CIRCUITI INTEGRATI DIGITALI

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1 CIRCUITI INTEGRATI DIGITALI I circuiti logici sono stati i primi a subire il processo di integrazione su un unico chip (integrati monolitici) e sono attualmente i circuiti su cui la miniaturizzazione ha raggiunto i limiti più avanzati. Un circuito integrato monolitico è formato dunque da una sottile piastrina di silicio monocristallino o substrato detto comunemente chip, nel quale, con opportuni processi produttivi, vengono ricavati e interconnessi tra loro migliaia di componenti elettronici, quali resistenze, transistor, capacità, diodi etc con la possibilità di utilizzarli per qualsiasi tipo di funzioni digitali o binarie, sia in forma di circuiti combinatori o sequenziali. Rispetto ad un circuito a componenti discreti si hanno i seguenti vantaggi: - riduzione di costi; maggiore affidabilità dovuta al minor numero di connessioni che si devono realizzare a parità di prestazioni; riduzione delle dimensioni e, pertanto, degli ingombri circuitali; possibilità di soluzioni circuitali non esistenti nella circuitistica discreta minore consumo di potenza e minori problemi legati allo smaltimento del calore (la potenza assorbita va da pochi µw a qualche centinaio di mw) La più grossa limitazione al disporre di un elevato numero di componenti elementari entro un singolo integrato sta nella necessità di portare all'esterno i collegamenti elettrici. I circuiti integrati sono realizzati per elaborare segnali sia analogici che digitali. I microcircuiti digitali possono contenere un elevato numeri di componenti, in quanto ogni transistor può assumere solo due stadi funzionali: conduzione (0) o interdizione (1). Nei microcircuiti analogici il segnale può assumere valori variabili nel tempo, per cui viene amplificato con transistori non tutti identici (negli stadi finali occorrono transistori di potenza). Questi integrati possono quindi contenere un numero di componenti elettronici più basso rispetto a quelli digitali. Socket La figura mostra alcuni integrati nel loro classico contenitore DIP (Dual In Line Package) o DIL, plastico contraddistinto dalla lettera N o P, e ceramico contraddistinto con la lettera J Su un unica piastrina di silicio (chip) trovano sistemazione tutti i componenti del circuito. La piastrina viene saldata su di un supporto collocato all interno del contenitore provvisto di terminali (pin o piedini).effettuati i collegamenti fra chip e terminali, la piastrina viene annegata in resina epossidica e incapsulata ermeticamente nel contenitore. Altri tipi di contenitore sono: SIL = Single In Line (con i piedini su di un solo lato) PLLC =Plastic Leaded Chip Carrier) (con i piedini su tutti e quattro i lati) FLAT = piatto SOP = Small Outline Package (per montaggio superficiale) I primi circuiti integrati sono stati prodotti intorno al 1960 e da allora si sono sviluppate diverse famiglie logiche alcune delle quali sono state ormai abbandonate.

2 LE SCALE DI INTEGRAZIONE Il livello di integrazione dei circuiti cresce con la complessità della funzione logica e caratterizza la cosiddetta scala di integrazione. In base al livello di integrazione si ricorda la seguente suddivisione: SSI (Small Scale Integration = integrazione su piccola scala) comprende gli integrati che contengono fino a una decina di porte digitali e sono normalmente gli operatori fondamentali: OR, AND, NOT, AND,FLIP,FLOP, BUFFER ecc realizzati con poche decine di transistor MSI (Medium Scale Integration = integrazione su scala media ) comprende gli integrati che che contengono alcune decine di da 12 a 100 porte logiche e sono normalmente contatori, decodificatori, registri, multiplexer ecc. realizzati con alcune centinaia di transistor LSI - (Large Scale Integration = integrazione su grande scala ) Dal centinaio a qualche migliaio di porte elementari e realizza in genere una singola funzione logica di notevole complessità realizzati con migliaia di transistor VLSI - (Very Large Scale Integration = integrazione su grandissima scala) Con un numero di molte migliaia di porte elementari ; in questa scala si realizzano i microprocessori e le unita' di I/O ed altri apparati accessori ai µp. VHSI - (Very High Scale Integration= scala di integrazione estremamente elevata) µp a 32 bit e circuiti di grande complessità. La LSI e la VLSI sono generalmente in tecnologia CMOS perché è l'unica che li rende attuabili. LE FAMIGLIE LOGICHE Con l espressione famiglia logica si intende un insieme di circuiti integrati realizzati con la stessa tecnologia, ciascuno dei quali implementa in forma semplice o multipla una ben determinata funzione logica. Le famiglie logiche in base al tipo di transistor usato,si distinguono in : bipolari (se hanno come elemento base il transistore BJT) con le serie DTL,TTL ed ECL (fine anni 60 - primi anni 70) unipolari (se hanno come elemento base il transistore MOS) con le serie N-MOS, PMOS, CMOS (seconda meta' anni 70) che ha consentito un aumento nel livello di integrazione ed un minor consumo di potenza; La bipolare è impiegata per la fabbricazione di circuiti analogici e di circuiti logici che richiedono elevate velocità di commutazione ma le unipolari, anche se molto meno veloci (escluse le famiglie HC e AC) dissipano meno potenza.

