Elettronica digitale

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Prof: Roberto Saletti

Mail: robertosaletti@unipi.it

Cosa si fa

• Analisi circuiti digitali: guardando un circuito devo saper estrarre determinate caratteristiche, capire l’ordine di grandezza applicando certe approssimazioni

Prerequisiti

• Propedeuticità: ASE, dispositivi

Programma

1. Circuiti elettronici digitali (più del 50% del corso)
   • Vocabolario: termini e modi che si usano, metriche di misura, parametri di bontà
   • Circuiti MOS
   • Circuiti bipolari
   • Famiglie logiche: dispositivi integrati che realizzano operatori logici elementari
2. Memorie a semiconduttore: hanno la funzione specifica di memorizzare informazioni, ci interessa capire quali limiti devo rispettare per utilizzare una certa memoria
   • Volatili e non volatili
3. Circuiti ausiliari: non strettamente digitali
   • Alimentatori
   • Generatori di clock

Libri

• Millman (la parte digitale l’ha scritta lui)
• Paolo Spirito sull’elettronica digitale

Esame

• Scritto: 6 es in 1h (alcuni a crocette, altri vero/falso, altri es da risolvere)
• Orale: può essere anche subito dopo lo scritto

Circuiti elettronici digitali

Lezione: soluzione ideale per le applicazioni digitali di calcolo

Digitale: deriva da “digit” che significa cifra, quindi è un qualcosa di discreto e contabile

Tutte le applicazioni sono binarie: significa che le cose numerabili sono solo due

Applicazioni digitali: grandezze sono in numero limitato

• Le applicazioni binarie ne sono quindi un sottoinsieme

Nel mondo binario abbiamo due cifre sulle quali si può costruire una logica, un’algebra e creare grandezze da utilizzare per applicazioni di controllo formarne altre (algebra booleana)-> ci apre un mondo alle

Il due del binario è la base sulla quale si rappresentano i numeri, non sono più variabili logiche ma sono bit con i quali rappresento i numeri (numeri binari)-> abbiamo tutte le applicazioni di calcolo con queste grandezze binarie

Prendo una certa forma d’onda nel tempo, sappiamo che si può rappresentare in binario con il teorema del campionamento

Itradottaii numeriufo un insiemeviene inThanx111 E di quantizzazione)

• Devo quantizzare l’errore commesso (errore

[Voglio quindi rappresentare il segnale ed essere in grado di fare un’elaborazione numerica su questo segnale]

Elettronica digitale Bode Binario controllo binari Numeri calcolo numerica segnali Elaborazione Rappresentazione segnale

Elettronica: vantaggi

1. Dimensioni: nell’ordine di 10nm
2. Velocità: si ha un cambio stato nell’ordine dei 10ps
3. Costo: produzione a larga scala, costo unitario è pochissimo
4. Potenza dissipata: circuiti consumano una potenza minimale

Cos’è un circuito elettronico che lavora nel mondo digitale? Una “scatola” alimentata e messa a massa con in ingresso tante tensioni e un’uscita ad esempio

µviVa viv

Le grandezze elettroniche non sono digitali ma analogiche perché possono assumere infiniti valori: sono tensioni e correnti intervalli-> quindi per utilizzare un circuito intrinsecamente analogico con grandezze che sono digitali devo definire degli ai quali viene associato il livello logico tra livelli elettrici

Associazione Va_ e logici 1 logico di incertezza zona logico o

• Se la tensione continua analogica si trova nella zona di incertezza la considero come non rappresentabile nel mondo digitale
• Se riesco a fare in modo che le tensioni che arrivano sui terminali di ingresso appartengono a questi intervalli in modo tale da poter dire che V rappresenta una grandezza logica A (ovvero che su V c’è un valore di tensione che sta oA A nell’intervallo di 1 o in quello di 0), questo anche per tutte le altre tensioni di ingresso e la tensione di uscita è tale da generare dei segnali che appartengono alla zona di 1 o a quella di 0 allora complessivamente questo oggetto realizza una funzione logica U funzione delle grandezze logiche A,B,C

◦ U=f(A,B,C)

