Un uomo a cui non piace nessuno è molto più infelice di colui che non piace a nessuno
ELETTRONICA DIGITALE
… studiare, studiare ed ancora studiare,
è il solo modo di capire quanto possa
essere grande sia la propria ignoranza!
FAMIGLIE LOGICHE INTEGRATE
Gli integrati digitali sono chip di silicio su cui vengono realizzati i
componenti che formano il circuito digitale.
Il chip, le cui dimensioni sono dell’ordine delle decine o centinaia
di micron, viene incapsulato in un contenitore, che dipende dal
tipo di applicazione del componente.
Scale di integrazione degli integrati digitali
In base alla complessità dei circuiti interni, gli integrati possono
essere classificati come segue:
• SSI, piccola scala di integrazione;
• MSI, media scala di integrazione;
• LSI, larga scala di integrazione;
• VLSI, scala di integrazione molto grande;
• ULSI, scala di integrazione ultra larga.
Gli integrati SSI (Small Scale of Integration) sono circuiti che contengono fino a un
massimo di 10 porte logiche; si tratta di integrati che contengono le porte logiche elemen-
-tari e composte in contenitori da 14 o 16 pin.
I dispositivi MSI (Medium Scale of Integration) contengono fino a un massimo di 100
gate.
Questi integrati includono circuiti digitali di una certa complessità, quali, ad esempio,
contatori, registri, codificatori, decodificatori, ecc.
Il numero dei pin del package aumenta proporzionalmente alla complessità delle funzioni;
in questo caso è 24.
Gli integratori VLSI (Very Large Scale of Integration) comprendono più di 1000 porte
logiche e sono classificati come dispositivi a scala di integrazione molto grande.
Integrati di questa categoria sono i microprocessori e i microcomputer single-chip.
Gli integrati ULSI (Ultra Large Scale of Integration) contengono più di 10000 gate.
In questa classe ci sono microprocessori e
memorie.
In base al tipo di transistor (BJT o MOSFET)
utilizzato per la costruzione, gli integrati si
possono classificare in famiglie logiche diverse.
Nella figura a lato viene riportata la classifica-
-zione degli integratori secondo la tecnologia di
costruzione
Caratteristiche delle famiglie logiche
Si definisce famiglia logica un insieme di circuiti integrati
costruiti utilizzando lo stesso tipo di transistor, la stessa
logica circuitale e con ingressi e uscite perfettamente
compatibili tra loro.
Ogni famiglia logica è caratterizzata da una serie di para-
-metri, forniti dai datasheet disponibili online della casa
costruttrice, che ne definiscono il comportamento in condi-
-zioni sia statiche sia dinamiche.
In questi ultimi anni si assiste a un proliferare di sotto-
-famiglie logiche specializzate nel risolvere problemi
specifici aventi come caratteristica comune una bassa
tensione di alimentazione
In generale si può affermare:
•
le dimensioni orizzontali e verticali della geometria del chip sono sempre più ridotte e
ciò richiede una tensione di alimentazione più bassa; in caso contrario si può verificare
la perforazione dell’ossido (in particolare negli integrati in tecnologia MOS) con conse-
-guente inutilizzabilità del componente;
•
la potenza dissipata è sempre più bassa, per soddisfare l’elettronica di consumo;
•
il ridotto consumo di potenza assorbita porta a un minor riscaldamento del componente
ciò consente di evitare l’uso di ingombranti e costosi dissipatori di calore e permette la
realizzazione di dispositivi a maggior grado di integrazione.
Classificazione degli integrati secondo
la tecnologia di costruzione
Caratteristiche statiche
I parametri statici, denominati anche caratteristiche elettriche, definiscono i valori delle
tensioni e delle correnti che contraddistinguono il funzionamento dell’integrato.
Tensione di alimentazione.
È la tensione da fornire all’integrato per poter funzionare.
Si indica con VCC nei TTL e con VDD nei MOS.
