SisElnF1 17/12/2002. E CIRCUITI COMBINATORI E SEQUENZIALI E1 Circuiti combinatori

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Maria Teresa Perri
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1 Ingegneria dell Informazione Modulo SISTEMI ELETTRONICI E CIRCUITI COMBINATORI E SEQUENZIALI E1 Circuiti combinatori» Porte logiche combinatorie elementari» Modello interruttore-resistenza» Circuiti sequenziali base» Flip-Flop, Registri, contatotori» Macchine a stati finiti» Trend tecnologico e famiglie logiche 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 1 MZ 1

2 Obiettivi del gruppo di lezioni E Circuiti combinatori» Cosa sono e come si realizzano semplici circuiti combinatori» Analisi del comportamento dei circuiti combinatori con il modello resistenza-interruttore» Derivazione di semplici funzioni logiche Circuiti sequenziali» Come si realizza un circuito digitale con memoria» Esempi di flip-flop e registri» Comportamento dinamico dei flip-flop» Esempi di circuiti sequenziali: registri, contatori, shift» Analisi di macchine a stati finiti (FSM) Trend tecnologico e famiglie logiche» Evoluzione della tecnologia e famiglie logiche 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 2 MZ 2

3 Organizzazione 4 lezioni» caratteristiche base dei dispositivi logici combinatori» caratteristiche base dei circuiti logici sequenziali» macchine a stati finiti» trend tecnologico e famiglie logiche 1 laboratorio» Misure su circuiti combinatori e sequenziali 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 3 MZ 3

4 Obiettivi di questa lezione (E1)» Derivazione di circuiti combinatori a partire dal modello semplificato resistenza-interruttore» Calcolo dei tempi di ritardo e dei consumi» Analisi e progetto di circuiti logici complessi» Analisi di logiche a pass-transistor» Riferimenti allo Jaeger: 7.1, 7.5, 7.6, 8.1, 8.2, 8.4-6, 8.8, /12/ SisElnE1 - MZ Page 4 MZ 4

5 CIRCUITI COMBINATORI Le porte logiche elementari possono essere modellate con gruppi di Resistenze (R) e Interruttori (SW) Le R possono essere delle vere e proprie Resistenze Gli SW modellano (non in modo completamente preciso) dei componenti attivi (MOS, Bipolari, etc) non lineari che si comportano come interruttori Vin R Vout 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 5 MZ 5

6 CIRCUITI COMBINATORI I circuiti logici pilotati sono assimilabili a gruppi RC RECEIVER DRIVER R Vin Ci Ri 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 6 MZ 6

7 CIRCUITI COMBINATORI R e C di ingresso R Vin Ci Ri Solitamente la Ri è molto elevata, tanto da poterla considerare trascurabile rispetto all impedenza della capacità Ci ingressi di tipo capacitivo 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 7 MZ 7

8 CIRCUITI COMBINATORI COMMUTAZIONE L H Supponiamo che il carico sia puramente capacitivo. Durante la commutazione dell uscita L H, la corrente IC scorre dall alimentazione verso il carico. Il tempo di salita vale: Tr = 2.2 (R Ci) L energia impiegata vale: E = Ci 2 Vin R tempo per passare dal 10% al 90% del valore finale IC Ci Metà dell energia viene dissipata su R e metà è immagazzinata su Ci 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 8 MZ 8

9 CIRCUITI COMBINATORI COMMUTAZIONE H L Durante la commutazione dell uscita H L, la corrente IC scorre dal carico verso Il tempo di discesa dipende da come si modella l interruttore: Se SW è ideale Tf = 0 (non realistico) Vin R Ci IC Se SW è reale (con in serie una resistenza RSW) Tf = 2.2 RSW Ci (realistico) L energia immagazzinata su Ci viene completamente dissipata su RSW 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 9 MZ 9

10 CIRCUITI COMBINATORI CONSUMO DI POTENZA Oltre alla potenza dissipata durante la commutazione la topologia R-SW prevede un consumo STATICO di POTENZA quando l uscita è a LIVELLO BASSO R ICC Ps = ICC ovvero Ps = 2 / (R + RSW) IN = H Rsw La potenza statica è del tutto inutile per il funzionamento del dispositivo logico. Si usano i circuiti R-SW solo quando tecnologicamente conviene o quando non se ne può fare a meno (o quando il consumo di potenza non è fondamentale) 17/12/ SisElnE1 - MZ Ci Page 10 MZ 10

11 CIRCUITI COMBINATORI R-SW complessi 1 Il circuito R-SW è generalizzabile con una rete di interruttori in parallelo verso collegati agli ingressi IN1, IN2, INn In questo modo si realizza la funzione logica NOR IN1 IN2 INn OUT = IN1 + IN INn R OUT... I CALCOLI DELLA POTENZA DISSIPATA E DEL RITARDO SONO GLI STESSI DELL INVERTER 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 11 MZ 11