3 Le famiglie più importanti sono la TTL e la CMOS La serie TTL (Transistor-Transistor-Logic) impiega come elementi fondamentali della commutazione i transistori con livelli di integrazione MSI ed in alcuni casi anche LSI. Tale serie, nata dopo la DTL, ha permesso di realizzare l'integrazione di funzioni binarie complesse, non ottenibili con la precedente. Una delle ragioni per cui e' ancora usata e' l'elevata velocita' di commutazione anche se il consumo di potenza,come accennato, e' stato migliorato dalle nuove tecnologie. Dalla famiglia standard STD sono derivate la : o LS (Low Power-Schottky), che attualmente rappresenta la famiglia di riferimento. (basso consumo e buona velocità) o TTL S (Schottky) velocità molto elevata e pertanto usata per le alte frequenze o TTL AS (Advanced Schotthy) che rappresenta la famiglia TTL più veloce o TTL ALS (Advanced Low Power-Schotthy) che migliora le prestazioni della LS o TTL L (Low Power) sempre meno usata - FAST della Fairchild. La serie CMOS, grazie alla famiglia HC (High speed CMOS), di elevata velocità e un basso consumo e per velocità di commutazione e capacità di pilotaggio compatibile con la TTL, sta portando una serie concorrenza alla serie TTL LS. Altre famiglie della CMOS sono: o HCT,alimentata a 5V presenta livelli di ingresso di tipo TTL (la HC no perché viene alimentata da 2 a 6 V ) o AC e ACT presentano ulteriori miglioramenti o CMOS 4000 o 74C della National compatibile con la TTL. La serie ECL (Emiter-Coupled-Logic) si e' riusciti ad estendere il campo di utilizzazione dei CI digitali anche alle alte frequenze superiori a20 30 Mhz, ottenendo velocita' di commutazione estremamente elevate. Sono famiglie logiche di tipo bipolare non saturato in cui cioè i BJT non vengono commutati in saturazione, come invece avviene per le TTL. altra tecnologia di fabbricazione era la serie DTL (Diode- Transistor- Logic) dove si realizza l'integrazione impiegando come elementi basilari per la commutazione diodi e transistori, con densità a livello di integrazione SSI. E' stata una delle prime serie apparse negli anni 70 e praticamente non si utilizza piu' nelle nuove progettazioni anche perchè questi componenti hanno una bassa velocità di risposta. NOTA: I C.I. digitali lavorano in base ai due stati (livelli) 0 e 1 e pertanto e' evidente che vengano richieste esigenze di notevole velocita' nel passaggio dallo stato 0 a 1 (dall' interdizione alla conduzione). Vi sono componenti che effettuano anche una amplificazione di tensione o corrente tra il segnale di uscita e quello di ingresso ed essi sono : il transistore bipolare (BJT) ed il transistore unipolare (MOS) che assieme al diodo costituiscono esempi di componenti non lineari, in quanto la loro caratteristica elettrica e' funzione della tensione o della corrente del circuito in cui il componente viene inserito (la caratteristica non e' indipendente come nel caso di un resistore la cui resistenza non varia al variare di V o di I).