Alla tensione di alimentazione è associata la massa che è indicata con GND nei TTL e con
VSS nei MOS.
Valori limiti delle tensione.
A ogni stato logico non è possibile associare in pratica un valore ben preciso e fisso della
tensione, perché in ogni circuito elettrico vi sono inevitabili variazioni dovute alle tolleranze
delle resistenze, ai rumori presenti, ecc.
A ogni livello logico è pertanto associato un range di valori e la tensione (d’ingresso o
d’uscita) deve essere compresa in tale fascia per essere riconosciuta come valore valido.
I simboli e il loro significato sono i seguenti:
• tensione di uscita a livello alto;
•
tensione di uscita a livello basso;
•
tensione di ingresso a livello alto;
•
tensione di ingresso a livello basso;
•
minimo valore della tensione di uscita che è interpretata ancora come 1 logico;
•
massimo valore della tensione di uscita che è interpretata ancora come 0 logico;
•
minimo valore della tensione d’ingresso che è interpretata ancora come 1 logico;
•
massimo valore della tensione d’ingresso che è interpretata ancora come 0 logico.
Con i valori delle tensioni si può tracciare il grafico
mostrato a lato dei valori che devono avere i segnali
d’ingresso e di uscita per un corretto funzionamento.
Range delle tensioni di ingresso e
uscita di una famiglia logica
Valori limite delle correnti.
Una porta logica è un circuito elettrico in grado di
erogare o assorbire correnti dai piedini di ingresso
e d’uscita.
Per convenzione si considerano positive le correnti
entranti e negative quelle uscenti dalla
porta. Se un ingresso è a livello basso, la corrente, indicata
con il simbolo è uscente, mentre è entrante se l’ingresso
è a livello alto e si indica con . Viceversa per l’uscita, se
lo stato logico è basso, la corrente è entrante, mentre se il livello è alto la corrente
è uscente. I simboli per le correnti sono i seguenti:
•
, corrente di uscita con livello alto
•
, corrente di uscita con livello basso;
•
, corrente d’ingresso con livello alto;
•
, corrente d’ingresso con livello basso;
•
, massimo valore della (se = , = , quindi l’uscita
resta nel range del livello alto);
•
, massimo valore della (se = non si supera tale valore,
= , quindi l’uscita è sempre a livello logico basso);
•
, massimo valore della ;
•
, massimo valore della ;
•
, corrente di uscita in cortocircuito;
•
, corrente assorbita con uscita alta;
•
, corrente assorbita con uscita bassa.
Fan-out.
È il numero massimo di ingressi di altre porte logiche della stessa famiglia che possono
essere pilotate dalla sua uscita.
Si definisce fan-out con uscita a livello basso il rapporto tra la corrente di uscita a livello
basso e la corrente di ingresso a livello basso:
Si definisce fan-out con uscita a livello alto il rapporto tra la corrente di uscita a livello alto
e la corrente di ingresso a livello alto:
In genere si preferisce definire un unico fan-out ottenuto come valore medio dei due.
Negli integrati TTL il fan-out vale 10, mentre nei CMOS è teoricamente infinito e
praticamente uguale a 70.
Fan-in.
È il numero degli ingressi della porta logica.
Più elevato è il fan-in, più complessa è la porta logica.
In genere è preferibile utilizzare porte logiche con un numero di ingressi quanto più basso
possibile perché contrariamente aumenta l’effetto capacitivo degli ingressi e quindi la porta
logica è più lenta nel funzionamento, ovvero ha tempi di commutazione molto più alti.
Caratteristica di trasferimento
La caratteristica di trasferimento di una porta logica rappresenta l’andamento della
tensione di uscita in funzione della tensione d’ingresso.
La caratteristica ideale di trasferimento di una porta
invertente (NOT, NAND, NOR) è riportata nella figura a
alto (A).
