teoria elettronica applicata

Elettronica applicata

Porta 1 Porte L 0.5 V 5.0 mA 1.0 V mA V I V I −0.4 OL OL IL IL 4.5 V mA 3.0 V 20 µA V I −5.0 V IOH OH IH IH

Tabella 7.4: Parametri elettrici delle porte di tipo 1 e L.

In una porta realizzata invece in logica statica complementare l’ingresso è collegato a un comparatore di soglia e il livello della tensione d’uscita è indipendente dal rumore presente sull’ingresso, purché esso non superi la soglia.

Dunque è impensabile utilizzare lunghe sequenze di TG per realizzare un circuito logico complesso. Occorre in ogni caso interporre ogni qualche livello di logica una porta complementare per evitare il rischio di un deterioramento del segnale tale da indurre malfunzionamenti nel circuito logico.

7.4 Esempi pratici

I prossimi paragrafi presentano degli esempi di interconnessione e pilotaggio di carichi con porte logiche di tecnologie diverse e illustrano con degli esempi numerici i valori tipici delle grandezze elettriche di interesse. wrwitoit situationoumdizzml n'two

7.4.1 Calcolo di fan-out perstraw

.Vportalhuattuistiohe sortAL: -2kt RpuRpd -. .ItIII.:i;IoiIv L 1. RP ULGmetteristidu 1porte : L 2,hmAVin OV In:Oh* = RP D20µAVu+= V I* 3,0 =# L N

Figura 7.21: Schema circuitale a cui fa riferimento l’esempio 7.4.1.

Nello schema 7.21, = 2 kΩ e = 10 kΩ rappresentano un carico R RP D P U NON standard associato all’uscita della porta 1. = 5 V. Le caratteristiche di VAL uscita della porta 1 e di ingresso delle porte sono riportate in tabella 7.4. Qual Lè il massimo numero di porte che è possibile connettere all’uscita della porta L1? 7-29

Soluzione

In primo luogo si può osservare che le porte sono compatibili con la porta 1 L per quanto riguarda le tensioni. Infatti si ha che e .V < V V > VOL IL OH IHL L1 1

Occorre poi verificare quante porte sia in grado di pilotare la porta 1 oltre al carico rappresentato dalle due resistenze, calcolando la corrente totale assorbita ¥m¥¥ a livello alto e basso.

Livello alto

Rpd Quando l’uscita della porta 1 è a livello alto, se consideriamo il nodo di uscita abbiamo due correnti entranti, quella della porta 1 e quella che scorre nella resistenza , e due correnti uscenti, quella che scorre in R RP U P D e la somma delle correnti di ingresso nelle porte L. La tensione d’uscita deve rimanere compresa tra e e questo succede se V V |I | < |I |.AL O OHOH1 1 1

Se consideriamo la tensione d’uscita pari a avremo il massimo contri-VOH1 buto ammissibile per la resistenza e il minimo contributo della resistenza RP U. Poiché la corrente in ha lo stesso verso della corrente d’uscita della R RP D P U porta, questa rappresenta un “aiuto” alla porta 1, mentre la corrente in RP D aol.EE# rappresenta in questo caso un carico aggiuntivo. La corrente può quindi IO1 essere espressa da:

IpdTo Ipa NI+ = + # V − VV AL OHOH= + 11 − ≤ |I |I n · I OHO IHL 11 R RIpw Ipo P D P U

Valant then 0.5 V4.5 V 5 mA =⇒ 140=⇒ = 20 µA + − ≤ n ≤I n ·O 2 kΩ 10 kΩNI IoIo < a-then + # Vtggphnu=

Livello basso

Nella situazione di uscita bassa la porta 1 assorbe corrente, fino al massimo della pari a 5 mA. Le resistenze giocano un ruolo opposto IOL al caso precedente: rappresenta un carico supplementare che deve essere RP U assorbito da 1 oltre alla corrente uscente dagli ingressi delle porte logiche L; • lRpu la resistenza invece facilita il pilotaggio assorbendo parte della corrente RP D proveniente dai carichi. Supponiamo che il carico sia massimo, il che equivale a •2 dire tensione sull’uscita pari a .at V< OLRpd & L V − V VAL O O= +I n · |I | − ≤ IO IL OL• R RP U P DLAn 0.5 V4.5 V= 0.4 mA + 5 mA =⇒ 12I n · − ≤ n ≤O 10 kΩ 2 kΩ

