Riferimenti Bibliografici: Paolo Spirito Elettronica digitale, Mc Graw Hill Capitolo 1 Appunti e dispense del corso

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1 I Circuiti digitali Riferimenti Bibliografici: Paolo Spirito Elettronica digitale, Mc Graw Hill Capitolo 1 Appunti e dispense del corso Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 1

2 Elaborazione dei segnali mediante circuiti analogici e digitali Attuatore Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 2

3 I segnali digitali Il segnale analogico è continuo in ampiezza e tempo, mentre quello digitale è discreto sia in ampiezza che in tempo. Il valore di un segnale digitale è esprimibile solo attraverso un codice Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 3

4 Il codice binario un qualsiasi valore può essere espresso mediante due numeri:base b (unica) e cifra (o digit) D (rappresenta numeri tra 0 e b-1; X = D n 1 n n 1 b + Dn 2b D1b + D0b Nel sistema binario la cifra può assumere valore 0 e 1 ed il numero viene ottenuto come somma di potenze di 2. X = D n 1 n n 12 + Dn D1 2 + D0 2 X = Dn 1 Dn 2... D1D 0 Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 4

5 Numero decimale D 3 D 2 D 1 D Esempio:Codice numerico binario a 4 bit conversione del numero binario 0110 in numero decimale: = = = Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 5

6 Numero decimale D 3 D 2 D 1 D Codice numerico BCD Rappresentazione in codice BCD del numero = = = Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 6

7 Numero decimale D 3 D 2 D 1 D Codice Gray All incremento di valore pari a una unità varia solo un bit. Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 7

8 Esempio di dispositivo digitale: Rappresentazioni logiche e circuitali di una porta NAND Rappresentazione logica: descrizione più semplice e più astratta Schema circuitale Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 8

9 Suddivisione delle fasi progettuali di un circuito elettronico digitale Progettista di sistema:definisce le parti funzionali del sistema Progettista logico: definisce le funzioni logiche volute Progettista circuitale: sceglie, in base alle loro prestazioni, i diversi circuiti logici che combinati insieme possono implementare le funzioni logiche richieste. Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 9

10 Suddivisione gerarchica dei circuiti logici I sistemi digitali anche complessi sono costituiti da un insieme (anche molto numeroso) di circuiti elettronici elementari, questi ultimi riconducibili a pochi elementi base variamenti interconnessi e utilizzati. Pertanto la complessità anche notevole delle funzioni realizzate dai sistemi digitali è ottenuta attraverso l iterazione di strutture elementari. Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 10

11 Invertitore ideale e sua caratteristica Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 11

12 Porta NOR realizzata con invertitori ideali Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 12

13 Porta NAND realizzata con invertitori ideali Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 13

14 Porta OR realizzata con invertitori ideali Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 14

15 Porta AND realizzata con invertitori ideali Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 15

16 Trasformazioni di reti logiche Una rete logica può essere trasformata in una equivalente. Trasformazione di una porta NOR in NAND o vice-versa in base al Teorema di De Morgan: Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 16

17 Esempio di Rete logica Y = A B C + C D Sostituzione porte AND con porte NAND Versione con solo NAND Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 17

18 Sintesi Logica di una funzione Ingressi Uscita A B C Y minterm o prodotti fondamentali Tabella che descrive la funzione logica Y = ABC + ABC + ABC + ABC Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 18

19 Rappresentazioni circuitali Rete logica realizzata dalla funzione Y = ABC + ABC + ABC + ABC Rete logica semplificata che soddisfa la medesima funzione Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 19

20 Caratteristiche elettriche delle porte logiche Caratteristica di trasferimento di un invertitore reale Livelli logici nominali Margini di rumore Definizione delle grandezze dinamiche Definizione dei ritardi di propagazione delle interconnessioni Definizione delle potenze Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 20

21 Determinazione dei valori nominali V OHnom e V IHnom V = V = V OK = VIK IK IK Caratteristica del singolo invertitore ( k e k+1 ) V OK = V IK+1 Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 21

22 Cause per l insorgenza di disturbi nei segnali trasmessi Effetti di accoppiamento mutuo tra le linee di interconnessioni accoppiamento dovuto a mutue induttanze accoppiamento dovuto a capacità parassite accoppiamento elettromagnetico comportamento non ideale delle interconnessioni: Variazione di tensione sulle linee di alimentazione e di massa dovute alle correnti di alimentazione assorbite dalle porte e alla resistenza delle piste metalliche Effetto antenna: cattura onde elettromagnetiche a radiofrequenza Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 22

23 Accoppiamento dovuto a mutue induttanze Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 23

24 Accoppiamento tramite capacità parassite Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 24

25 Disturbi indotti dall accoppiamento tra due linee di interconnessione, schematizzate come reti RC distribuite Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 25

26 Caratteristiche di trasferimento invertitori reali reale Nella caratteristica ideale ci sono due stati d uscita ben distinti a cui assegnare i valori logici 0 e 1 In quella reale la distinzione non è netta. Come definire i due intervalli di valori di tensione in cui assegnare i valori logici 1 e 0? Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 26

27 Valori caratteristici e margini di rumore definiti in base alla caratteristica di trasferimento V ILmax = massimo valore di V I per cui l uscita è ancora al valore alto V OHmin, V IHmin =minimo valore di V I per cui l uscita è ancora al valore basso V OLmax, La coppia V OHmin e V ILmax e V OLmax ev IHmin identificano un punto in cui la tangente alla curva ha inclinazione 1, ossia l amplificazione di eventuali disturbi è inferiore a 1 Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 27

