Sistemi e tecnologie elettroniche/Circuiti logici: specifiche funzionali

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Segnali logici[modifica]

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 porte[modifica]

Compatibilità tra porte logiche.png

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 soglia[modifica]

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-switch[modifica]

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 pMOS[modifica]

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 CMOS[modifica]

Uscita a vuoto[modifica]

CMOS inverter.png

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 .

Note[modifica]

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