Elettronica digitale

Digitale ca eletteoni riassunti digitale elettronica

L’informazione viene rappresentata in codice binario —> vengono associate a fasce di valori il significato di 0 logico o di 1 logico.

0 logico —> associato ai valori minori di VL.

1 logico —> associato ai valori maggiori di Vh.

N.B. i valori compresi fra Vl e Vh sono logicamente indefiniti.

È necessario che i valori non appartengano mai a questa fascia intermedia, anche se comunque ci dovrà passare durante le commutazioni.

Blocchi logici elementari

Blocchi logici elementari? È NOT OR ex e§-non Bea d- +c:# -- AÌSTÀBe☐ =jedo-ce-ai-B-ex-norj-DJ-e-a.isnani À B+ -

Circuito invertitore

Consideriamo un semplice circuito.

Vdd —> tensione di alimentazione.

Vin —> tensione di ingresso, pilota un’interruttore che poi una connessione tra il nodo di uscita e massa.

Supponiamo che l’interruttore sia aperto per valori bassi della tensione Vin, e si chiuda per valori alti della Vin (diventa conduttivo).

In questo caso il circuito realizza un invertitore (cioè un Gate che implementa la funzione NOT).

Quando Vin è bassa (0 logico) quando In vale 1 (cioè vin è una tensione alta) l'interruttore è chiuso e la tensione di uscita diventa la seguente:

L’interruttore è aperto, quindi la corrente sul ramo è nulla.

Poiché la corrente sia nulla sulla resistenza, devo annullare la tensione ai suoi capi quindi vo=Vdd.

E siccome vdd è la tensione più alta la variabile logica out è sicuramente 1.

Commenti formula:

• Se scelgo RL molto grande rispetto a RSW otteniamo un valore di Vo molto bassa, in modo tale che possa essere più basso del valore VL cosicché il segnale di uscita sarà uno 0 logico.

N.B. il circuito funziona meglio in caso in cui l’interruttore abbia caratteristiche tanto più simili ad un interruttore ideale, essa viene realizzata con un transistore MOS.

Statica

Caratteristica statica

Caratteristica statica eristica caratt.

F.O.M = Figure di merito delle famiglie logiche statiche.

La caratteristica statica rappresenta la relazione fra la tensione di uscita Vo e quella di ingresso Vin in regime stazionario (cioè indipendentemente dal tempo).

• Voh e Vol = sono le tensioni nominali alta e bassa.

Voh quando l’uscita è un 1 logico.

Vol quando l’uscita è un logico 0.

• Vil e Vih = sono i punti in cui la caratteristica statica ha guadagno di tensione Av = -1.

Definire Vol e Voh

Voglio definire Vol e Voh.

Voh = valore di tensione nominale quando l’uscita è un 1 logico.

Vol = valore di tensione nominale quando l’uscita è uno 0 logico.

Le possiamo definire contestualmente —> Voh è la tensione di uscita quando in ingresso abbiamo Vol, e viceversa.

Identifichiamo un sistema essendo nota la funzione Vtc (cioè la caratteristica).

Sistema a due equazioni e due incognite:

{ Voh = Vtc(Vol) I Voh = Vtc (Vol) • Voh = Vtc (vol) Vol = Vtc (Voh)

Risoluzione grafica determina l’intersezione della funzione Vtc e Vtc:

• Le intersezioni sono 3.

1. Vol, Voh.

2. Voh, Vol.

3. Intersezione fra Vtc e la bisettrice che identifica la soglia logica.

Vlt, è anche definita come il valore della tensione di ingresso per cui l’uscita è uguale all’ingresso.

Disturbi

Si nota che le tensioni di uscita fornite dai Gate differiscono sempre dai valori nominali per effetto dei disturbi (come rumore, accoppiamento capacitivo, tensioni di alimentazione).

A causa dell’esistenza di questi disturbi è necessario definire delle fasce di tolleranza dove il segnale viene comunque riconosciuto correttamente, e quindi viene corretto automaticamente.

Vdd È M }@ ! .""÷ . Vdd I iVotan |I-- y -- • ii ✓viail✓

Vil = massima tensione di ingresso che viene correttamente riconosciuta come bassa.

Vih = minima tensione di ingresso che viene correttamente riconosciuta alta.

N.B. sono le due tensioni di ingresso in cui la caratteristica ha pendenza -1.

