SISTEMI ELETTRONICI. SisElnM1 01/02/ DDC 1. Ingegneria dell Informazione. Gruppo D: moduli digitali. Modulo

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Agnella Ferrante
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1 iselnm1 1/2/28 ngegneria dell nformazione ruppo : moduli digitali Modulo TEM ELETTRONC - CRCT TAL M1 Transistore MO come interruttore - caratteristiche dei transistori MO - modelli di MO in commutazione - porte logiche a MO Transistori MO struttura, modelli, applicazione nei circuiti logici nvertitori base R-W e CMO struttura e transcaratteristica Parametri dei circuiti digitali tatiche: alimentazione, tensioni e correnti di /O, consumo inamiche: tempi di salita e discesa, tempi di propagazione Tipi di uscite Totem Pole, Open Collector, 3 tate Come interfacciare dispositivi logici di diverso tipo compatibilità, fan-out 1/2/28-1 iselnm1-28 C 1/2/28-2 iselnm1-28 C Organizzazione Contenuti di questa lezione (M1) 3 lezioni Transistore MO (M1) Caratteristiche elettriche dei dispositivi logici (1) Comportamento dinamico dei dispositivi logici (2) 1 esercitazione nterfacciamento elettrico dei dispositivi Tipi di uscite Ritardi di propagazione 1 laboratorio Misure dei parametri elettrici dei circuiti digitali e verifica del loro interfacciamento Transistore MO Caratteristiche d(vgs) e d(vds) MO come interruttore; modello con Ron e off nverter R-W Modello della maglia di uscita Componente complementare e strutture CMO nverter CMO Riferimenti nel testo: Jaeger-Blalock, Cap 4.2, 4.3, 4.4, 15.6, /2/28-3 iselnm1-28 C 1/2/28-4 iselnm1-28 C Cariche e correnti Circuiti integrati Conduzione come spostamento di cariche Barretta di materiale L R = V/ dipende da ezione Lunghezza L Resistività ρ Circuito integrato Circuito integrato aperto R = ρ L/ Piastrina di silicio ρ è legata alla densità di portatori liberi Particolari su silicio 1/2/28-5 iselnm1-28 C 1/2/28-6 iselnm1-28 C 28 C 1

2 iselnm1 1/2/28 Circuito integrato - silicio Transistore MO: struttura canale n ettaglio ingrandito Vista in 3 Elettrodo ATE (Metallo) Ossido di silicio (isolante) Collegamenti esterni Regione di canale (emiconduttore) Contiene cariche, controllate da Vg 1/2/28-7 iselnm1-28 C 1/2/28-8 iselnm1-28 C Transistore MO: tensioni e correnti Transistore MO: misure Maglie - e - Variabili: s, d, Vds, Vgs; g = ensità dei portatori controllata da Vgs Applet( lisse materiale didattico applet MO (formazione del canale, controllo della conduzione -) Animazione MO: lisse materiale didattico animazione MO (43Mb con audio, opportune conoscenze di fisica dei semiconduttori) imbolo (vari) 1. Misura di (V ), parametro V : Come la V controlla la 2. Misura di (V ), parametro V : Circuito equivalente - V V V 1 2 V 1/2/28-9 iselnm1-28 C 1/2/28-1 iselnm1-28 C Transistore MO: (V ) Transistore MO: (V ) 1. Misura di (V ), parametro V : V costante ( 3V) Come la V controlla la V 3 < V TH elevata 1. Misura di (V ), parametro V : V costante Circuito equivalente rain-ource V 3 V 2 V TH V V 1 V V 1 V V 1 < V TH nulla V 2 < V TH media V 2 V Pendenza per V controllata da V 1/2/28-11 iselnm1-28 C 1/2/28-12 iselnm1-28 C 28 C 2

3 iselnm1 1/2/28 Transistore MO: caratteristiche Transistore MO: parametri (V ) (V ) - per diversi V V 3 Parametro chiave: tensione di soglia V TH tilizzo in circuiti digitali V << V TH : nessuna conduzione tra e» d = solo corrente di perdita off» idealmente nulla V 1 < V TH nulla V TH V 2 < V TH media V V 3 < V TH elevata V 2 V 1 V Pendenza per V controllata da V V >> V TH : buona conduzione tra e» R = resistenza in conduzione Ron» idealmente nulla tilizzo in circuiti amplificatori (lineari) V V TH : conduzione intermedia (amplificatori)» Altri parametri zona attiva non descritti 1/2/28-13 iselnm1-28 C 1/2/28-14 iselnm1-28 C Modello di MO come interruttore Tensioni e stati logici ue stati V >> V TH» tato ON (chiuso)» ideale: corto circuito» reale: resistenza R ON V << V TH» tato OFF (aperto)» ideale: circuito aperto» reale: corrente di perdita OFF (segno non noto, legato a V ) V V R ON OFF Variabili binarie ndicate con lettere maiuscole A, B, X,.,ح/ک 1/, H/L, ue stati, indicati on due simboli: Corrispondenza tra stato logico e livello di tensione tato alto: H (high), 1 - Tensioni prossime alla tensione di alimentazione tato basso: L (low), - Tensioni prossime a massa (, V) V H V L 1/2/28-15 iselnm1-28 C 1/2/28-16 iselnm1-28 C Applicazioni MO: invertitore R/W Comportamento di rete R/W truttura: V = V nterruttore (witch) MO tipo n verso massa R P verso l alimentazione Comportamento: V V < V TH (stato = L)» MO stato OFF, W aperto»v (stato = H) V = > V TH (stato = H)» MO stato ON, W chiuso»v V (stato = L) R P V R P MOn Wn V Wn chiuso: V = H R P = L Ricordando che: Tensioni V : stato L, Tensioni Val : stato H, 1 l circuito realizza un invertitore logico: = * Wn aperto: Val 1 1 = L R P = H 1/2/28-17 iselnm1-28 C 1/2/28-18 iselnm1-28 C 28 C 3