Definizioni intervalli validità dello 0 logico e 1 logico-> il circuito può realizzare delle funzioni digitali, ovvero genera tensioni continue che appartengono a quegli intervalli e quindi è interpretata da un valore logico

Che prestazioni deve avere il circuito digitale

Che prestazioni deve avere il circuito digitale, cosa deve fare: proprietà ideali di un circuito digitale

Funzione logica

1. Voglio che realizzi una (OR, AND etc)
2. Come deve comportarsi il circuito in funzione delle grandezze continue? Deve generare in uscita dei valori che appartengono agli intervalli logici adeguati-> voglio che il circuito sia in grado di schiacciare la tensione il più possibile verso Vcc e verso massa, quindi voglio che quantizzi i livelli verso l’1 e lo 0 logico (quantizzazione dei livelli)
   • La proprietà 2 cosa implica? Il circuito deve necessariamente essere non lineare, se fosse lineare l’uscita sarebbe una combinazione lineare dell’ingresso. Questa proprietà è essenziale (circuiti non lineari)
3. Deriva dalla valutazione dei livelli elettrici in relazione ai livelli logici: la tensione pari a Vcc o quella pari al valore minimo dell’1 logico hanno la stessa qualità? No perché nel secondo caso basta poco per portare il valore fuori dalla zona dell’1 gradazione di qualità logico. Quindi posso dare una del livello elettrico: tanto più è vicino a Vcc (o a 0) e tanto più il valore è buono perché è lontano dalla soglia di incertezza, allora la qualità del livello elettrico è importante ai fini della qualità del livello logico. Se nel nostro circuito arriva un ingresso con un certo livello logico con una qualità bassa vorrei che il circuito generasse in un’uscita un livello logico con qualità maggiore (idealmente lo 0 e l’1 elettrico) (rigenerazione dei livelli)
4. Voglio che l’uscita sia funzione dell’ingresso e non che l’ingresso sia in un funzione dell’uscita (monodirezionalità)
5. Il circuito deve avere una certa capacità di pilotaggio (voglio che sia in grado di lavorare insieme ad altri circuiti senza perdere le sue qualità)

Come qualifico un circuito elettronico che lavora nel mondo digitale

• Per semplificare le cose considero un solo ingresso: questo circuito può rappresentare 4 diverse uscite, ovvero 0 fisso, 1 fisso, invertitore e buffer Vuoiµ vaiduesolo quantizzatiillogicova sonocifideale megliodidi 7 c'ènon soglianessunacosiVin vi incertezza01g.coi sa vuvuidi staticacaratteristica trasferimento titramette relazione continueIN OUT grandezzeeinrealtàIn µ idealeVa µei skea nn

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(Come è fatto un circuito digitale che lavora in binario) analisi statica: analizzo l’invertitore

vuNa idealevaK va p yi sIo0 Vu

Come definisco i livelli logici

Come definisco i livelli logici: devo trovare una procedura

• Fisso dei punti sull’ingresso oltre i quali lo 0 non è più considerabile 0_logico e altri punti in cui l’1 non è più considerabile 1_logico

◦ Pendenza pari a -1:

Ovvero i punti con punti A e B (punti cospicui a tangenza unitaria)

ascissaVu punta1 E Finché Ax ovtefan.veIN 0Cfinchè cortesiCin Dx ByVcoitBe0 tax i slogico keo nn1di0 logicologicoincertezza

• Perché abbiamo scelto la pendenza -1? La pendenza è la derivata di dVu/dVin che in questo grafico rappresenta ΔVu/ΔVin del If circuito Amplificazione D

◦ Il termine di Dx è la variazione dell’uscita rispetto alle variazioni dell’ingresso

◦ Importante: abbiamo discriminato i punti in cui il circuito per piccoli segnali ha guadagno unitario

Descrizione grafico

• A Sx di A la derivata è minore di 1 quindi attenua il piccolo segnale
• Tra A e B la derivata è maggiore di 1 quindi amplifica il piccolo segnale
• A Dx di B la derivata è minore di 1 quindi attenua il piccolo segnale