4 LE DIFFERENZE TRA LA TTL E LA CMOS Tra le due principali tecnologie di fabbricazione dei Circuiti integrati (TTL e CMOS) esistono pertanto le seguenti differenze fondamentali: I TTL assorbono corrente agli ingressi mentre i CMOS non ne assorbono in virtu' della modalita' di pilotaggio dei componenti che richiedono due livelli di tensione con intensita' di correnti molto deboli. I TTL richiedono un solo valore dela tensione di alimentazione,vcc=5v, mentre i CMOS possono essere alimentati in un campo di tensioni Vdd= 3 % 15 V I TTL assorbono dall'alimentazione una potenza molto piu' elevata di quella dei CMOS, e pertanto dissipano maggiore potenza I CMOS sono piu' lenti dei TTL nella commutazione da 0 a 1 e quindi anche le porte logiche CMOS, escluse le famiglie HC e AC. L'ingombro dei CMOS (nei circuiti integrati monolitici) e' assai minore di quello dei bipolari pertanto i CMOS comprendono appunto nello stesso CHIP un numero di porte logiche piu' elevato dei TTL. I CMOS sono piu' delicati e sensibili alle cariche elettrostatiche, ma presentano un numero di vantaggi superiore e si tende ad utilizzarli in sostituzione dei TTL. Se si sceglie la TTL, si trovera' la maggior parte dei modelli precedenti compresi in una famiglia o serie denominata 74 ( 0-70 C) seguita da due o piu' cifre che completano l'identificazione di ogni singolo tipo.la serie militare viene invece contraddistinto dalle prime due cifre 54 con temperature di lavoro che variano da 55 a +125 C. Se si tratta della tecnologia CMOS esiste la cosiddetta serie 4000 i cui elementi sono identificabili in quanto nella prima o seconda parte della loro denominazione presentano sempre il numero 4.

5 Circuiti integrati Le porte logiche non sono commercializzate come singoli componenti, ma sotto forma di circuiti integrati. Un circuito integrato in generale è un circuito elettronico complesso (contenente a volte molte migliaia di componenti singoli, quali transistor, diodi, resistenze etc.) interamente realizzato su un'unica piastrina (chip) di materiale semiconduttore (di solito silicio). Per garantire l'isolamento elettrico e il corretto collegamento del circuito, il chip viene incapsulato in un contenitore, di solito di materiale plastico, detto package. Dal package spuntano i terminali metallici (piedini o pin) di connessione del circuito. Il tipo di package più usato per le porte logiche e i circuiti digitali più semplici è il DIP (Dual In-Line Package), il quale presenta 14 pin suddivisi in due file di 7 sui due lati del contenitore. La figura 1 mostra un chip di silicio montato all'interno di un DIP: Fig. 1 Fig. 2 In un unico circuito integrato sono contenute più porte logiche. Per esempio la figura 2 mostra la piedinatura (pin-out) di un 7404, un integrato contenente al proprio interno sei porte NOT: Si noti che oltre ai terminali di ingresso e di uscita delle porte NOT, l'integrato presenta anche un terminale di alimentazione Vcc e un terminale di massa GND. Famiglie logiche Una famiglia logica (logic family) è un gruppo di integrati digitali realizzati con le stesse tecnologie e compatibili elettricamente fra loro. In pratica tutti i componenti appartenenti alla stessa famiglia logica possono essere collegati l'uno con l'altro (un po' come succede ai mattoncini dei LEGO, che possono essere incastrati l'uno con l'altro, essendo compatibili fra loro). Una famiglia logica non è una particolare "marca" di componenti digitali (come per esempio invece sono Nationals, Motorola, Fairchild, Philips etc.), così come le denominazioni "diesel", "turbodiesel" o "a benzina" non corrispondono a marche di autoveicoli, ma a tipologie generali.

