Sistemi e Tecnologie Elettroniche - Appunti

V V V > V V

I AL GS th O

La resistenza di è verso massa; si tratta di un circuito identico al primo, con la

pull-down R PD

differenza che U 1 quando è chiuso.

→ pSW

Inverter

11.2.4 a MOS complementari

La struttura CMOS è una combinazione di MOS tipo (lato GND, e tipo (lato ,

n V

pull-down) p AL

pull-up):

• uscita H quando I = L (pSW chiuso, aperto);

nSW

• uscita L quando I = H (pSW aperto, chiuso).

nSW

Confrontando la transcaratteristica del CMOS e quella dell’invertitore si trova che la prima:

R/SW

• è simmetrica;

• è più ripida. inverter

Caratteristiche CMOS

Si tratta di una struttura complementare simmetrica:

• i due MOS/interruttori operano come un che commuta l’uscita tra massa e

unico deviatore

alimentazione;

• nessuna resistenza di o

pull-up pull-down;

• comportamento simmetrico negli stati H e L.

Idealmente, non essendoci resistenze, il sistema non dissipa potenza, anche se nel caso reale non è

così.

Componenti CMOS commerciali

I circuiti attuali hanno transcaratteristica praticamente le tensioni di ingresso vengono

verticale;

interpretate come stato H o L a seconda del valore maggiore o minore di una soglia :

V

TR

• stato H;

→

V > V

I TR

• stato L.

→

V < V

I TR

In ottica progettuale dimensionare i transistori significa determinare e .

w w

n p

75

11 – Circuiti logici 1

11.3 Moduli digitali: segnali I/U

Un modulo funzionale digitale ha:

• alimentazione (V – GND);

AL

• segnali di ingresso e uscita, espressi con variabili binarie (gruppi di 1/0, in forma seriale o

parallela).

11.3.1 Alimentazione e segnali

La tensione di alimentazione è generalmente una tensione positiva:

V AL

• alcuni moduli usano più tensioni, per ridurre il consumo;

• valori più comuni: 5 V, 3.3 V, 2.5 V, 1.8 V, . . . , 0.8 V.

Si analizzeranno i segnali presenti su singoli ingressi e uscite, tali risultati saranno applicabili per

moduli con più ingressi e uscite.

11.3.2 Stati logici e livelli elettrici

L’uscita di un circuito logico può essere vista come un deviatore tra e , tensioni ricavate

V V

H L

rispettivamente dalla tensione di alimentazione e da 0 V (GND). Si hanno quindi i seguenti

V AL

stati:

• stato 1, H: = ;

≈

V V V

O H AL

• stato 0, L: = 0 V.

≈

V V

O L

11.3.3 Compatibilità tra ingressi e uscite

Gli ingressi riconoscono lo stato logico confrontando la tensione di ingresso con una soglia ,

V V

I TR

tale per cui:

• : stato H, riconosciuto come stato alto.

V > V

I TR

• : stato L, riconosciuto come stato basso.

V < V

I TR

spesso proviene dall’uscita di un altro circuito logico, quindi i valori di e devono essere

V V V

I O I

Purtroppo non è possibile garantire un valore preciso di tensione di uscita di una porta

compatibili.

logica, pertanto vengono specificati i valori limite (per ogni porta): e . Allo stesso modo

V V

OH OL

non è possibile garantire un valore preciso per la tensione di soglia, pertanto vengono specificati

i valori limite (per ogni porta): e . È chiaro che si tratta di e non di

V V campi di variazione

IH IL

livelli, quindi per avere un collegamento tra porte logiche funzionante ci dev’essere compatibilità

tra i campi di variazione.

11.3.4 Compatibilità tra porte

Per si intende la capacità di un insieme di circuiti di scambiarsi correttamente stati

compatibilità

logici, ossia gli ingressi interpretano i livelli di tensione. Perché ciò accada devono

correttamente

sussistere le seguenti relazioni:

• : c’è garanzia che un’uscita allo stato L generi per gli ingressi delle porte collegate

V < V

OL IL

, quindi interpreti come stato L;

V < V

IL 76

11.4 – Segnali: logici o analogici?

• : c’è garanzia che un’uscita allo stato H generi per gli ingressi delle porte collegate

V > V

OH IH

, quindi interpreti come stato H;

V > V

I IH

• per garantire le disuguaglianze per una famiglia logica, i definiscono per ogni

data sheet

famiglia , , , .

V V V V

ILmax IHmin OHmin OLmax

11.4 Segnali: logici o analogici?

Le tensioni che rappresentano le variabili logiche sono segnali analogici, quindi a causa del rumore

e delle non-idealità dei circuiti i segnali possono assumere valori diversi da quelli previsti, ossia

rumore e disturbi modificano le tensioni presentate dall’uscita.

11.4.1 Margini di rumore

La differenza tra e , tra e garantisce che lo stato logico venga interpretato corret-

V V V V

OH IH OL IL

tamente anche in presenza di disturbi. Questa differenza definisce il (noise

margine di rumore

margin):

• = ;

−

N M V V

H OH IH

• = .