28 Definizione dei margini di rumore Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 28

29 Effetto di un disturbo sul segnale logico in uscita da una cascata di tre invertitori Segnale logico a cui è sovrapposto un disturbo smorzato L uscita dell invertitore 1: è presente l effetto della prima sequenza di disturbo L uscita dell invertitore 3: la prima sinusoide provoca un glitch. Le altre non hanno effetto Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 29

30 90% V OH 10% V OH Definizione delle grandezze dinamiche di un invertitore t PHL t PLH 90% V PLH OH P 2 t = t + t PHL 10% V OH Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 30

31 Ritardo di propagazione totale di una cascata di invertitori t = t Pt Pi Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 31

32 (a) uscita logica alta Potenza dissipata da un invertitore in condizioni statiche: P = V + DH I H P = V + DL I L (b) uscita logica bassa È la potenza dissipata quando il circuito permane in uno dei due stati (stazionari) corrispondenti ad 1 o 0 logico P D 1 + = V I H dt + V T TH T L + I L dt P D = 1 T T V + idt Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 32

33 Potenza dissipata da un invertitore in condizioni dinamiche È la potenza dissipata nelle transizioni di stato. Ha due componenti: Questa componente è la più rilevante: Da 0 a 1 carica il condensatore, Da 1 a 0 scarica il condensatore contributo legato alla corrente I assorbita dall invertitore per cambiare stato contributo relativo alla corrente I di carica della capacità C L Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 33

34 Dipendenza dalla frequenza Durante il passaggio da 0 a 1: E LH + = V i T LH c dt = V + Q C = V + 2 C L 1/2 viene immagazzinata nel 2 condensatore C L 1 2( V + C L ) l altra metà è dissipata nell invertitore Durante il passaggio da 1 a 0, il condensatore si scarica l energia utilizzata proviene dal condensatore e non dall alimentazione: Potenza totale dissipata durante un ciclo Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 34 D E La potenza dinamica dipende dalla frequenza f P = f LH = f V + 2 C L

35 Curve ritardo-potenza dissipata per Il prodotto ritardo-potenza dissipata permette di valutare il livello d integrazione realizzabile e la velocità di esecuzione delle operazioni Ritardo Potenza Insiemi di dispositivi realizzati con diverse tecnologie si chiamano famiglie logiche. Per molte famiglie logiche il prodotto è una costante ed è un fattore di merito diverse famiglie logiche Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 35

36 Famiglie logiche Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 36

37 Fan-out L aumento di porte connesse ad una uscita aumenta la capacità (porte MOS) e la resistenza (porte TTL), modificando i valori di tensione (condizione statiche) e il prodotto ritardo-potenza dissipata (condizioni dinamiche). Massimo numero di porte logiche che possono essere connesse in uscita ad una data porta, mantenendo i valori di tensione superiori a V IHmin (V ILmax ) per l 1 (0) logico, e che il ritardo di propagazione non superi il valore prefissato dal costruttore come massimo. Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 37

38 Linee guida del Progetto di sistemi digitali La realizzazione dei sistemi digitali si basa su una organizzazione di gerarchie di circuiti via via più complessi, partendo dagli elementi base (porte logiche) Il progetto parte da una descrizione comportamentale per arrivare ad una descrizione fisica del circuito ( implementato sul silicio o realizzato con circuiti integrati standard). I livelli di astrazione sono indicati sinteticamente a fianco Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 38

39 Utilizzo di strumenti CAD Il progetto procede dall alto verso il basso, ma la verifica delle specifiche di progetto ( in particolare i tempi) dipende dalle scelte a livello circuitale e di definizione del tracciato, è necessario ritornare con un approccio dal basso verso l alto sui passi precedenti di progetto. Gli strumenti CAD permettono Di analizzare i comportamenti dei circuiti elettrici ( SPICE) Di effettuare automaticamente il posizionamento e le interconnessioni (placement and routing) delle porte logiche Di estrarre le descrizioni logiche da descrizioni comportamentali e di verificare gli schemi logici. (VHDL) Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 39

40 SPICE SPICE è un programma per la simulazione circuitale per analisi (anche non lineari) in DC, AC e nel dominio del tempo. I circuiti possono contenere resistori, condensatori, induttori, generatori di tensione o corrente indipendenti o dipendenti, linee di trasmissione con o senza perdite, interruttori, linee RC uniformemente distribuite, e dispositivi a semiconduttori come: diodi, BJTs, JFETs, MESFETs, and MOSFETs. Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 40

41 VHDL ( Very high speed integrated circuit Hardware Description Language) 1. è un programma che descrive un circuito logico per mezzo di funzioni, schemi a blocchi e/o strutture. 2. Può essere usato non solo nella realizzazione di circuiti integrati digitali ma anche per configurare un dispositivo logico programmabile (PLD) o anche dispositivi più complesso come le FPGA o le CPLD 3. Molti programmi CAD elettrici permettono di tradurre uno schema elettrico in un file in codice VHDL. Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 41

42 VHDL: simulazione e sintesi 1. Dopo che il progetto è creato, lo stesso può essere simulato e sintetizzato per verificare il suo comportamento logico. 2. La SIMULAZIONE è un test per verificare se la logica comportamentale soddisfa le specifiche del progetto (in particolare i tempi). 3. La SINTESI permette di individuare rappresentazioni logiche più semplificate a fronte dell ottenimento di funzioni logiche identiche Caratteristiche dei circuiti digitali pagina 42

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