Elettronica digitale - Parte 1

Elettronica Digitale

parte 1

I Transistor

Focalizziamo, ora, la nostra attenzione sui dispositivi a semiconduttore con tre terminali. I dispositivi a tre terminali sono di gran lunga più utili di quelli a due, del momento che possono essere utilizzati in una molteplicità di applicazioni che vanno dall'amplificazione dei segnali, al progetto di circuiti logici e di circuiti con memoria. Il principio di base che viene sfruttato consiste nello utilizzare la tensione tra due terminali per ottenere il controllo della corrente che scorre nel terzo terminale. In questo modo un dispositivo a tre terminali può essere utilizzato per costruire un generatore controllato che è il punto di partenza per il progetto di un amplificatore. Inoltre, si può usare il segnale di controllo per provocare una variazione della corrente nel terzo terminale di zero ad un valore elevato, consentendo così al dispositivo di funzionare come interruttore (elemento di base per i circuiti digitali).

• Nel 1950 si dimostra il primo transistor a stato solido
• Nel 1958 Kirby dimostra il primo circuito integrato
• Noyce dimostra il primo circuito integrato fatto su un singolo stato di Silicio
• Shannon (ca. 1970) istituisce le basi dell'elettronica digitale

Il gate e il substrato del MOS FET formano un condensatore a facce piane e parallele con lo strato di ossido che funge da dielettrico. La tensione positiva di gate fa sì che si verifichi un accumulo di cariche positive sull'armatura superiore del condensatore (elettrodo di gate). Le corrispondenti cariche negative sull'armatura inferiore è formate dagli elettroni nel canale indotto. Perciò, viene prodotto un campo elettrico verticale che controlla il numero di cariche nel canale e, di conseguenza, la corrente che scorre nel canale quando si applica una V_DS. Ovviamente, sarà possibile perdere di un MOS FET e canale p invertendo le strutture.

Funzionamento in base ed assenza di tensione V_DS

Avendo indotto un canale, si applica una tensione positiva tra D e S, V_DS. Essa fa scorrere una corrente in attraverso il canale indotto, e quella è trasportato dagli elettroni liberi che viaggiano da S a D e la cui intensità dipende dalla densità degli stessi che, a sua volta, dipende dell'ampiezza di V_GS. Per V_GS = V_T (tensione di soglia), il canale risulta appena formato e vi scorre una corrente trascurabile. Quando V_GS > V_T, altri elettroni vengono attratti sul canale: il risultato è che aumenta la conduttanza del canale e, quindi, si riduce la resistenza; in pratica, la conduttanza del canale risulta proporzionale all'eccesso della tensione di gate V_GS - V_T, e ne consegue che la corrente è sempre proporzionale a V_GS - V_T e, ovviamente, alla tensione V_DS che fa scorrere. Il MOSFET sta funzionando come una resistenza lineare il cui valore è controllato da V_GS. Per V_GS ≤ V_T, la resistenza è infinita e decresce non appena V_GS supera V_T. La descrizione appena fatti ci fa capire che...

K_n = 1/2 μ_n Cox (W/L)

• μ_n = mobilità dell'elettrone (costante fisica: in questo caso viene utilizzata la velocità relativa degli elettroni nel canale a indotto)
• Cox = capacità dell'ossido, ovvero la capacità per unità di area del condensatore tra il gate e il substrato, il cui dielettrico è formato dallo strato di ossido (Cox = Eox/tox)
• L = lunghezza del canale
• W = larghezza del canale

Siccome la quantità 1/2 μ_nCox è una costante (circa 40 μA/V²), il fattore di forma W/L determina il suo parametro di conducibilità K.

In prossimità dell'origine, dove V_DS è sufficientemente piccolo da poter trascurare il termine V_DS, le caratteristiche i_D-V_DS sono descritte dalla relazione:

i_D ≈ 2K (V_GS-V_T) V_DS

Questa relazione descrive il funzionamento di un transistor MOS come resistenza r_DS:

r_DS = V_DS/i_D = [2K (V_GS - V_T)]^-1 il cui valore è controllato da V_GS.

