Page 1. SisElnE2 13/12/2002 MZ 1 SISTEMI ELETTRONICI. Ingegneria dell Informazione. Modulo. Obiettivi del gruppo di lezioni D

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Giovanna Costa
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1 Ingegneria dell Informazione Modulo SISTEMI ELETTRONICI D INTERFACCIAMENTO DEI DISPOSITIVI LOGICI D2 Interfacciamento elettrico e compatibilità» stadi di uscita» compatibilità tra dispositivi logici 3/2/ SisElnD2 - MZ Obiettivi del gruppo di lezioni D Moduli digitali in genere» Cosa è un circuito digitale dal punto di vista elettrico (tensioni di alimentazione, tensioni di ingresso e uscita, correnti di ingresso e uscita, consumo)» Analisi del comportamento dinamico dei dispositivi logici (tempi di salita e discesa, tempi di propagazione)» Come si interfacciano diversi dispositivi logici (stadi di uscita, compatibilità, fan-out) Interfacciamento tra mondo analogico e digitale» Come si converte un segnale analogico in uno digitale» Cosa sono e come funzionano i comparatori di soglia senza e con isteresi 3/2/ SisElnD2 - MZ Obiettivi di questa lezione (D2)» Stadi di uscita di dispositivi logici» Esempi di interfacciamento tra diverse famiglie logiche» Semplici calcoli di progetto di interfaccia con resistenze di pull-up 3/2/ SisElnD2 - MZ Page MZ

2 STADI DI USCITA STADIO DI USCITA TOTEM POLE L USCITA È COLLEGATA ATTRAVERSO UN DEVIATORE O A O A NELLA REALTÀ IL DEVIATORE È REALIZZATO CON DUE INTERRUTTORI (SWITCH) 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 2 STADIO DI USCITA TOTEM POLE SW u SW d Rpd Quando un interruttore (SWu o SWd) è chiuso l altro è aperto e viceversa. è quindi sempre collegato o alla o a tramite una resistenza o Rpd che definisce anche la resistenza di uscita a livello alto e a livello basso Se le e Rpd sono diverse, anche le costanti di tempo di carica e scarica della capacità di uscita differiranno 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 3 NON SI POSSONO COLLEGARE INSIEME LE USCITE DI DUE DISPOSITIVI CON STADIO TOTEM POLE SWu ISC 2 2 SWu2 SWd Rpd SWd2 Rpd2 Se i due dispositivi forzano valori diversi si crea un percorso conduttivo a bassa resistenza tra alimentazione e!!!! (Collisione) 3/2/ SisElnD2 - MZ Page 2 MZ 2

3 STADI DI USCITA 4 Perché si devono collegare più uscite logiche insieme? Per realizzare funzioni logiche cablate senza usare dispositivi fisici (WIRED - OR logic) Per avere sistemi modulari in cui non è noto a priori il numero di dispositivi logici connessi (ad esempio il numero di schede collegate sul bus di un PC) OCCORRE USARE STADI DI USCITA CHE PERMETTANO LA CONNESSIONE DIRETTA DELLE USCITE 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 5 STADIO DI USCITA THREE-STATE Concettualmente è simile al TOTEM-POLE, solo che il deviatore è a tre posizioni, permettendo anche la connessione ad un terzo morsetto non connesso È il cosiddetto TERZO STATO o stato di ALTA IMPEDENZA (Z) in cui il dispositivo NON pilota l uscita ma presenta un impedenza d uscita ELEVATISSIMA (HIGH Z) 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 6 STADIO DI USCITA THREE-STATE SW u SW d Rpd È realizzato come il TOTEM-POLE, solo che è possibile lasciare aperti entrambi gli interruttori (SWu e SWd APERTI) È necessario un segnale di controllo per abilitare l uscita (OUTPUT ENABLE - OE) Esempio: memorie, in cui l indirizzo specifica quale banco di memoria deve parlare sul bus 3/2/ SisElnD2 - MZ Page 3 MZ 3

4 STADI DI USCITA 7 STADIO DI USCITA THREE-STATE In OE In L H - OE L L H H L Hi-Z ATTENZIONE!!!! Se inavvertitamente si abilitano due uscite contemporaneamente si ha lo stesso problema dello stadio totem-pole 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 8 STADIO DI USCITA THREE-STATE Serve per collegare più uscite contemporaneamente: un solo stadio di uscita per volta deve essere abilitato dal segnale OE attivo In In2 In3 OE OE2 OE3 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 9 STADIO DI USCITA OPEN_COLLECTOR (OPEN_DRAIN) SW d Lo stadio di uscita è realizzato semplicemente con un interruttore verso la tensione di riferimento ( nell esempio) In Se l interruttore è chiuso viene forzato a, se è aperto lo stadio si comporta come lo stadio three-state in alta impedenza Non si può avere collisione Esempio: linee di richiesta di interruzione IRQ 3/2/ SisElnD2 - MZ Page 4 MZ 4