4 iselnm1 1/2/28 Trascaratteristica di invertitore Circuito equivalente in uscita Transcaratteristica (V ) di un inverter base. V tato basso: Partitore da (R ON << R P ) tato alto: attraverso resistenza R P R P VO Tensioni intermedie, comportamento logico non definito R P R P V MOn V R ON OFF Tensione di ingresso Vi V; uscita Vo Val Tensione di ingresso Vi Val; uscita Vo V 1/2/28-19 iselnm1-28 C 1/2/28-2 iselnm1-28 C nvertitore MO con carico nvertitore : esempio numerico Carico verso massa H, L: abbassa la Vo Possibili problemi per H Carico verso Val H,L: alza la Vo Possibili problemi per L Quali sono le condizioni di compatibilità? Quali parametri permettono di verificare rapidamente la compatibilità in presenza di carichi? Parametri dell uscita: Val = 3 V Rpu = 1 kω Ron = 1 Ω off = 1 na Calcolare Vo (stati L e H) A vuoto Con carico 1 kω verso massa Con carico 3 kω verso Val, e verso 3V Con carico 1 kω verso Val, 3V, massa Con carico 3Ω verso Val, 3V, massa 1/2/28-21 iselnm1-28 C 1/2/28-22 iselnm1-28 C Contenuti di questa lezione (1) MO canale p Transistore MO Caratteristiche d(vgs) e d(vds) MO come interruttore; modello con Ron e off nverter R-W Modello della maglia di uscita Componente complementare e strutture CMO nverter CMO Circuito equivalente di uscita CMO Transcaratteristica di invertitore truttura Variabili (segni invertiti) Comportamento nverter canale p Permette di realizzare interruttori a comando complementare 1/2/28-23 iselnm1-28 C 1/2/28-24 iselnm1-28 C 28 C 4

5 iselnm1 1/2/28 Transistore pmo: caratteristiche nvertitore complementare Tensioni e correnti con segno invertito (vs nmo) V V < V TH : stato ON (conduzione) V > V TH : stato OFF (non conduzione) W a comando complementare (chiuso per = L) V L = chiuso V nterruttore complementare (p) verso l alimentazione»v TH <»V = Val Vi»V = V; V = - < V TH W chiuso V = V»V = ; V = > V TH W aperto V = Resistenza di pull-down R P verso massa 1 quando Wp è chiuso Funzione logica: nvertitore 1 1 V V R P V 1/2/28-25 iselnm1-28 C 1/2/28-26 iselnm1-28 C nverter a MO complementari nvertitore CMO: caratteristiche truttura CMO Combinazione di MO tipo n (lato ) e tipo p (lato Val)» scita a 1 quando = (Wp chiuso, Wn aperto)» scita a quando = 1 (Wn aperto, Wp chiuso) V p p p n V THn V THp V n = V MOp MOn V V n n V n = V < V THn MOn non conduce V p = V - < V THp MOp conduce - ituazione intermedia; leggera conduzione per MOn e MOp V p = V - V V n = V > V THn MOn conduce V p = V - > V THp MOp non conduce 1/2/28-27 iselnm1-28 C 1/2/28-28 iselnm1-28 C Caratteristiche inverter CMO nverter CMO: stato H e L truttura complementare simmetrica due MO/interruttori operano come un unico deviatore che commuta l uscita tra massa e alimentazione Nessuna resistenza di pull-up o pull-down Comportamento simmetrico negli stati H e L ngresso L scita H =L L H Wp Wn ngresso H scita L =H H L 1/2/28-29 iselnm1-28 C 1/2/28-3 iselnm1-28 C 28 C 5

6 iselnm1 1/2/28 Circuito equivalente uscita CMO Contenuti di questa lezione (1) tato basso: collegata a da R ONL Corrente OFFH trascurabile OFFH R ONL tato alto: collegata a da R ONH Corrente OFFL trascurabile R ONH OFFL Transistore MO Caratteristiche d(vgs) e d(vds) MO come interruttore; modello con Ron e off nverter R-W Modello della maglia di uscita Componente complementare e strutture CMO nverter CMO Circuito equivalente di uscita CMO Transcaratteristica di invertitore CMO 1/2/28-31 iselnm1-28 C 1/2/28-32 iselnm1-28 C Transcaratteristica di inverter CMO Componenti CMO attuali Rispetto a R-W immetrica Più ripida V circuiti attuali hanno transcaratteristica praticamente verticale V ngresso V V; scita Tensioni intermedie, comportamento logico non definito (campo Vi ridotto rispetto a R-W) V ngresso V ; scita V Le tensioni di ingresso vengono interpretate come stato H o L a seconda che siano > o < di una tensione di soglia V T V > V T stato H V < V T stato L V T V V < V T L H V >V T H V L Tensione di soglia 1/2/28-33 iselnm1-28 C 1/2/28-34 iselnm1-28 C Lezione E1: domande di riepilogo Quali parametri determinano la resistenza equivalente di un parallelepipedo di materiale solido? a cosa dipende lo stato di un MO usato come interruttore? Quali parametri descrivono il comportamento di un MO usato come interruttore? n cosa differiscono MO tipo p e tipo n? Qual sono le differenze tra un invertitore logico a MO singolo e uno con CMO? Quali parametri definiscono i campi di uscita di una porta logica? Quali sono le condizioni di compatibilità tra porte logiche? 1/2/28-35 iselnm1-28 C 28 C 6

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