Sistemi e tecnologie elettroniche/Circuiti logici: specifiche funzionali

Indice del libro

Segnali logiciModifica

In elettronica gli stati logici 0 e 1 sono associati ai due valori di tensione alta   e bassa  :

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

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

Compatibilità tra porteModifica

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.

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

  •   è il valore di tensione minimo per l'uscita U allo stato H;
  •   è il valore di tensione massimo per l'uscita U allo stato L.

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

  •   è il valore di tensione minimo per l'ingresso I allo stato H;
  •   è il valore di tensione massimo per l'ingresso I allo stato L.

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 sogliaModifica

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

 

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  , in un valore logico/binario in uscita.

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   e  : il valore di soglia   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-switchModifica

Invertitore nMOS: uscita a vuoto ( )Modifica

L'invertitore a transistore nMOS è costituito da una resistenza di pull-up   verso l'alimentazione   e da un interruttore a transistore nMOS verso massa  :

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

Se si considerano anche le non idealità dell'invertitore:

  • U = L: la tensione   si ripartisce anche sulla resistenza  ;
  • U = H: una parte della corrente si disperde nella corrente di perdita  .
 
Transcaratteristica di un invertitore reale

La transcaratteristica   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.

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  Modifica

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

U = L U = H
   

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

Invertitore pMOSModifica

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

 

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

 

La scelta della tensione di soglia   ha delle restrizioni:

  • aperto/interdizione:   (la tensione di soglia   dev'essere negativa);
  • chiuso/conduzione:   (la tensione di soglia   dev'essere minore (in valore assoluto) della tensione di alimentazione  ).

Invertitore CMOSModifica

Uscita a vuotoModifica

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  , il pMOS la resistenza di pull-up  , 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   deve essere positiva e minore della tensione di alimentazione  ;
  • pMOS: la tensione di soglia   deve essere negativa e maggiore della tensione di alimentazione  .

La tensione d'ingresso   è applicata al transistore nMOS di pull-down → sul transistore pMOS di pull-up è applicata una tensione:

 

Se  , a seconda della tensione di ingresso   si distinguono tre casi:

  •  : nMOS interdetto, pMOS in conduzione → U = H: il carico è portato all'alimentazione;[2]
  •  : nMOS in conduzione, pMOS interdetto → U = L: il carico è portato a massa;
  •  : nMOS in conduzione, pMOS in conduzione → l'uscita non corrisponde a uno stato logico definito.

Ciascun transistore ammette la rappresentazione circuitale di perdita.

Un invertitore CMOS è anche rappresentabile con due interruttori p-switch e n-switch oppure con un unico 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;
  • hanno una transcaratteristica   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. Se la pendenza è idealmente verticale, lo stato logico non definito coincide con l'unica tensione di soglia  .

NoteModifica

  1. La corrente deve scorrere dall'alimentazione verso massa.
  2. Si suppone un carico ideale:  .