Sistemi e tecnologie elettroniche/Circuiti logici: specifiche funzionali
![]() |
Segnali logici[modifica | modifica sorgente]
2-36 In elettronica gli stati logici 0 e 1 sono associati ai due valori di tensione alta <math>V_H \approx V_{AL}</math> e bassa <math>V_L \approx \text{GND} =0</math>:
- convenzione logica positiva: 1 ⟷ <math>V_H</math> | 0 ⟷ <math>V_L</math>
- convenzione logica negativa: 0 ⟷ <math>V_H</math> | 1 ⟷ <math>V_L</math>
37 Si definisce una tensione di soglia <math>V_{TR}</math> al di sotto della quale il segnale analogico viene riconosciuto nello stato logico L, e viceversa.
Compatibilità tra porte[modifica | modifica sorgente]
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:
- <math>V_{OH}</math> è il valore di tensione minimo per l'uscita U allo stato H;
- <math>V_{OL}</math> 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:
- <math>V_{IH} \leq V_{OH}</math> è il valore di tensione minimo per l'ingresso I allo stato H;
- <math>V_{IL} \geq V_{OL}</math> 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 | modifica sorgente]
45-46-47 Conviene evitare valori limite ingresso-uscita uguali garantendo un margine di rumore per ridurre l'effetto dei disturbi:
- <math>\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}</math>
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 <math>S</math>, 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 <math>S_1</math> e <math>S_2</math>: il valore di soglia <math>S_1</math> 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 | modifica sorgente]
Invertitore nMOS: uscita a vuoto (<math>R_L \rightarrow + \infty</math>)[modifica | modifica sorgente]
6 L'invertitore a transistore nMOS è costituito da una resistenza di pull-up <math>R_{PU}</math> verso l'alimentazione <math>V_{AL}</math> e da un interruttore a transistore nMOS verso massa <math>\text{GND}</math>:
- I = L, U = H: la tensione di ingresso <math>V_I=V_{GS}=0</math> è minore della tensione di soglia <math>V_{th}</math> → il transistore è aperto e in interdizione → la corrente che scorre nella resistenza di pull-up <math>R_PU</math> è nulla → la tensione di uscita <math>V_O</math> è "portata su" alla tensione di alimentazione <math>V_{AL}</math>;
- I = H, U = L: la tensione di ingresso <math>V_I=V_{GS}</math> è maggiore della tensione di soglia <math>V_{th}</math> → il transistore è chiuso e in conduzione → la tensione <math>V_{DS}</math> di pull-down è nulla → la tensione di uscita <math>V_O</math> è "portata giù" a massa (<math>V_O=0</math>).
8 Se si considerano anche le non idealità dell'invertitore:
- U = L: la tensione <math>V_{AL}</math> si ripartisce anche sulla resistenza <math>R_{\text{on}}</math>;
- U = H: una parte della corrente si disperde nella corrente di perdita <math>I_{\text{off}}</math>.
7 La transcaratteristica <math>V_O \left( V_I \right)</math> 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 <math>R_L</math>[modifica | modifica sorgente]
9 Se il carico <math>R_L</math> è collegato verso massa, la tensione <math>V_O</math> è inferiore a quella che si ottiene nel caso di carico ideale:
U = L | U = H | |||
---|---|---|---|---|
<math>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}</math> | <math>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}</math> |
Viceversa, se il carico è collegato verso massa, la tensione <math>V_O</math> è superiore a quella che si ottiene nel caso di carico ideale.
Invertitore pMOS[modifica | modifica sorgente]
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 <math>V_{GS}</math> sarebbe controllata anche dalla tensione di uscita <math>V_{DS} \equiv V_O</math> → non sarebbe un invertitore:
- <math>V_{GS}=V_I-V_{DS}</math>
L'invertitore a transistore pMOS ha quindi una resistenza di pull-down <math>R_{PD}</math> verso massa, in modo che il controllo della commutazione dell'invertitore sia esercitato dalla sola tensione di ingresso:
- <math>V_{GS} =V_I-V_{AL}</math>
La scelta della tensione di soglia <math>V_{th}</math> ha delle restrizioni:
- aperto/interdizione: <math>V_I=V_{AL} \Rightarrow V_{GS} =0 > V_{th} \Rightarrow V_O=0</math> (la tensione di soglia <math>V_{th}</math> dev'essere negativa);
- chiuso/conduzione: <math>V_I=0 \Rightarrow V_{GS} =-V_{AL} < V_{th} \Rightarrow V_O=V_{AL}</math> (la tensione di soglia <math>V_{th}</math> dev'essere minore (in valore assoluto) della tensione di alimentazione <math>V_{AL}</math>).
Invertitore CMOS[modifica | modifica sorgente]
Uscita a vuoto[modifica | modifica sorgente]
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 <math>R_{PD}</math>, il pMOS la resistenza di pull-up <math>R_{PU}</math>, 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 <math>{V_{th}}_n</math> deve essere positiva e minore della tensione di alimentazione <math>V_{AL}</math>;
- pMOS: la tensione di soglia <math>{V_{th}}_p</math> deve essere negativa e maggiore della tensione di alimentazione <math>-V_{AL}</math>.
La tensione d'ingresso <math>V_I={V_{GS}}_n</math> è applicata al transistore nMOS di pull-down → sul transistore pMOS di pull-up è applicata una tensione:
- <math>{V_{GS}}_p=V_I-V_{AL}</math>
Se <math>\left| {V_{th}}_p \right| < V_{AL} - {V_{th}}_n</math>, a seconda della tensione di ingresso <math>V_I</math> si distinguono tre casi:
- 17 <math>0<V_I< {V_{th}}_n</math>: nMOS interdetto, pMOS in conduzione → U = H: il carico è portato all'alimentazione;[2]
- 18 <math>{V_{\text{th}}}_p <V_I<0</math>: nMOS in conduzione, pMOS interdetto → U = L: il carico è portato a massa;
- 19 <math>{V_{th}}_p <V_I< {V_{th}}_n</math>: 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 <math>V_O \left( V_I \right)</math> 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 <math>V_TR</math>.
Note[modifica | modifica sorgente]
![]() |