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

? È

NOT OR

ex e

§

-

non B

e

a d- +

c

:# -

- AÌSTÀB

e

☐ =

jedo-ce-ai-B-ex-norj-DJ-e-a.is

nani À B

+ -

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)

l

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

L’interruttore è aperto, quindi la alta) l'interruttore è chiuso e la tensione

corrente sul ramo è nulla. di uscita diventa la seguente :

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

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

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 FASCIE DI

TOLLERANZA dove il segnale viene comunque riconosciuto correttamente, e

quindi viene corretto automaticamente

Vdd

È M }

@ ! .

"

"

÷ . Vdd

I i

Votan |

I

-

- y -

- • i

i ✓

via

il

✓

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 IMMUNITA’ 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 IDEALE

STATICA

CARATTERISTCA

La caratteristica ideale ha forma squadrata Von

Voh = Vdd VDD

Vol = 0 i

-

-

Vlt = 0,5 Vdd 1

AV 00

=

Av = infinito I

VLT

•

NML, NMH= 0,5 Vdd 1

i >

VDD Vi

0,5

Ult =

CHE

DINAMI

IONI

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= infinto)

—> 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

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

•

•

E

Bpd Interruttore

el

- carica

aperto

• Pistoutocneaè .

Siccome Vdd flatulenza

I

. oo .

e 00 I

f Void

ict) celiaci

.

Te at

e #

- =

= #

o

Vin va

o

[ | Ecuador

(

V0 Clvdd VOL )

Vdd VOH

Ci

= -

=

va -

EVDD caso

nel

ideale

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- Ci

Ec ,

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

i

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 1

I 1

I 1

I I

Vtu i '

i o

tf

ti

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

MOS

TRANSITOR MOS

E

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

/ Un

2

e Un

✗ =

= ,

_

Un L

ex

un

-

= )

VT

( Vos

lox

① in -

=

IDS ) P'

lox

W Vt

VDSCVGS box

un Un

= - =

di W box

' W

=p

p un

=

di

) L

Vt

(

Vds VGS

=p

IDS -

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 Vds

Vos )

Vt è

che Vos Vt

( zero

p 0

per

-

- -

- =

= di

Vt tensione

Valore

VGS VDS

=

- > le

delimita

che trans

del is

Zone

due

coerente pari

quindi a :

per >

VTÌ ] )

£ (

[ ) ) (

( £

IDS Vt Vt

vos

( Vt

VG

=p Vg

VG

- - -

- =

- 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 )

(

=p

IDS -

>

Per Vds alta mi trovo in regione di saturazione

2

(parabola) =P )

( VGS Vt

IDS -

o 2

fra retta e parabola troveremo tutte le curve intermedie corrispondenti ai vari

valori di Vds

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 AIDS

on —> Vgs<Vt (nel n-mos era Vgs>Vt) Caratteristica di uscita

Zona lineare Vds>Vgs-Vtp

zona di saturazione Vds<Vgs-Vtp saturazionejineaegvds-VG.se

VT Vds

-

INVERTITORE C-MOS

III. .

* ✓

pp out

•

•

_

✓ G

in HE

T È

N

N

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 Mosfet N =

- acceso Vgs>Vtn —> Vin>Vtn

-triodo Vds<Vgs-Vtn—>Vout<Vin-Vtn

-saturazione Vds>Vgs-Vtn —>Vout>Vin

Vtn

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 MOS

P

MOS

N -

-

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