Quindi il fan-out è determinato da questa seconda situazione di utilizzo e il massimo numero di porte logiche che possono essere collegate vale dodici. L

7.4.2 Pilotaggio di LED

Si vuole pilotare un diodo LED con un inverter TTL-LS. Si utilizzino le specifiche A ^ seguenti: reqnaledi

• Tensione di alimentazione: = 5 V. • VAL
• Caratteristiche LED: = 1.7 V, corrente necessaria per avere una • VON buona illuminazione del diodo: = 5 mA. ION
• Caratteristiche di uscita della porta: = 2.7 V; = 0.5 V; = • V V IOH OL OH µA; = 8 mA. −400 IOL 7-30

#,VotefynhfiesipoorealizzaneIoaLIorappresentuuu@luriw.qu VALJiin/ correntefaswvrere Posso maneprogram.=R fewwenteVAL-Vj-V=belimitaue IPen now =usoitaa ,Ji Rtension toAtp RV2,7 Vy= 5 7V1 ,5V-0VR - R560= =-5mA FSerie E 12(a) (b)

Figura 7.22: Due possibili modalità di collegamento del diodo LED.

Soluzione

I diodi LED sono diodi costruiti con semiconduttori diversi dal silicio (GaAs, GaP, GaAsP,SiC, GaInP, ...). La caratteristica tensione-corrente di un LED è simile a quella di un diodo normale, a parte il fatto che la tensione di soglia è diversa e dipende dalla composizione chimica del LED e dal colore della luce emessa. In funzione del tipo di diodo varia anche la corrente necessaria per ottenere una buona luminosità. Le specifiche dell’esercizio si riferiscono a un tipico LED rosso usato per segnalazione di stato di circuiti digitali.

Non è possibile collegare all’uscita di un circuito logico direttamente un LED verso 0 V o in quanto non risulterebbe controllabile la corrente all’interno VAL del dispositivo. Occorre allora inserire in serie una resistenza di valore opportuno. I due circuiti possibili, riferendo il LED a 0 V o , sono rappresentati in VAL figura 7.22.

Qualora la capacità di pilotaggio della porta logica sia simmetrica (cioè entrambi i circuiti sono utilizzabili purché la corrente assor-|I | ≃ |I |),OH OL bita dal LED sia inferiore alla massima corrente fornibile dalla porta, mentre se la caratteristica della porta è asimmetrica occorre stabilire quale soluzione sia possibile. Occorre cioè analizzare per entrambi i circuiti il funzionamento con uscita a livello alto e basso.

1. Con la prima topologia (fig. 7.22.a) non ci sono problemi a livello basso: = 0.5 V e il LED in questo caso risulta spento. Se però si analizza VOL che cosa succede con l’uscita della porta a livello logico alto, si scopre che la massima corrente che la porta è in grado di fornire al LED, = IOH mA, è decisamente insufficiente ad accendere il LED. −0.4
2. Utilizzando la seconda soluzione (fig. 7.22.b), a livello basso può scorrere corrente nel LED: infatti la corrente viene assorbita dalla porta e la tensione d’uscita è pari al massimo a . Il valore massimo della corrente VOL d’uscita è compatibile con la corrente che deve scorrere nel LED, .ION Dunque la corrente passa nel LED e nella resistenza provocando nel R, LED una caduta di tensione pari alla sua tensione di accensione e VON sulla resistenza una caduta pari ad almeno . È allora sufficiente dimensionare perché in queste condizioni si abbia una corrente R pari a nella resistenza stessa: ION V − V − VAL ON OL= = 560 ΩR ION

Che cosa succede quando l’uscita della porta è a livello alto? A prima livelb vista potrebbe sembrare che nel LED possa anche in questo caso scorrere logiaLa porta a corrente, in quanto = 2.7 V sembra tale da permettere un passaggio VOH correnteAlto assorhe di corrente nel dispositivo (V = 3.3 V). In realtà questo non non − VAL ON solo succede, perché la porta a livello alto non è in grado di assorbire corrente be generame ma solo eventualmente di generarla. In questo caso quindi la tensione d’uscita salirà a un livello tale da non permettere passaggio di corrente in R.

