Sistemi e tecnologie elettroniche/Circuiti logici: specifiche funzionali

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Segnali logici[modifica]

2-36 In elettronica gli stati logici 0 e 1 sono associati ai due valori di tensione alta V_H \approx V_{AL} e bassa V_L \approx \text{GND} =0:

  • convenzione logica positiva: 1 ⟷ V_H | 0 ⟷ V_L
  • convenzione logica negativa: 0 ⟷ V_H | 1 ⟷ V_L

37 Si definisce una tensione di soglia V_{TR} al di sotto della quale il segnale analogico viene riconosciuto nello stato logico L, e viceversa.

Compatibilità tra porte[modifica]

Compatibilità tra porte logiche.png

43 Per compatibilità si intende la capacità di circuiti connessi in cascata di scambiarsi correttamente stati logici: gli ingressi devono interpretare correttamente i livelli di tensione.

39 Per un segnale analogico proveniente dall'uscita di un circuito digitale, sono definiti due valori limite di tensione:

  • V_{OH} è il valore di tensione minimo per l'uscita U allo stato H;
  • V_{OL} è il valore di tensione massimo per l'uscita U allo stato L.

40 Affinché questo segnale venga riconosciuto correttamente all'ingresso di un circuito digitale, sono definiti altri due valori limite:

  • V_{IH} \leq V_{OH} è il valore di tensione minimo per l'ingresso I allo stato H;
  • V_{IL} \geq V_{OL} è il valore di tensione massimo per l'ingresso I allo stato L.

68-69 Due circuiti logici appartenenti alla stessa famiglia logica hanno le stesse caratteristiche elettriche (alimentazione, tensioni e correnti di uscita e di ingresso, ritardi, consumo) → sono elettricamente compatibili tra di loro.

Comparatore di soglia[modifica]

Exquisite-kfind.pngPer approfondire, vedi la pagina Comparatore di soglia.

45-46-47 Conviene evitare valori limite ingresso-uscita uguali garantendo un margine di rumore per ridurre l'effetto dei disturbi:

\begin{cases} V_{IH} < V_{OH} \\
V_{IL} > V_{OL} \end{cases} \Rightarrow \begin{cases} {\text{NM}}_H = V_{OH} - V_{IH} \\
{\text{NM}}_L = V_{IL} - V_{OL} \end{cases}

49-51 Per recuperare un segnale digitale disturbato, si può interporre fra due circuiti digitali un comparatore di soglia, un modulo che realizza una funzione a gradino: converte un ingresso analogico, in base a un unico valore di soglia S, in un valore logico/binario in uscita.

50 Se il segnale è molto disturbato e oscilla frequentemente attorno al valore di soglia, è preferibile usare un comparatore di soglia con istèresi, che ha due valori di soglia S_1 e S_2: il valore di soglia S_1 viene attivato quando il segnale è crescente nel tempo (da L a H), e viceversa. Il trigger di Schmitt è un circuito che approssima il comportamento del comparatore di soglia con isteresi.

Invertitori R-switch[modifica]

Invertitore nMOS: uscita a vuoto (R_L \rightarrow + \infty)[modifica]

6 L'invertitore a transistore nMOS è costituito da una resistenza di pull-up R_{PU} verso l'alimentazione V_{AL} e da un interruttore a transistore nMOS verso massa \text{GND}:

  • I = L, U = H: la tensione di ingresso V_I=V_{GS}=0 è minore della tensione di soglia V_{th} → il transistore è aperto e in interdizione → la corrente che scorre nella resistenza di pull-up R_PU è nulla → la tensione di uscita V_O è "portata su" alla tensione di alimentazione V_{AL};
  • I = H, U = L: la tensione di ingresso V_I=V_{GS} è maggiore della tensione di soglia V_{th} → il transistore è chiuso e in conduzione → la tensione V_{DS} di pull-down è nulla → la tensione di uscita V_O è "portata giù" a massa (V_O=0).

8 Se si considerano anche le non idealità dell'invertitore:

  • U = L: la tensione V_{AL} si ripartisce anche sulla resistenza R_{\text{on}};
  • U = H: una parte della corrente si disperde nella corrente di perdita I_{\text{off}}.
Transcaratteristica di un invertitore reale

7 La transcaratteristica V_O \left( V_I \right) di un invertitore reale non è brusca ma segue una variazione continua e graduale attraverso uno stato logico non definito. Quando l'uscita è allo stato basso L la resistenza di pull-up dissipa potenza.

53 Sulla transcaratteristica, i valori limite di tensione sono definiti di solito come i punti in cui le tangenti al grafico hanno pendenza 45°.