Quindi stiamo facendo lavorare il sistema nelle zone dove non si guadagna (diversamente rispetto al solito che invece volevo lavorare nella zona dove si guadagnava di più). In questo caso la zona dove si amplifica è una zona di incertezza e la voglio evitare vantaggio dell’elettronica digitale,

• Perché si fa così? È un ovvero: se considero un ingresso messo in mezzo ad un intervallo di validità allora in uscita ho sempre un valore posto in mezzo all’intervallo di validità; se a questo segnale considero un oscillazione abbiamo che in uscita ho che questo disturbo viene attenuato

VAx: è il valore della tensione di ingresso più grande che viene interpretata come uno zero_logico e prende il nome di IL MAX con “i” che sta per input, “L” sta per low

VAy: è il valore della tensione di uscita più piccolo che viene interpretata come un uno_logico e prende il nome di con OH MIN “O” che sta per output, “H” sta per high

VBx: è il valore della tensione di ingresso più piccolo che viene interpretata come uno_logico e prende il nome di IH MIN

VBy: è il valore della tensione di uscita più grande che viene interpretata come uno zero_logico e prende il nome di OL MAX

◦ Abbiamo quindi quattro parametri che qualificano un circuito elettronico digitale

Vanna tvana i snnt vpViene Hm

Proprietà circuito digitale

• Funzione logica: fa la NOT
• Quantizzazione delle ampiezze: se distribuisco uniformemente la tensione in ingresso l’uscita mi addensa verso la zona 1 o la zona 0-> infatti caratteristica IN/OUT è non lineare
• Rigenerazione dei livelli? NnVw ilentro 1sec'èfa da incon peggiorrigenerazioneilµ hoin 0 out viceversaeinpeggiorviii rommin laqualità altrometto invertitoremiglioravana se ununa identicof invertitorenel adcheokay 2dopo seµ ilinvestitorenel ho 11 peggioresempio logicoallora invertitoresul 2ottengocome in figura metaesattamenteposto0 auno logico validitàdell'intervallo di hotuVivi Vivi miglioratoelettricodelqualità livellolafa cefico 7am tt iA livellidiabbiamo perchérigenerazionenani dilaabbiamo incertezza piioutzona inc didelle incertezzadall'ampiezza zonel'invertitoreinvertitore1

Condizione affinché ci sia rigenerazione dei livelli: la caratteristica tra A e B deve avere pendenza maggiore dell’unità, quindi è un circuito che deve amplificare per piccoli segnali nella zona di incertezza

CSDkea nnD

Disturbo

Disturbo

Immagino ora di lavorare con il peggiore livello elettrico “0” possibile, questo livello logico può essere riconosciuto anche se è il peggiore e quindi anche su questo livello posso tollerare dei disturbi

vu leil disturbo altera informazioni Disturbo dall'ampiezza dipende Volta ITftpi nel l'inerisiedereicircuitodigitaleINNil livello logicoVoi

• Anche in presenza di disturbo, finché la tensione che rappresenta quel livello logico rimane all’interno dell’intervallo di validità di quel livello logico (ampiezza disturbo limitata) l’informazione non viene alterata; in questo caso il disturbo deve essere minore di V -V e in questo modo il dato non viene perso e si ha una eiezione completa del disturbo OH IHmin min (analogo se il disturbo è sull’altro livello)
• Quindi si cerca, in genere, la necessità di passare il prima possibile in digitale perché così mantengo meglio l’informazione a discapito dei disturbi

1VoiLS digitaleVan Ampiezza escursione d wbod immunita.roMarginivoita 4am entro disturbqualiimargini elettivengonoNhl ranaVienna

Altro parametro per poter qualificare il circuito: alimentazione

• Deve essere fornita della potenza (energia nel tempo) tra dibocche gotqueste scambiopuò averesiµ nullasolito gotche VivoaccadeDi poutse oppuredjK va maicatecumeno prodottoIn

Trascuro quindi le potenze relative alle bocce tra IN e OUT rispetto a massa (approssimazione), l’unica potenza è quella fornita dall’alimentazione

• Il circuito digitale può stare staticamente nel suo valore 1 o 0 oppure commutare e può dissipare potenza VaE Io