La capacità di pilotaggio asimmetrico delle porte TTL, verificata in questo esercizio, obbligava i progettisti a soluzioni del tipo presentato, cioè a pilotare i carichi quando le porte logiche presentavano un livello di uscita basso. La tecnologia attuale permette di costruire porte con capacità di pilotaggio simmetrica, } per cui è possibile indifferentemente pilotare carichi riferiti a 0 V o a .VAL - .

7.4.3 Wired-or

Ro pauemetro Si vuole dimensionare la resistenza di pull-up nel circuito riportato nello palassitaR perP U schema 7.23. Si ricorda che il simbolo sulle porte logiche indica il fatto che la collector∗ open loro uscita è open collector.⇐defininepossomo Si considerino le seguenti caratteristiche elettriche delle porte logiche: dlivello VAL=5✓solo • porte open collector tipo LS05: •dellabasso sheetdataso±5.5 V; = 100 µA; = 0.5 V; = 8 mA;V ≤ I V IOH OH OL OL|* nA× ,*=5i5VVoamporta di tipo HC: •Glleqoquinti teaRpu pen = 3.15 V; = 1 µA; = 1.35 V; = µA;V I V I −1 View specifiaitaIH IH IL IL pudiealtolivdlo botperporta di tipo LS standard: • V30Voann == 2 V; = 20 µA; = 0.8 V; = µA;V I V I −400 ,IH IH IL IL7-32• W=5V| indicatevalue aei ViewMassimo a solo→ Vwlleqaue 5.5Rpu perpasso coprirsi daWentualivumori

Figura 7.23: Schema dell’esempio 7.4.3.

Soluzione

La linea può assumere valore logico alto quando sia A che B hanno uscita in alta impedenza (corrispondente al livello alto di una porta totem-pole), oppure livello basso in tutti gli altri casi. Per dimensionare occorre studiare il RP U comportamento del circuito considerando tutte le configurazioni delle uscite. Analizzeremo separatamente lo stato alto e basso della linea.

Livello alto

Leggendo le caratteristiche delle porte LS05 ci accorgiamo che sono definite una tensione e una corrente . Dato che la porta non è in V IOH OH grado di fornire un livello di tensione definito a livello alto, che di fatto è per la porta un livello Z, occorre capire il significato di tali parametri. Per quanto riguarda la tensione, in questo caso è la massima tensione che la linea può VOH presentare senza provocare danni all’uscita della porta quando questa è in alta impedenza. Di fatto indica la massima tensione a cui può essere collegata VOH la resistenza di pull-up. Esistono delle porte open collector ad alta tensione in cui questo valore supera di molto la tensione di alimentazione del dispositivo.

L’altro parametro riguardante l’uscita alta, , rappresenta la massima corrente IOH te parassita che può essere assorbita dalla porta anche quand’essa è idealmente scollegata nello stato Z. È necessario tenere conto di questo parametro in quanto rappresenta un termine spesso preponderante nella corrente che scorre in RP U con linea a livello alto.

Calcoliamo la corrente che scorre a livello alto nella resistenza di pull-up: toVoVAL .- IHOH. In At= 2I + + = 0.221 mA A BI I I+ As+=Fp ,+e=# P U OH IH,HC IH,LS↳ anVo

La tensione sulla linea allora sarà:221µA *= *B B LS= =V V − V V − R IL AL P U AL P U P UVVo alivdbaltocorrente> . Il potenziale deve essere maggiore o uguale della minima delle tensioni-VHc Lni riconoscibile come alta in ingresso alle porte HC e LS per poterle pilotare correttamente. max (V = 3.15 V, = 2 V)V ≥ VL IH,HC IH,LS5 V 3.15 VV − V −• AL IH,HC = 8.2 kΩR ≤ ≃P U 221 µAIP U

Anche se questo dimensionamento è corretto, sarebbe preferibile utilizzare come valore minimo di tensione sulla linea una tensione un po’ più alta di 3.15 V in modo da garantire un certo margine di rumore. Considerando ad esempio 3.7 V, il valore massimo di resistenza diventa circa 5.6 kΩ.