Il MOSFET lavora nella regione di saturazione quando V_DS è maggiore di V_T e la tensione di drain non scende sotto la tensione di gate di una quantità maggiore di V_T. Il confine tra la regione di triode e la regione di saturazione è descritto da: V_DS = V_GS - V_T (confine). Sostituendo il valore di V_DS nell'equazione della corrente, si ottiene il valore della corrente di saturazione

i_D = K (V_GS - V_T)²

Perciò un MOSFET in saturazione fornisce una corrente di drain i_D il cui valore è indipendente dalla tensione di drain V_DS ed è determinata

L'operazione di ripristino dei livelli logici 1 e 0 in principio viene effettuata

utilizzando un circuito con FDT ideale a soglia; in questo circuito, un segnale

d'ingresso distorto Vi viene ripristinato ai livelli logici primitivi, in quanto i

livelli inferiori della soglia Vs vengono ripristinati al livello 0 e quelli

superiori al livello 1.

Infatti, nei circuiti digitali binari, i valori della variabile binaria vengono rappresentati con due diverse tensioni:

• Vi_L → 0 (Low)
• Vi_H → 1 (HIGH)

Questi due valori, in genere, coincidono con due intervalli di tensioni

distinti: Quando il segnale è compreso tra Vi_L e Vi <iH è interpretato come

uno 0 logico; se l'ampiezza del segnale cade tra Vi_H e Vi <in viene interpretato come un 1 logico. Le due bande di tensione sono separate da un

Intervallo in cui si suppone che la tensione di segnale

non possa mai cadere. Questa banda proibita rappresenta una regione indefinita o regione di indeterminazione.

Quanto più sono distanti lo 0 e il 1 logico, minori sono

gli errori di codifica.

- Invertitore logico ideale.

L'invertitore ideale è un circuito che abbia delle caratteristiche di

trasferimento a soglia, necessarie per la rigenerazione dei segnali logici, e funzione di inversione dei livelli logici da zero

a 1. L'invertitore ideale è realizzato mediante un interruttore ideale

che viene pilotato dalla variabile d'ingresso Vi, in modo

Nel caso di margini di rumore diversi per i due stati logici, le prestazioni dell'invertitore sono determinate dal più piccolo dei due. Ad esempio, se ho i tre invertitori:

• NM_H = 2,5_NM^L = 2,5
• NM_H = 2_NM^L = 4
• NM_H = 4_NM^L = 1

Sceglierò di comprare il primo.

Per un buon funzionamento dell'invertitore, occorre che sia V_OH > V_IH e V_OL < V_IL, quanto più grande è il campo della variazione V_OH - V_OL rispetto a quello V_IH - V_IL, tanto maggiore sarà la capacità a tollerare i disturbi anche relativamente ampli. In caso di massime tolleranze per un invertitore ideale che presenti il livello V_OH per la tensione di alimentazione V_EE, il livello V_OL per i = 0, V_OH = V_IL e V_OL = V_EE/2, i margini di rumore uguali per entrambi i stati. Debba figurare relativi ai margini di rumore si riceve anche l'escursione di escursione logica, detta da V_OHmin - V_OLmax e cambiata sia in ingresso che in uscita, essendo le grandezze nominali di ingresso e di uscita semplicemente invertite, e le regioni ambigue, definite come il campo di segnali di ingresso che non forniscano lo stato logico previsto in uscita. Infine, viene detta soglie logica V_SL, la tensione che si ottiene identificando sulle FDT e vedere in cui V_IL = V_OL, avvero Vedere della tensione i de che separa i valori bassi da quelli bassi, esso è definito dall'intersección delle curve con una retta con pendenza 45 passante per l'origine.Ovviamente, un parametro di merito dell'invertitore è quello di avere una FDT con un soglio logico quanto più vicina possibile alla metà dle escursione logica; in questo caso, i margini di rumore uguali e, quindi, le rilevazione ai disturbi è le più elevate, e parte di regio, ne ambugue V_IH - V_IL.