−

N M V V

L IL OL

Ogni passo di elaborazione aggiunge rumore, tuttavia, come già precisato in precedenza, per i

segnali digitali la degradazione dovuta al rumore è (se contenuta entro certi limiti).

recuperabile

11.4.2 Comparatore di soglia

Definizione funzionale:

• modulo con ingresso analogico I, uscita binaria U (L/H, 0/1);

• lo stato dell’uscita dipende dal risultato del confronto tra la grandezza I ed una soglia S:

se I > S: U = H;

– se I < S: U = L.

–

• alcune implementazioni del modulo presentano il fenomeno della isteresi (soglia che varia a

seconda del segno della derivata del segnale d’ingresso):

se I > S1: U = H;

– se I < S2: U = L.

–

Si parla di su segnale digitale se l’ingresso è un segnale digitale affetto da rumore

comparatore V

I

e l’uscita è un segnale digitale ricostruito (livello e ). Siccome tuttavia ogni ingresso

V V V

O OH OL

digitale agisce da comparatore, spesso non occorre interporre esplicitamente un comparatore. Il

circuito di ingresso verifica se , così che l’uscita genera tensioni esterne a o

V V V V

≶

in TR out OL

.

V

OH 77

11 – Circuiti logici 1

Inverter: V V

11.4.3 come definire e ?

IH IL

Per quanto riguarda la transcaratteristica (V ) di un “classico”:

V inverter

O I

• la zona con 1 garantisce la rigenerazione del segnale analogico;

|∆V |

/∆V >

O I

• le zone di saturazione (V = o ) sono separate dalle tangenti a 45°.

V V

O H L

Come già detto i circuiti attuali hanno transcaratteristica praticamente verticale, in relazione alla

quale è possibile individuare una tensione di soglia ; i due punti di tangenza corrispondono

V

TR

alla stessa tensione di ingresso = (= ).

V V V

IH IL TR

V V

11.4.4 Parametri e

IH IL

varia in relazione ad alimentazione, temperatura e altre grandezze:

V TR

• è impossibile definire con precisione ;

V TR

• è definibile il campo di valori possibili per [V ] (individuate da tangenti a 45°):

∈

V , V

R IL IH

: stato logico H;

– V > V

I IH

: stato logico L;

– V < V

I IL : stato logico non definito.

– V < V < V

IL I IH 78

Capitolo 12

Circuiti logici 2

12.1 Circuito equivalente in uscita

L’uscita di un circuito logico può essere vista come un deviatore (realizzato con due MOS comple-

mentari) tra e massa, comandato dalla variabile logica X che determina lo stato dell’uscita. I

V AL

MOS di uscita, quando in conduzione, hanno una resistenza equivalente , che può essere diversa

R O

verso GND o ; nello stato aperto si ha una corrente di perdita che:

V I

AL OFF

• può essere diversa per i due stati H e L;

• è generalmente trascurabile.

Per quanto riguarda la convenzione di segno le correnti sono misurate positive entranti:

• stato H: 0, 0;

I < I >

O I

• stato L: 0, 0.

I > I <

O I

12.1.1 Correnti di uscita: stato H

Con uscita allo stato H che pilota un carico collegato a massa si ha positiva entrante nel carico,

I

quindi 0. La tensione dipende dalla corrente nel seguente modo:

I < V I

O O O

= +

V V R I .

O AL OH O

Per il corretto funzionamento dev’essere , quindi esiste un valore per la corrente

≈

V V massimo

O AL

trovato analizzando la maglia intersecando le equazioni alla porta di uscita. Per garantire

|I |,

O , dev’essere (con segno, la condizione è quindi fissata la

|I | |I |),

V > V I > I <

O OH O OH O OH

tecnologia, non dev’essere troppo piccola.

R

L

12.1.2 Correnti di uscita: stato L

Con uscita allo stato L che pilota un carico collegato a si ha la tensione che dipende dalla

V V

AL O

corrente nel seguente modo:

I

O =

V R I .

O OL O

Per il corretto funzionamento dev’essere 0 V, quindi esiste un valore per la corrente

≈

V massimo

O

, trovato di nuovo analizzando la maglia intersecando le equazioni alla porta di uscita. Per

I O

garantire , dev’essere , quindi fissata la tecnologia, non dev’essere troppo

V < V I < I R

O OL O OL C

piccola. 79

12 – Circuiti logici 2

12.1.3 Parametri di ingresso e di uscita

Si definiscono quindi i seguenti parametri:

• : valore massimo della soglia , tensioni sono interpretate come stato H;

V V V > V

IH TR I IH

• : valore minimo della soglia , tensioni sono interpretate come stato L;

V V V < V

IL TR I IL

• : tensione minima per uscita allo stato alto, stato H se con il vincolo |I |

V V > V <

OH O OH O

|I |;

OH

• : tensione massima per uscita allo stato basso, stato L se con il vincolo

V V < V

OL O OL

|I | |I |.

<

O OL

Le condizioni su sono garantite solo entro determinati campi di , quindi le correnti erogate

V I

O O

o assorbite in uscita devono essere La corrente che circola nell’uscita è dovuta a:

limitate.

• ingressi di altre porte collegate all’uscita: , (praticamente nulle nei circuiti moderni);

I I

IL IH

• altri carichi (diodi LED, resistenze, . . . ).

La compatibilità elettrica tra circuiti digitali richiede quindi anche un controllo sulle cor