Livello basso

La linea può portarsi a livello logico basso in tre modi diversi: = = = = = = La prima di queste combinazioni A L, B L; A Z, B L; A L, B Z. vede entrambe le porte attive, in grado quindi di assorbire corrente, mentre nelle altre due una sola porta deve gestire tutta la corrente proveniente da resistenza di pull-up e ingressi. Scegliamo dunque per il dimensionamento del circuito una di queste configurazioni, più sfavorevoli della prima. La porta non attiva viene completamente ignorata nei calcoli: non si considera cioè la corrente di cui IOH 7-33%¥# CamiPurtroppoho 3 Vo22 1 •4 a.A as[ LZ |VoCaso favoreuole → X2 B a Lsbesi sfauoreeoli Be Enon correntescone

Abbiamo tenuto conto nei calcoli a livello alto, in quanto è un termine parassita sulla cui presenza non si può fare affidamento e che, se considerato, sarebbe un aiuto alla porta attiva. Dunque il caso peggiore è non considerarlo. L’equazione al nodo è quindi:

L V − VAL O + += I I ≤ II IL,HC IL,LS OLO RP U

La tensione sulla linea al massimo può valere , da cui:V VO OLRID 5 V 0.5 V−8,2ktE + 0.4 mA 8 mA≤RP U't 592 ΩR ≥P U

Il valore minimo per nella serie E12 è 680 Ω.RP U

Osservazioni finali

L’analisi del circuito ha portato ad ammettere perOsservazioni finali RP U una gamma di valori ampia circa una decade. Quali sono le scelte progettuali più corrette per dimensionare in modo ottimo tale componente? I due parametri che generalmente si considerano sono:

• Dissipazione di potenza. Una resistenza di valore basso porta ad una mag-•Rpu giore corrente sulla linea a livello basso (a livello alto la corrente dipende poco dal valore di resistenza). Viene quindi aumentata la dissipazione di potenza del circuito.
• Velocità di commutazione. La transizione H-L sulla linea è dovuta all’entrata in conduzione di una delle uscite ed è quindi indipendente dal valore ¥ della resistenza, mentre la transizione L-H è dovuta al passaggio di un’uscita dallo stato attivo allo stato di alta impedenza. La linea si porta a alta scita dallo stato attivo allo stato di alta impedenza. La linea si porta a Pii he riesistenaui e livello alto solo grazie a , la quale deve caricare le capacità parassi-RP UJi tempowrtantebepii te presenti nel circuito. e le capacità parassite formano quindi un RP U circuito RC in cui la costante di tempo dipende dalla resistenza. Risul-τWebb ! ta quindi evidente come una resistenza più bassa porti a una maggiore velocità delle transizioni L-H.

it condensation impieqa A seconda delle necessità e delle caratteristiche dei segnali trattati, ossia del vallentulutempopii nel quale va inserito il circuito, si sceglie un valore della resistenza di contesto, pull-up atto ad ottimizzare le prestazioni richieste. mlitutransition in ,Jisasa heme

7.5 Comportamento dinamico delle porte logiche

7.5.1 Definizioni

Finora ci siamo occupati della caratteristica statica dei circuiti logici. Studiamo 820ARpu ora che cosa succede durante la commutazione da un livello logico all’altro. ⇐ Essendo le porte logiche dei componenti reali, non reagiranno istantaneamente ad una variazione degli ingressi. Inoltre la commutazione non avverrà in Solitamente tempo 0. Occorre definire in modo rigoroso come misurare i ritardi dei segnali e i tempi necessari a commutare. Il tempo impiegato nella commutazione alto-basso. 7-34 di un segnale logico viene detto tempo di discesa, o fall time. E’ definito come il tempo intercorso tra l’attraversamento da parte del segnale della soglia posta al 10% dell’ampiezza della transizione e l’attraversamento della soglia posta al 90% della stessa (fig. 7.24a). In modo analogo è definito il tempo necessario alla commutazione basso-alto. Tale tempo è indicato come tempo di salita o rise time.

Per quanto riguarda il tempo necessario a propagare il segnale all’interno di un circuito logico si parla di propagation delay e si misura dall’istante in cui il segnale d’ingresso supera una soglia p