Introduzione circuiti elettronici digitali (Angelo Castiglione)

Circuiti Elettronici Digitali

• Introduzione 5.1
• Caratteristiche Statiche Inverter 5.7
• Caratteristica Statica 6.1
• Dinamica Logica di Ingresso e Uscita 6.3
• Margini di Immunità al Rumore di Commutazione 6.9
• Soglia Logica 6.9
• Fan In - Fan Out 6.12
• Caratteristiche Dinamiche Inverter 6.14
• Dissipazione di Potenza 7.1
• Potenza Dinamica 7.5
• Prodotto Potenza Ritardo 7.9

Il Transistore MOS

Nomenclatura: il transistore MOS si applica una tensione tra il terminale di gate G ed il terminale di source S, una tensione tra il terminale di source S ed il terminale di drain D e il terminale di source S come mostrato in FIG. 1. Si omette come il transistore MOS ha per il momento il terminale di substrato B (bulk) connesso al terminale di source S.

Così come il transistore bipolare, anche il transistore MOS può lavorare in diverse regioni di funzionamento a seconda del valore assunto dalle tensioni V_GS e V_DS, si distinguono la regione di Triodo, la regione di Saturazione e la regione di Interdizione.

Regione di Triodo

La Regione di Triodo nel transistore MOS è l'equivalente della regione di saturazione del transistore bipolare. Il transistore MOS si trova in regione di Triodo se

(1)

• V_GS > V_T
• V_DS ≤ V_DS,SAT = V_GS - V_T

In regione di Triodo, la corrente che scorre dal terminale di drain D al terminale di source S vale

(2)

I_D = μ_n Cox (W/L) ((V_GS - V_T) - (V_DS/2)) V_DS

dove, μ_n la mobilità degli elettroni, Cox la capacità specifica di MOS, W/L il rapporto di forma in cui W è la lunghezza di gate e L è la lunghezza di gate e infine V_T, la tensione di soglia.

Tenuto conto della seconda condizione in (1), l'espressione della corrente I_D data in (2) si può approssimare come segue:

REGIONI DI FUNZIONAMENTO DEL TRANSISTORE P-MOS

IL TRANSISTORE P-MOS SI TROVA IN REGIONE DI INTERDIZIONE SE RISULTA

• V_SG < |V_TP1|
• V_S - V_G < |V_TP1|
• V_G > V_S - |V_TP1|

IL TRANSISTORE P-MOS SI TROVA IN REGIONE DI TRIODI SE RISULTA

• V_SD < V_SD(sat)
• V_S - V_D < V_S - V_G - |V_TP1|
• V_G < V_D - |V_TP1|

IL TRANSISTORE P-MOS SI TROVA IN REGIONE DI SATURAZIONE SE RISULTA

• V_G > V_D - |V_TP1|

V_D < V_G < V_S

REGIONE DI INTERDIZIONE

REGIONE DI SATURAZIONE

REGIONE DI TRIODI

CARATTERISTICHE STATICHE DELL'INVERTER

LA CARATTERISTICA INGRESSO-USCITA

La caratteristica ingresso-uscita dell'inverter è il rapporto tra la tensione di uscita V_out e la tensione di ingresso V_in.

• V_out
• V_in

Essa è una funzione non lineare che difficilmente viene fornita in forma analitica, vista la sua complessità. Per queste ragioni di norma viene fornita in forma grafica, come mostrato in FIG. 5.3. Le grafiche delle caratteristiche ingresso-uscita prende il nome di curva caratteristica.

In normali condizioni possono individuarsi nella curva caratteristica dell'inverter tre regioni. In queste tre regioni sono quelle esterne che permettono il comportamento logico dell'inverter. Se la tensione di ingresso V_in assume un valore appartenente all'intervallo [V_iLmin, V_iLmax], codifica il simbolo logico 0. Di conseguenza di tale valore di V_in si ha un valore di tensione V_out appartenente all'intervallo [V_oHmin, V_oHmax] che codifica il simbolo logico 1. Analogamente se la tensione di ingresso V_in assume un valore appartenente all'intervallo [V_iHmin, V_iHmax] allora V_out codifica il simbolo logico 1. Ed il comportamento per tale valore di V_in si ha un valore di tensione V_out appartenente all'intervallo [V_oLmin, V_oLmax] che codifica il simbolo logico 0. Le regioni esterne sono a gradino minore di uno, infatti, per una data variazione della tensione di ingresso ΔV_in, si ha una piccola variazione della tensione di uscita ΔV_out.

La regione centrale è invece a gradino maggiore di uno.

I margini di immunità al rumore

A causa delle commutazioni della porte logiche si generano nei circuiti digitali un rumore che potrebbe compromettere la logica del circuito stesso. Questo rumore che è dovuto al funzionamento della porte logiche non può confondersi con il rumore prodotto dalle apparecchiature provisti e attivi che vengono utilizzati per costruire le porte logiche stesse. Il ruolo dell'immunità dei dispositivi è molto importante nei circuiti analogici, poiché rispetto al questo aspetto che viene presentato non c'è prodotto trasecendibile. E’ invece trasecendibile nei circuiti digitali in comporano gli ampia rispetto che codificano i simboli logici 0 e 1. Questo il rumore nei circuiti digitali non è quello interno dei dispositivi utilizzati per costruirli, ma è quello generato durante il funzionamento della porte logiche. Per comprendere meglio questo, dobbiamo consideriamo due porte logiche in cascata che possiamo modellare con il circuito equivalente mostrato in FIG. 6.5. Immagino che R sia la resistenza di uscita della porta logica 1 che va a pilotore il ingresso della porta logica 2 che è rappresentato da un condensatore C. Allorché l’uscita della porta logica 1 commisca il suo stato da basso ad alto possiamo pensare che il tastio T si chiude. Accado il tasio T si chiuse succede che nel circuito RC poneva una conmutà che in breve tempo coincide e cariche il condensatore C passando con lo stesso valore dell’ingresso della porta 2 da 0 a 1 in quanto ai capi del condensatore ora vi è un tensione alta. A causa della variazione repentina della conmutà 1 utile a caricare il condensatore ai capi del esso una variazione repentina di tensione.

ΔH = V_OHmin - V