In una porta invertente ideale, la caratteristica di
trasferimento è perfettamente squadrata e il punto di
commutazione si trova al centro del range delle tensioni
disponibili.
In pratica, la caratteristica non può avere un tratto
verticale poiché ciò comporterebbe un’oscillazione
continua dell’uscita tra il livello alto e il livello
basso quando l’ingresso assume il valore di V′.
Nella figura a lato (B) è riportata la caratteristica reale di una
porta invertente
Margine di rumore
Il margine di rumore (Noise Margin, NM) è l’immunità ai
disturbi. Si definisce margine di rumore a livello basso la differenza
Analogamente, per il livello alto la deve essere superiore alla
affinché si abbia margine di rumore.
Si definisce margine di rumore a livello alto la differenza
Per rendere massimi entrambi i margini di rumore bisogna renderli uguali e pari alla metà
della tensione di alimentazione.
Assorbimento di potenza
La potenza è uno dei fattori fondamentali nella scelta della tecnologia da adottare per la
progettazione dei sistemi digitali.
Infatti gli integrati oggi sono sempre più densi e contengono anche milioni di porte logiche.
Il consumo di potenza influenza i seguenti fattori:
•
la scelta del package dell’integrato;
•
il numero di circuiti che si possono integrare sul chip di silicio;
•
il fabbisogno di raffreddamento che comporta l’uso di ingombranti e costosi dissipatori;
•
la capacità dell’alimentatore.
Ogni porta logica assorbe due tipi di potenza dall’alimentatore: una potenza statica e una
dinamica.
La potenza statica è la potenza assorbita quando l’uscita della porta logica si trova in uno
dei due stati: alto o basso.
La potenza statica, che si indica con , si calcola con il seguente prodotto: .
Tale potenza è ottenuta in realtà come valore medio della potenza assorbita con
l’uscita a livello alto e della assorbita con l’uscita a livello basso
nell’ipotesi che sulla linea di uscita la durata del livello alto sia uguale a quella del livello
basso.
La potenza dinamica è la potenza assorbita dal gate durante le commutazioni da uno stato
all’altro ed è data dalla formula seguente:
La potenza dinamica è:
•
direttamente proporzionale alla capacità di carico (l’ingresso di una porta logica che
direttamente proporzionale alla frequenza delle commutazioni;
•
direttamente proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione.
Caratteristiche dinamiche
Le caratteristiche dinamiche forniscono informazioni sul comportamento di una porta logica
in funzione del tempo.
I parametri più importanti che vengono qui definiti sono i seguenti:
•
ritardo di propagazione;
•
tempo di salita e tempo di discesa;
•
prodotto potenza-ritardo.
Ritardo di propagazione.
È l’intervallo di tempo che intercorre tra l’istante in cui viene dato il segnale in ingresso e
l’istante in cui l’uscita è disponibile.
Tale intervallo di tempo è necessario alla porta logica per immagazzinare nelle sue capacità
interne una certa quantità di energia.
Un gate, che impiega un tempo minore per l’immagazzinamento dell’energia, dissipa una
maggiore potenza.
Il tempo è misurato a partire dall’istante in cui i segnali assumono il valore del 50% della
loro escursione totale.
Poiché sono differenti, si definiscono due tempi di ritardo: e .
Il primo è il ritardo di propagazione quando l’uscita deve passare da livello
alto a quello basso; il secondo è il ritardo di propagazione quando l’uscita deve passare
da livello basso a quello alto.
Il ritardo di propagazione si calcola con il valor medio:
Questo tempo si utilizza per definire quanto rapida-
-mente una porta logica risponde ad un cambiamento
del segnale d’ingresso.
Tempo di salita. È il tempo tr (rise time) necessario
al segnale per portarsi dal 10% al 90% del valore
massimo.
Tempo di discesa. È il tempo tf (fall time) richiesto
per passare dal 90% al 10% del valore massimo
come mosrato nella figura a destra.
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