6 TTL e CMOS Le due famiglie logiche più diffuse sono la TTL (Transistor Transistor Logic), a sua volta suddivisa nelle sottofamiglie Low-power TTL, High-speed TTL, Schottky TTL, Low-power Schottky e altre ancora, e la CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). I componenti TTL non sono in generale compatibili con i CMOS e viceversa, a meno di utilizzare opportuni circuiti di interfacciamento. Vi sono però alcune sottofamiglie CMOS dette TTL compatibili, cioè progettate apposta per essere elettricamente compatibili con i TTL. Gli integrati della famiglia TTL sono contraddistinti dalla sigla 74 (o 54 per la serie militare) seguita da altre due cifre che identificano il tipo di integrato. La tabella seguente mostra le sigle corrispondenti alle principali porte logiche elementari: Nella sigla sono a volte presenti lettere aggiuntive che identificano la sottofamiglia logica (L =Low Power, H = High Speed, S = Schottky, LS = Low Power Schottky etc.). Per esempio 74LS08 indica un quadruplo AND appartenente famiglia TTL Low Power Schottky. Gli integrati della famiglia CMOS sono invece contraddistinti dalla sigla 40 seguita dalle cifre che identificano il tipo di integrato. La tabella seguente mostra le sigle di alcuni integrati CMOS (si noti che i numeri non coincidono con quelli delle porte TTL corrispondenti): Occorre anche sapere che le sottofamiglie CMOS compatibili con i TTL usano invece le stesse sigle dei TTL e sono contraddistinte dalle sigle C, HC o HCT (es. 74HC08). Sigla Integrato NAND a 2 ingressi NOR a 2 ingressi NOT AND a 2 ingressi OR a 2 ingressi XOR a 2 ingressi Sigla Integrato NOR a 2 ingressi NAND a 2 ingressi NOT AND a 2 ingressi OR a 2 ingressi XOR a 2 ingressi La tabella seguente confronta fra loro le caratteristiche elettriche delle principali sottofamiglie TTL e CMOS: Famiglia Sottofamiglia Ritardo di propagazione (ns) Potenza dissipata per singola porta a 1 MHz (mw) Intervalo tipico di alimentazione V TTL ( ) TTL L ( ) TTL H ( ) TTL S ( ) TTL LS ( ) TTL ALS ( ) TTL F ( ) TTL AS ( ) CMOS AC/ACT o 5 (2-6 o ) CMOS HC/HCT (2-6 o ) CMOS 4000B/74C V (3-18) Le due famiglie differiscono fra loro anche per quanto riguarda i livelli di tensione considerati come basso (L) e alto (H). Nei TTL i due livelli sono 0 V e 5 V (entrambi con una fascia di tolleranza). Nei CMOS invece il livello basso è sempre 0 V, mentre il livello alto corrisponde alla tensione di alimentazione, che può assumere valori diversi.

7 Per quanto riguarda le prestazioni, in generale i CMOS dissipano meno potenza dei TTL, ma la potenza dissipata cresce all'aumentare della frequenza dei segnali; i CMOS sono più delicati e si danneggiano più facilmente dei TTL; i CMOS presentano una migliore immunità al rumore rispetto ai TTL. I livelli di tensione e i relativi limiti corrispondenti ai valori L (low) e H (High) per le diverse famiglie logiche sono mostrati nella figura seguente:

8 PULL UP e PULL DOWN Assumendo per semplicità che il livello alto corrisponda a +5V e il livello basso a 0 V, vale la pena di discutere brevemente le modalità con le quali è possibile fornire tali due livelli a una porta logica. Si considerino i seguenti esempi: Quando lo switch è chiuso, l'ingresso del NOT è cortocircuitato a massa e dunque il proprio livello è basso. Quando invece lo switch è aperto non c'è nessun riferimento di tensione sull'ingresso: esso, come si dice, è appeso (o floating). In generale lasciare appeso un ingresso di un circuito non è mai una buona idea poiché la tensione ai suoi capi può assumere qualsiasi valore. Come possiamo fare dunque per far sì che il nostro interruttore consenta di cambiare il livello di ingresso da L a H? La soluzione mostrata nella figura seguente, per quanto semplice e attraente, è sbagliata! Infatti quando si chiude lo switch il generatore Vcc viene cortocircuitato a massa: un ottimo sistema per danneggiare un generatore! Una soluzione che invece funziona è questa: R1 è un resistore detto di pull-up (cioè che "tira su"), il quale, quando il tasto è aperto, tira su la tensione dell'ingresso fino a Vcc. Quando invece il tasto è chiuso, il resistore garantisce la protezione del generatore Vcc che non viene cortocircuitato a massa.

9 Una soluzione alternativa, ugualmente valida, è la seguente: In questo caso il resistore viene detto di pulldown in quanto la sua funzione è quella di tirare giù la tensione verso zero (massa) quando lo switch è aperto.

10 9.2 Pull-Up Pull-Down Gli ingressi di un circuito logico digitale, devono sempre trovarsi ad livello definito (zero o uno logico) non devono mai essere "appesi" ovvero senza nessun riferimento. I collegamenti possibili sono sostanzialmente di due tipi: Resistenza di Pull-Up Resistenza di Pull-Down ON (chiuso) = Ingresso logico 0 OFF (aperto) = Ingresso logico 1 ON = Ingresso logico 1 OFF = Ingresso logico 0 E' consigliabile, onde evitare malfunzionamenti a causa delle correnti interne alla porte logiche, utilizzare resistori inferiori a 1 Kohm per connessioni pull-down, maggiori di 1Kohm per connessioni pull-up. Come interruttori per fornire gli ingressi opportuni alle porte logiche si ricorre spesso all'uso di micro interruttori integrati (Dip-Switch) Multisim: Master Database Basic SWITCH DSWPK_X Come resistori per realizzare il pulldown possono essere utilizzate le reti resistive: Multisim: Master Database Basic RPACK