Segnali logici 2-36 In elettronica gli stati logici 0 e 1 sono associati ai due valori di tensione alta V_H≈V_AL e bassa V_L≈GND=0: • convenzione logica positiva: 1⟷V_H | 0⟷V_L • convenzione logica positiva: 0⟷V_H | 1⟷V_L 37 Si definisce una tensione di soglia V_TR al di sotto della quale il segnale analogico viene riconosciuto nello stato logico L, e viceversa.
Compatibilità tra porte 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: • V_OH è il valore di tensione minimo per l’uscita U allo stato H; • V_OL è il valore di tensione massimo per l’uscita U allo stato I. 40 Affinché questo segnale venga riconosciuto correttamente all’ingresso di un circuito digitale, sono definiti altri due valori limite: • V_IH≤V_OH è il valore di tensione per l’ingresso I minimo allo stato H; • V_IL≥V_OL è il valore di tensione massimo per l’ingresso I allo stato I. 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 45-46-47 Conviene evitare valori limite ingresso-uscita uguali garantendo un margine di rumore per ridurre l’ef¬fetto dei disturbi: {■(V_IH<V_OH@V_IL>V_OL )┤⇒{■(〖NM〗_H=V_OH-V_IH@〖NM〗_L=V_IL-V_OL )┤ 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 S, 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 S_1 e S_2: il valore di soglia S_1 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 Invertitore nMOS: uscita a vuoto (R_L→+∞) 6 L’invertitore a transistore nMOS è costituito da una resistenza di pull-up R_PU verso l’alimentazione V_AL e da un interruttore a transistore nMOS verso massa GND: • I=L, U=H: la tensione di ingresso V_I=V_GS=0 è minore della tensione di soglia V_th → il transistore è aperto e in interdizione → la corrente che scorre nella resistenza di pull-up R_PU è nulla → la tensione di uscita V_O è “portata su” alla tensione di alimentazione V_AL; • I=H, U=L: la tensione di ingresso V_I=V_GS è maggiore della tensione di soglia V_th → il transistore è chiuso e in conduzione → la tensione V_DS di pull-down è nulla → la tensione di uscita V_O è “portata giù” a massa (V_O=0). 8 Se si considerano anche le non idealità dell’invertitore: • U=L: la tensione V_AL si ripartisce anche sulla resistenza R_on; • U=H: una parte della corrente si disperde nella corrente di perdita I_"off" . 7 La transcaratteristica V_O (V_I ) di un invertitore reale non è brusca ma segue una variazione continua e graduale attraverso uno stato lo¬gico 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 R_L 9 Se il carico R_L è collegato verso massa, la tensione V_O è inferiore a quella che si ottiene nel caso di carico ideale: U=L: V_O=(R_L ||R_on)/(R_L ||R_on+R_PU ) V_AL>R_on/(R_on+R_PU ) V_AL U=H: V_O=R_L/(R_L+R_PU ) V_AL-I_"off" (R_PU ||R_L )>V_AL-I_"off" R_PU Viceversa, se il carico è collegato verso massa, la tensione V_O è superiore a quella che si ottiene nel caso di carico ideale.
Invertitore pMOS 15 Poiché nel transistore pMOS le posizioni di source e drain risultano scambiate , se esso venisse collegato verso massa la sua tensione di gate V_GS sarebbe controllata anche dalla tensione di uscita V_DS≡V_O → non sarebbe un invertitore: V_GS=V_I-V_DS L’invertitore a transistore pMOS ha quindi una resistenza di pull-down R_PD verso massa, in modo che il controllo della commutazione dell’invertitore sia esercitato dalla sola tensione di ingresso: V_GS=V_I-V_AL La scelta della tensione di soglia V_th ha delle restrizioni: • aperto/interdizione: V_I=V_AL⇒V_GS=0>V_th⇒V_O=0 (la tensione di soglia V_th dev’essere negativa); • chiuso/conduzione: V_I=0⇒V_GS=-V_AL<V_th⇒V_O=V_AL (la tensione di soglia V_th dev’essere minore (in valore assoluto) della tensione di alimentazione V_AL). Invertitore CMOS Uscita a vuoto 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 R_PD, il pMOS la resistenza di pull-up R_PU, e ciascun transistore ha il terminale di drain verso quello dell’altro. Ogni transistore è caratterizzato da una pro-pria tensione di soglia: • nMOS: la tensione di soglia 〖V_th〗_n deve essere positiva e minore della tensione di alimentazione V_AL; • pMOS: la tensione di soglia 〖V_th〗_p deve essere negativa e maggiore della tensione di alimentazione -V_AL. La tensione d’ingresso V_I=〖V_GS〗_n è applicata al transistore nMOS di pull-down → sul transistore pMOS di pull-up è applicata una tensione: 〖V_GS〗_p=V_I-V_AL Se |〖V_th〗_p |<V_AL-〖V_th〗_n, a seconda della tensione di ingresso V_I si distinguono tre casi: 17 • 0<V_I<〖V_th〗_n: nMOS interdetto, pMOS in conduzione → U=H: il carico è portato all’alimentazione ; 18 • 〖V_th〗_p<V_I<0: nMOS in conduzione, pMOS interdetto → U=L: il carico è portato a massa; 19 • 〖V_th〗_p<V_I<〖V_th〗_n: 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 V_O (V_I ) di pendenza maggiore rispetto a quella degli invertitori R-switch → la regione in cui lo stato lo¬gico 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 V_TR.