Sistemi e tecnologie elettroniche/Circuiti logici: specifiche funzionali
Segnali logici
modificaIn 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 porte
modificaPer 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 soglia
modificaConviene 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-switch
modificaInvertitore nMOS: uscita a vuoto ( )
modificaL'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 .
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
modificaSe 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 pMOS
modificaPoiché 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 CMOS
modificaUscita a vuoto
modificaIn 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 .