Margine di immunità ai disturbi

Margine di immunità ai disturbi.

NML = Vil - Vol (margine di disturbo nello stato logico basso).

NMH = Voh - Vin (margine di disturbo nello stato logico alto).

Proprietà rigenerativa = il segnale tende a rigenerarsi, cioè la sua qualità migliora attraversando i Gate in cascata. Non è rigenerativa quando il tratto centrale ha guadagno minore di 1.

Caratteristica ideale

Ideale statica caratteristca.

La caratteristica ideale ha forma squadrata Von.

Voh = Vdd VDD.

Vol = 0 i--.

Vlt = 0,5 Vdd 1AV 00=.

Av = infinito IVLT•.

NML, NMH= 0,5 Vdd 1i >VDD Vi0,5Ult =

Prestazioni dinamiche

Che dinamiioni prestaz.

Tempi di propagazione = ritardi misurati fra la transizione di ingresso e di uscita, quindi i tempi necessari per attraversare il Gate.

Problematica dell’inizio nel contare il tempo:

• Inizio a contare il tempo quando si trova a metà del suo passaggio.
• L’orologio lo fermerò non quando arriverò a 0 a causa della natura digitale lo o| viene prima del valore nominale per la presenza delle fasce.

Altra motivazione è che il trasitore assomigli ad un transitare RC che è descritta da una legge logaritmica nel quale l’inizo varia di molto ma vicino al valore asintotico la sua crescita cala (t= infinito) —> quindi fermerò l’orologio quando il fronte di uscita passa il 50%.

tpr = tempo di propagazione in salita come il tempo affinché l’uscita raggiunga il 50% di una transizione dal valore basso ad alto, misurata a partite dall’istante corrispondente il 50% della transizione del segnale di ingresso.

tpf = tempo di propagazione in discesa come il tempo affinché l’uscita raggiunga il 50% di una transazione dal valore alto a basso, misurata a partire dall’istante corrispondente al 50% della transizione del segnale di ingresso.

Essendo i due tempi di transizione generalmente non uguali identifichiamo tp come la media aritmetica fra i valori di discesa e salita.

Quindi possiamo concludere che i tempi di propagazione dipendono dalla pendenza del segnale sia in ingresso che in uscita.

Assorbimento di potenza

Assorbimento di potenza.

1. Potenza statica.

PS = tensione alimentazione (VDD) x corrente che esce dalla pila.

2. Potenza dinamica. Supponiamo interruttore ideale VDD Consideriamo l’energia assorbita da Vdd durante la transizione di salita {hpa innescata dall’apertura dell’interruttore.

Vont••EBpd Interruttore el- carica aperto• Pistoutocneaè .Siccome Vdd flatulenza I. oo .e 00 If Voidict) celiaci.Te ate #- == #oVin vao[ | Ecuador(V0 Clvdd VOL )Vdd VOHCi= -=va -EVDD casonelideale

Non tutta la potenza assorbita da Vdd è stata dissipata dalla resistenza in quanto una parte è rimasta immagazzinata sul condensatore!

Vada Ciò vuol dire che se prelevo 10 V 5 finiscono sul G- CiEc, condensatore e gli altri 5 sono dissipati per effetto Joule dalla resistenza.

N.B. non ho dissipato nessuna potenza istantanea poiché l’interruttore è aperto e.

3. Potenza di corto circuito.

Prendendo in considerazione il caso ideale non ci dovrebbe mai essere un percorso conduttivo verso massa, perché i due switch risolvono nel caso ideale questo problema operando in condizioni opposte, tuttavia nel caso reale la cooperazione degli switch non è istantanea; esiste infatti un breve lasso di tempo in cui entrambi gli switch sono accesi e in cui si perde più energia del dovuto.

A 1I 1I 1I IVtu i 'i otfti

Fan-in= indica il numero di ingressi in un Gate, più ingressi ci sono più aumenta la complessità del circuito, infatti al crescere del fan-in accade che i Gate rallentino poiché le correnti si riducono mentre le capacità nei nodi del circuito aumentano.

Fan-out = numero di gate a valle che controlla un determinato gate.

Transistor MOS

Mos transitor MOS.

Da cosa è formato il transitare mos:

• Metallo: buon conduttore.
• Ossido: isolante.
• Semiconduttore: silicio drogato di tipo p, si accumulano le cariche positive.