5 STADI DI USCITA 0 STADIO DI USCITA OPEN_COLLECTOR (OPEN_DRAIN) Per funzionare è necessaria una resistenza (resistenza di Pull-Up) per tirare su la tensione quando lo stadio opencollector non pilota l uscita (SW aperto) SW d SW d2 Basta che uno SW sia chiuso perché la linea vada a livello basso 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA STADIO DI USCITA OPEN_COLLECTOR (OPEN_DRAIN) REALE SW d Rpd SW d2 Rpd I valori di resistenza (solitamente >> Rpd) incidono sui ritardi durante la commutazione Le costanti di tempo durante le commutazioni sono τr = C τf = RpdC 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 2 STADIO DI USCITA OPEN_COLLECTOR (OPEN-DRAIN) Calcolo della m 2 n In generale ci saranno m driver e n ricevitori (per semplicità supponiamo dello stesso tipo) 3/2/ SisElnD2 - MZ Page 5 MZ 5

6 STADI DI USCITA 3 Calcolo della IR m IOH m H : Nessun driver pilota la linea la corrente in deve sostenere tutte le IOH e le IIH garantendo la VOH n IIH 2 n IR = ( VH) / > m IOH + n IIH Nel caso peggiore: ( min VH) / max > m IOH + n IIH 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 4 Calcolo della IR IOL m L : Supponiamo un solo driver che pilota la linea a L la corrente in e le IIL non devono superare la massima IOL (garantendo così la VOL) n IIL 2 n IR + n IIL = ( VIL) / + n IIL < IOL Nel caso peggiore: ( max VIL) / min < IOL -n IIL 3/2/ SisElnD2 - MZ STADI DI USCITA 5 Calcolo della m 2 n Si ottiene un intervallo di valori di validi: Rmin < < Rmax Che criterio si usa per la scelta? Piccole R Maggior velocità Grandi R Minor Potenza dissipata 3/2/ SisElnD2 - MZ Page 6 MZ 6

7 CALCOLO DI Calcolare la per una linea con 3 driver O.C. e 4 ricevitori con le caratteristiche sotto riportate ( = 5 V +- 5%) Negli O.C. la IOH VOL = 0.5 V entra dentro IOH = 00 µa il dispositivo VOH = 3.76 V IOL = 8 ma degradando il livello VIL = 0.8V IIL = - µa alto!!!!! IIH = µa VIH = 3.5 V Nell ipotesi di pilotare una C di 50pF, come risulta il tempo di salita sulla linea? 3/2/ SisElnD2 - MZ ESERCIZIO: FAN OUT QUANTE PORTE DI TIPO TTL LS SI POSSONO PILOTARE? LS = 5V KΩ HCT LS HCT Rpd 0 KΩ? (LS) VOL = 0.5 V VOL = 0.5 V VOH = 2.7 V VOH = 3.76 V VIL = 0.8V VIL = 0.8V VIH = 3.5 V VIH = 2.0 V IOH = µa IOH = - 00 µa IOL = 8 ma IOL = 8 ma IIL = ma IIL = - µa IIH = 20 µa IIH = µa 3/2/ SisElnD2 - MZ ESERCIZIO: FAN OUT L LS = 5V kω IPU HCT Rpd 0 kω IPD? (LS) LA CORRENTE DISPONIBILE A LIVELLO L VALE: IOL IPU = (8 4.5) ma = 3.5 ma IPD = VOL / RPD = 0.5V / 0 kω = 50 µa (TRASCURABILE) LA IIL DELLA FAMIGLIA HCT È µa, DUNQUE TRASCURABILE DATO CHE A LIVELLO L LE PORTE LS HANNO BISOGNO DI 400µA FAN-OUT LS0 = 3.5mA /400µA= 8 PORTE A LIVELLO L È VERIFICATA LA COMPATIBILITÀ DELLE TENSIONI 3/2/ SisElnD2 - MZ Page 7 MZ 7

8 ESERCIZIO: FAN OUT H LS = 5V kω HCT IPU LA CORRENTE A LIVELLO ALTO VALE: IOH + IPU IPD = (5 2.7)/ (2.7/0) ma Rpd 0 kω IPD? (LS) = 2.43 ma SI NOTI CHE LA CORRENTE È MAGGIORE RISPETTO A IOH!! LA IIH DELLA FAMIGLIA HCT È µa, DUNQUE TRASCURABILE DATO CHE A LIVELLO ALTO LE LS PORTE HANNO BISOGNO DI 20 µa FAN-OUT LS = 2.43mA /20µA = 2 PORTE A LIVELLO ALTO È VERIFICATA LA COMPATIBILITÀ DELLE TENSIONI IN DEFINITIVA IL NUMERO DI PORTE DI TIPO LS PILOTABILI È PARI A 8 3/2/ SisElnD2 - MZ SEGNALE DIFFERENZIALE ALCUNI DISPOSITIVI (SOLITAMENTE PER ALTA VELOCITÀ) HANNO STADI DI USCITA CHE FORNISCONO OLTRE AL SEGNALE DI USCITA ANCHE IL SUO COMPLEMENTARE. IN QUESTI CASI ANCHE GLI STADI DI INGRESSO RICHIEDONO SEGNALI COMPLEMENTARI PER POTER AGIRE AL MASSIMO DELLA VELOCITÀ LINEA DIFFERENZIALE 3/2/ SisElnD2 - MZ SEGNALE DIFFERENZIALE 2 LA TRASMISSIONE DIFFERENZIALE PRESENTA NOTEVOLI VANTAGGI: MAGGIORE IMMUNITÀ AL RUMORE (CONVERTITO IN MODO COMUNE) MINORE DINAMICA DEI SEGNALI (E QUINDI MAGGIOR VELOCITÀ) 3/2/ SisElnD2 - MZ Page 8 MZ 8

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