Potenza statica: potenza assorbita dal circuito quando il circuito riposa nello stato 0 o 1

Potenza in commutazione: potenza assorbita dal circuito durante le commutazioni di stato

Potenza statica

Analizzo la potenza statica P dissipata S

• Immagino che il circuito riposi per il 50% nello stato 0 e per il 50% nello stato 1 mentre outmentre out statohostato basso laconvenzionale potsul misuraremanieraunaIceIcc tPs circuito dellaVco del daiun'idea staticapotenzama2 che dissiparevasi a

Punti di lavoro nominali di un circuito: la definizione deriva da una costruzione geometrica che fa riferimento ad una soluzione circuitale, ovvero costruisco una successione infinita di circuiti tutti uguali che si alimentano uno rispetto all’altro (elementi in cascata-> l’uscita di una porta è uguale all’ingresso della successiva)-> si fa così fino a trovare un equilibrio: geometricamente prendo l’asse delle Vu e lo riporto sull’asse delle V (rovescio la caratteristica) INIa duedeterminalavoronominali cosìdi facendoPunti puntiI calcolonominati Psnei qualii stea nn

Quindi dal punto di vista statico l’abbiamo analizzato -> ora lo caratterizzo da un punto di vista dinamico, cioè vedere come il circuito si comporta nella variazioni di stato da 0 a 1 e da 1 a 0

Come qualifico un circuito digitale dal punto di vista dinamico

Come qualifico un circuito digitale dal punto di vista dinamico: analisi dinamica c'ècostanti qualitraal peròViveva isonoin n circuito valutarenel devotransizione digitaleunakami facciofacendolo saltarefunzione logica eunalivelli elettrici da all'altroali logicounvinari si Et Eun dcambioha1nsquandoKamin unin dellefronte capacitàeffettiveI causaa90 Ls i diparassiteLs i siamoo in presenzali inerzialidi introduconotipofenomeniiror.is i ritardi alterazionii i eVana i i i iii i li ei t it tra

Analisi dei parametri dinamici di un circuito digitale

Analisi dei parametri dinamici di un circuito digitale

Non si hanno quindi transizioni brusche e inoltre si ha un ritardo di commutazione

• Tempo di salita (t ) R
• Tempo di discesa (t ) s

Ritardo di propagazione: voglio capire il dopo quanto tempo la porta ha commutato

• Prendo LS e trovo il punto di metà che prendo come punto di riferimento, individuo il punto in cui la porta ha commutato nel momento in cui l’uscita supera questo valore in istantite neit glikami e son laconsideriamo portachequali commutatoabbiavivrai fati si i tt i t irun ii iiè liii iiiii i seii t it tra

Ritardo tepropagazionetitilltruserone discesai Ltenete µte dsalita 2 datatransizionettat.in sheetpropagazione neportadella

Se un circuito ha ritardo di propagazione più piccolo rispetto a questo significa che il primo è più veloce, ma siamo certi che sia migliore?

Analisi del compromesso tra potenza e ritardo

• In generale, siccome i ritardi sono dovuti alle capacità, per caricare più velocemente una capacità devo aumentare la corrente e quest’ultima viene fornita dall’alimentazione-> quindi aumento le potenze dissipate aumentando la velocità

◦ Allora non posso trattare i due problemi di potenza e tempo di propagazione come due problemi separati

Power Delay Product

Definisco un altro parametro: (prodotto ritardo-consumo) lo ddefinisco prestazioneparametro globalecome

PDP Pst PDP J HEnergia

Cosa c’è dentro la scatola?

• Ricordando: ci devono essere circuiti non lineari all’interno (circuiti a MOS e a BJT, intesi come elementi non lineari) traK va 5èinveritore resistiva comuneuncaricoafa ‣ Questo circuito come può essere un circuito digitale quando invece ha un comportamento pienamente analogico? Un circuito non è analogico o digitale: un circuito può lavorare in un f campo analogico o in un campo digitale e questo dipende dagli stimoli che gli forniamo, vu ovvero da come vogliamo far lavorare il dispositivo non lineare che abbiamoNunha av analisi per piccoli segnali (quella fatta a elettronica)

In questo caso l’analogico