Invertitore nMOS: carico resistivo R_L[modifica]

9 Se il carico R_L è collegato verso massa, la tensione V_O è inferiore a quella che si ottiene nel caso di carico ideale:

U = L U = H
V_O= \frac{R_L || R_{\text{on}}}{R_L || R_{\text{on}} + R_{PU}} V_{AL} > \frac{R_{\text{on}}}{R_{\text{on}} + R_{PU}} V_{AL} V_O = \frac{R_L}{R_L + R_{PU}} V_{AL} - I_{\text{off}} \left( R_{PU} || R_L \right) > V_{AL} - I_{\text{off}} R_{PU}

Viceversa, se il carico è collegato verso massa, la tensione V_O è superiore a quella che si ottiene nel caso di carico ideale.

Invertitore pMOS[modifica]

15 Poiché nel transistore pMOS le posizioni di source e drain risultano scambiate,[1] se esso venisse collegato verso massa la sua tensione di gate V_{GS} sarebbe controllata anche dalla tensione di uscita V_{DS} \equiv V_O → non sarebbe un invertitore:

V_{GS}=V_I-V_{DS}

L'invertitore a transistore pMOS ha quindi una resistenza di pull-down R_{PD} verso massa, in modo che il controllo della commutazione dell'invertitore sia esercitato dalla sola tensione di ingresso:

V_{GS} =V_I-V_{AL}

La scelta della tensione di soglia V_{th} ha delle restrizioni:

  • aperto/interdizione: V_I=V_{AL} \Rightarrow V_{GS} =0 > V_{th} \Rightarrow V_O=0 (la tensione di soglia V_{th} dev'essere negativa);
  • chiuso/conduzione: V_I=0 \Rightarrow V_{GS} =-V_{AL} < V_{th}  \Rightarrow V_O=V_{AL} (la tensione di soglia V_{th} dev'essere minore (in valore assoluto) della tensione di alimentazione V_{AL}).

Invertitore CMOS[modifica]

Uscita a vuoto[modifica]

CMOS inverter.png

16 In un invertitore CMOS (o a MOS complementari) entrano alternativamente in funzione due transistori di polarità opposte: l'nMOS sostituisce la resistenza di pull-down R_{PD}, il pMOS la resistenza di pull-up R_{PU}, e ciascun transistore ha il terminale di drain verso quello dell'altro. Ogni transistore è caratterizzato da una propria tensione di soglia:

  • nMOS: la tensione di soglia {V_{th}}_n deve essere positiva e minore della tensione di alimentazione V_{AL};
  • pMOS: la tensione di soglia {V_{th}}_p deve essere negativa e maggiore della tensione di alimentazione -V_{AL}.

La tensione d'ingresso V_I={V_{GS}}_n è applicata al transistore nMOS di pull-down → sul transistore pMOS di pull-up è applicata una tensione:

{V_{GS}}_p=V_I-V_{AL}

Se \left| {V_{th}}_p \right| < V_{AL} - {V_{th}}_n, a seconda della tensione di ingresso V_I si distinguono tre casi:

  • 17 0<V_I< {V_{th}}_n: nMOS interdetto, pMOS in conduzione → U = H: il carico è portato all'alimentazione;[2]
  • 18 {V_{\text{th}}}_p <V_I<0: nMOS in conduzione, pMOS interdetto → U = L: il carico è portato a massa;
  • 19 {V_{th}}_p <V_I< {V_{th}}_n: nMOS in conduzione, pMOS in conduzione → l'uscita non corrisponde a uno stato logico definito.

21 Ciascun transistore ammette la rappresentazione circuitale di perdita.

20 Un invertitore CMOS è anche rappresentabile con 41 due interruttori p-switch e n-switch oppure con un unico 35 deviatore.

Vantaggi rispetto agli invertitori R-switch
  • sono fisicamente molto più piccoli rispetto agli invertitori R-switch;
  • hanno una struttura simmetrica e un comportamento simmetrico negli stati H e L;
  • in condizioni statiche hanno in entrambi gli stati un consumo di potenza trascurabile;
  • 22 hanno una transcaratteristica V_O \left( V_I \right) di pendenza maggiore rispetto a quella degli invertitori R-switch → la regione in cui lo stato logico non è definito è molto più stretta → migliori prestazioni logiche. 23 Se la pendenza è idealmente verticale, lo stato logico non definito coincide con l'unica tensione di soglia V_TR.

Note[modifica]

  1. La corrente deve scorrere dall'alimentazione verso massa.
  2. Si suppone un carico ideale: R_L \to + \infty \Rightarrow I= 0.
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