12 CIRCUITI COMBINATORI R-SW complessi 2 Se gli interruttori collegati agli ingressi IN1, IN2, INn sono posti in SERIE verso si realizza la funzione logica NAND IN1 IN2 INn R OUT OUT = IN1 IN INn... I CALCOLI DELLA POTENZA DISSIPATA E DEL RITARDO SONO GLI STESSI DELL INVERTER, PERÒ: LA SCARICA DI OUT AVVIENE SULLA SERIE DELLE RSW 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 12 MZ 12

13 ESERCIZIO: R-SW complessi Realizzare la funzione logica R OUT = C + ( A B ) SUGGERIMENTO: USARE LE LEGGI DI DE MORGAN!! A B C OUT A C B Calcolare Tf e Tr nelle diverse configurazioni degli ingressi (Tutte le resistenze degli switch sono uguali a RSW ) 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 13 MZ 13

14 SW-SW complessi 1 IL PROBLEMA DELLE LOGICHE R-SW È IL CONSUMO STATICO DI POTENZA A LIVELLO BASSO DI USCITA. QUANDO È POSSIBILE TECNOLOGICAMENTE SI UTILIZZANO LOGICHE SW-SW. DUE TIPI DI SW: IN OUT CHIUSO CON INGRESSO L CHIUSO CON INGRESSO H 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 14 MZ 14

15 SW-SW complessi 2 NON HANNO CONSUMO STATICO DI POTENZA (NON ESISTE UN PERCORSO CONDUTTIVO TRA E ) H IN L OUT H IN L OUT 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 15 MZ 15

16 SW-SW COMMUTAZIONE L H Durante la commutazione L H, la corrente IC scorre dall alimentazione verso il carico. Il tempo di salita vale (se Rswu = 0 ): Vin IC Tr = 0 (non realistico) Ci Se SW è reale (con in serie una resistenza RSWd) Tr = 2.2 RSWu Ci (realistico) L energia impiegata vale: E = Ci 2 Se SW non è ideale comunque il tempo di salita è molto minore del caso R-SW 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 16 MZ 16

17 SW-SW COMMUTAZIONE H L Durante la commutazione dell uscita H L, la corrente IC scorre dal carico verso lo zero volt () Il tempo di discesa dipende da come si modella l interruttore: Se SW è ideale Tf = 0 (non realistico) Vin Ci IC Se SW è reale (con in serie una resistenza RSWd) Tf = 2.2 RSWd Ci (realistico) L energia immagazzinata su Ci viene completamente dissipata su RSWd 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 17 MZ 17

18 Il circuito SW-SW è generalizzabile con una rete di interruttori in parallelo verso ed una rete di interruttori in serie verso collegati agli ingressi IN1, IN2, INn In questo modo si realizza la funzione logica NOR IN1 IN2 INn IN1 IN2 INn OUT = IN1 + IN INn CIRCUITI COMBINATORI SW-SW complessi 1 I CALCOLI DELLA POTENZA DISSIPATA E DEL RITARDO SONO GLI STESSI DELL INVERTER OUT /12/ SisElnE1 - MZ Page 18 MZ 18

19 Se la rete superiore ha gli SW in parallelo e la rete inferiore ha gli SW in serie si realizza la funzione logica NAND IN1 IN2 INn IN1 IN2 INn CIRCUITI COMBINATORI SW-SW complessi 2 OUT... OUT = IN1 IN INn... I CALCOLI DELLA POTENZA DISSIPATA E DEL RITARDO SONO GLI STESSI DELL INVERTER 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 19 MZ 19

20 ESERCIZIO: SW-SW complessi Realizzare la funzione logica OUT = C + ( A B ) SUGGERIMENTO: USARE LE LEGGI DI DE MORGAN!! A B C A B C OUT B A A C B Calcolare Tf e Tr nelle diverse configurazioni degli ingressi (Tutte le resistenze degli switch sono uguali a RSWU e RSWd ) C 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 20 MZ 20

21 ESERCIZIO: HALF ADDER RICAVARE IL CIRCUITO (HALF ADDER) CHE ESEGUE LA SOMMA BINARIA DI DUE BIT A E B SUM = A xor B CARRY = A and B 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 21 MZ 21

22 ESERCIZIO: FULL ADDER RICAVARE IL CIRCUITO (FULL ADDER) CHE ESEGUE LA SOMMA BINARIA DI DUE BIT A E B CON UN CARRY IN INGRESSO SUM = A xor B xor CARRY_IN CARRY_OUT = (A B) + (A CARRY_IN) + (B CARRY_IN) COME SI PUÒ REALIZZARE UN FULL ADDER UTILIZZANDO SOLO DEGLI HALF ADDER? 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 22 MZ 22

23 CIRCUITI COMBINATORI LOGICA A INTERRUTTORI FUNZIONI LOGICHE POSSONO ESSERE REALIZZATE ANCHE UTILIZZANDO GLI INTERRUTTORI IN SERIE AL SEGNALE MULTIPLEXER : EXOR : A B OUT = A S + B S OUT = A xor B S B A 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 23 MZ 23

24 CIRCUITI COMBINATORI BASE 17/12/ SisElnE1 - MZ Page 24 MZ 24

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