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)

A. Vocabolario: termini e modi che si usano, metriche di misura, parametri di bontà

B. Circuiti MOS

C. Circuiti bipolari

D. 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

A. Volatili e non volatili

3. Circuiti ausiliari: non strettamente digitali

A. Alimentatori

B. 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

I

tradotta

ii numeri

ufo un insieme

viene in

Thanx

111 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

µ

vi

Va vi

v

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 tralivelli 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 o

A 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, 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

DEI LIVELLI)

verso Vcc e verso massa, quindi voglio che quantizzi i livelli verso l’1 e lo 0 logico (QUANTIZZAZIONE

A. La proprietà 2 cosa implica? Il circuito deve necessariamente essere non lineare, se fosse lineare l’uscita sarebbe

NON LINEARI)

una combinazione lineare dell’ingresso. Questa proprietà è essenziale (CIRCUITI

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)

DEI LIVELLI)

(RIGENERAZIONE

4. Voglio che l’uscita sia funzione dell’ingresso e non che l’ingresso sia in un funzione dell’uscita (MONODIREZIONALITÀ)

CAPACITÀ DI PILOTAGGIO

5. Il circuito deve avere una certa (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 Vuoi

µ vai

due

solo quantizzati

illogico

va sono

ci

fideale meglio

di

di 7 c'è

non soglia

nessuna

cosi

Vin vi incertezza

01g.co

i s

a vu

vu

i

di statica

caratteristica trasferimento ti

tra

mette relazione continue

IN OUT grandezze

e

in

realtà

In µ ideale

Va µe

i s

ke

a nn

6 19

3

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

vu

Na ideale

va

K va p y

i s

Io

0 Vu

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)

ascissa

Vu punta

1 E Finché Ax ovtefan.ve

IN 0

C

finchè cortesi

C

in Dx By

Vco

i

t

Be

0 tax i s

logico ke

o nn

1

di

0 logico

logico

incertezza

• 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 V

Ax: 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 V

Ay : 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 V

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

V

By: 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 t

vana i s

nn

t v

p

Viene 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? Nn

Vw il

entro 1

se

c'è

fa da in

con peggior

rigenerazione

il

µ ho

in 0 out viceversa

e

in

peggior

viii rom

min laqualità altro

metto invertitore

migliora

vana se un

una identico

f invertitore

nel ad

che

okay 2

dopo se

µ il

investitore

nel ho 1

1 peggior

esempio logico

allora invertitore

sul 2

ottengo

come in figura meta

esattamente

posto

0 a

uno logico validità

dell'intervallo di ho

tu

Vivi Vivi migliorato

elettrico

del

qualità livello

la

fa ce

fico 7am tt i

A livelli

di

abbiamo perché

rigenerazione

nani di

la

abbiamo incertezza pii

out

zona in

c di

delle incertezza

dall'ampiezza zone

l'invertitore

invertitore

1

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

CSD

ke

a nn

D

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 le

il disturbo altera informazioni

Disturbo dall'ampiezza

dipende

Volta IT

ftp

i nel l'inerisiederei

circuito

digitale

INN

il livello logico

Voi

• 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 IH

min 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

1

Voi

LS digitale

Van Ampiezza escursione d wbo

d immunita.ro

Margini

voita 4am entro disturb

quali

i

margini eletti

vengono

Nhl rana

Vienna

Altro parametro per poter qualificare il circuito: alimentazione

• Deve essere fornita della potenza(energia nel tempo)

tra di

bocche got

queste scambio

può avere

si

µ nulla

solito got

che Vivo

accade

Di p

out

se oppure

dj

K va mai

catecumeno prodotto

In

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

Va

E 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

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 out

mentre out stato

ho

stato basso la

convenzionale pot

sul misurare

maniera

una

Ice

Icc t

Ps circuito della

Vco del daiun'idea statica

potenza

ma

2 che dissipare

va

si 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)

IN

Ia due

determina

lavoronominali così

di facendo

Punti punti

I calcolo

nominati Ps

nei quali

i s

te

a 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: analisi dinamica c'è

costanti quali

tra

al però

Viveva i

sono

in n circuito valutare

nel devo

transizione digitale

una

kami facciofacendo

lo saltare

funzione logica e

una

livelli elettrici da all'altro

al

i logico

un

vinari s

i E

t E

un d

cambio

ha

1ns

quando

Kamin un

in delle

fronte capacitàeffettive

I causa

a

90 Ls i di

parassite

Ls i siamo

o in presenza

l

i inerziali

di introducono

tipo

fenomeni

i

ror.is i ritardi alterazioni

i i e

Vana i i i i

i

i i l

i e

i t it tra

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 istanti

te nei

t gli

kami e son la

consideriamo porta

che

quali commutato

abbia

vivrai fa

ti s

i i t

t i t i

run i

i i

i

è l

i

ii i

i

i

i

i i se

i

i t it tra

Ritardo te

propagazione

titilltruserone discesa

i L

tenete µ

te d

salita 2 data

transizione

t

ta

t.in sheet

propagazione ne

porta

della

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

Analisi del compromesso tra potenza e ritardo

sia migliore?

• 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 d

definisco prestazione

parametro globale

come

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)

tra

K va 5

è

inveritore resistiva comune

un

carico

a

fa ‣ 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 abbiamo

Nun

ha a

v ANALISI PER PICCOLI SEGNALI(quella fatta a elettronica)

In questo caso l’analogico