Un transitore si comporta come un condensatore, ma la sua capacità non è lineare e nel caso il mostro sia cortocircuitato il Mos mantiene una certa carica sulle piastre.

Vfb= valore della tensione per cui la carica sul metallo e semiconduttore sia 0.

AV<Vfb regione di accumulazione.

Vfb>AV> Vt regione di svuotamento.

AV>Vt conduzione e funzionamento transitore mos.

Direzione corrente —> da Drain a Source (inverso alla direzione degli elettroni).

Condizione per passaggio corrente Vgs>Vt.

Condizione di transitare acceso Vds>0.

Ricavare valore della corrente dtrain-source (Ids):

/IDS ( Qin v. W.= VDS VDS/ Un2e Un✗ == ,_Un Lexun-= )VT( Voslox① in -=IDS ) P'loxW VtVDSCVGS boxun Un= - =di W box' W=pp un=di) LVt(Vds VGS=pIDS -

Sperimentalmente notiamo che la dipendenza lineare rimane tale solo per valori di Vds bassi, infatti supporto un certo limite la crescita diventa sub-lineare.

Troviamo questo punto:

Momento in cui la corrente raggiunge il massimo —> punto zero della derivata.

III ])[ (Vds VdsVos )Vt èche Vos Vt( zerop 0per-- -- == diVt tensioneValoreVGS VDS=- > ledelimitache transdel isZoneduecoerente pariquindi a :per >VTÌ ] )£ ([ ) ) (( £IDS Vt Vtvos( VtVG=p VgVG- - -- =- 2

Regione lineare = derivata della corrente positiva.

Regione di saturazione= derivata della corrente nulla.

Rapporto tra Vd e la grandezza del canale.

Situazione di corrente massima, canale ha forma triangolare.

Vd piccola, canale ha forma trapezoidale.

Vd molto piccola, canale ha forma rettangolare.

Per Vds bassa mi trovo, per la corrente in VT Vds regione lineare (retta) VG )(=pIDS ->

Per Vds alta mi trovo in regione di saturazione 2(parabola) =P )( VGS VtIDS -o 2.

Fra retta e parabola troveremo tutte le curve intermedie corrispondenti ai vari valori di Vds.

P-MOS

P-MOS.

Realizzato con:

Substrato di silicio di tipo n che è drogato con atomi donatori.

Regioni di source e drain drogate con alte concentrazioni di atomi accettori e molto ricchi di lacune.

La corrente di canale è dovuta al trasporto di lacune le quali sono portatrici di carica positiva AIDSon —> Vgs<Vt (nel n-mos era Vgs>Vt).

Caratteristica di uscita.

Zona lineare Vds>Vgs-Vtp.

Zona di saturazione Vds<Vgs-Vtp saturazione jineaegvds-VG.seVT Vds-

Invertitore C-MOS

Invertitore C-MOS III. .* ✓pp out••_✓ Gin HET ÈNN

Descrizione:

• Terminali di gate del n-mos e p-mos sono collegati al segnale di ingresso.
• Il segnale di uscita è fornito dal nodo che connette i terminali di drain dei due mosfet.
• Il transitare N ha source polarizzato a massa.
• Il transitare P ha source polarizzato a VDD.

Regime di funzionamento

Regime di funzionamento Mosfet N =

• Acceso Vgs>Vtn —> Vin>Vtn.
• Triodo Vds<Vgs-Vtn —> Vout<Vin-Vtn.
• Saturazione Vds>Vgs-Vtn —> Vout>VinVtn.

Mosfet P =

• Acceso Vgs<Vtp —> Vin<Vdd+Vtp.
• Triodo Vds>Vgs-Vtp —> Vout>Vin-Vtp.
• Saturazione Vds<Vgs-Vtp —> Vout<Vin-Vtp.

Zona rosa = abbiamo l’uscita fissa al massimo, cioè Vdd.

Zona viola = vogliamo calcolare la corrente (possiamo calcolarla sia con la formula lineare dell’n-mos che del p-mos) saturazione MOSPMOSN --o, la relazione tra la tensione di ingresso e di uscita è di tipo parabolico.

Zona arancione= possiamo determinare la corrente.

Vout non compare quindi la tensione di uscita può assumere tutti i valori purché.