ELETTRICHE → bassa induttanza, capacità e resistenza e un’impedenza uguale, per adattarsi, a quella di uscita dei chip.
• → PRESTAZIONI MECCANICHE → capacità di rimuovere il calore generato dal chip → è richiesta una connessione affidabile tra chip e package e tra package e piastra.
• → COSTO → dovuto al materiale, alle dimensioni, e al numero di pin richiesto, che aumenta la complessità del chip.

CLASSIFICAZIONE :

• → MATERIALE COSTRUTTIVO
• → CARATTERISTICHE TERMICHE
• → LIVELLI DI INTERCONNESSIONE

MATERIALE COSTRUTTIVO

→ i package possono essere di due tipi: → PLASTICI e CERAMICI.

I materiali plastici sono più economici, ma meno affidabili, infatti, sono materiali con una struttura porosa che consente l’assorbimento e il trasporto di molecole di acqua o di ioni.

Da questi valori possiamo calcolare l'efficienza termica del package

nello scenario a cui è destinato → se soddisfa requisiti di dissipazione

Chiamiamo _TJMAX la temperatura di rottura del dispositivo, con

_TA temperatura dell'ambiente a cui lavora e P_d è la potenza

dissipata del circuito, in assenza di dispositivi di dissipazione

vale

_θJA P_d + _TA < _TJMAX

→ questa formula vale

in assenza di dispositivi

di dissipazione

Esempio 1

Consideriamo di avere un package TO-220 (un package

commerciale) la cui resistenza termica da datasheet è

_θJA = 50^°C/W e temperatura costante _TA=25^°C (Temperatura ambiente)

con V_DD = 5V e I = 0.5A → vogliamo conoscere la T_J (Temperatura

di giunzione)

N.B. non questo I

I è il flusso di calore → paragonabile alla corrente

ed è nella relazione ΔV = RI (riproposta nello

equivalente di temperatura)

I = ΔV

R

|

A|

I R

ΔT

T_J

|

A|

parliamo di potenza termica Q

• pal

• /

R_th

T_J = T_A + P_{d θJA} = 25^°C + 2.5 W ⋅ 50^°C

W = 150^°C

mentre se rilevava la potenza dissipata e avevamo ΔT = 150^°C− 25^°C = 125^°C

ricordando ΔV = RI, avremmo avuto che il flusso di calore è:

I = ΔV

R ⇔ Q = ΔT

∼Ĵ∼

125^°C ⋅ 1

50

W

°C

LED7I7

W = 2.5 W → che significa

che il circuito

dissipa 2.5 W

LIVELLO 2: CONNESSIONE PACKAGE - PCB

Ci sono due modalità per effettuare questa connessione:

• THROUGH HOLE MOUNTING

  Le connessioni sono realizzate tramite fori nella board, che vanno ad ospitare i pin dei dispositivi, mediante metallizzazione con materiale saldante "Tecnica classica".

• SURFACE MOUNTING TECHNOLOGY (SMT)

  I dispositivi (SURFACE MOUNTING DEVICES = SMD) sono saldati sulla superficie del circuito stampato, senza necessità di forature.

• Nel caso del Through hole mounting
  • VANTAGGI
    • Connessioni affidabili e durature
    • Saldatura facile
  • SVANTAGGI
    • Dimensione dei componenti ridotta
    • I pin devono essere separati di 2,45 mm minimo per ragioni meccaniche
    • I percorsi della "welded connection" possono divenire più lunghi
    • Poiché ci sono i buchi, non possono metterci fili
    • Poiché ci sono i buchi, la piastra diventa più fragile
    • Impedenze possibili alte
• TIPOLOGIE DI PACKAGE
  • DIP = DUAL IN-LINE PACKAGE
    • Quello del PIC classico è un rettangolo di plastica da cui escono i pin che devono essere infissi sulla board
    • I pin sono su entrambi i lati più lunghi che sono collegati al PCB tramite il wire bonding
    • Il problema principale è il numero ridotto di PIN che sono solo su due lati