(HIGH) 0 (LOW) Porte logiche. Porte Logiche. L inverter. Rappresentazione dei segnali

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1 Porte logiche Porte Logiche Lucidi del Corso di Elettronica Digitale Modulo 2 Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB) Una porta logica (gate) è un circuito elettronico che implementa una determinata funzione logica (NO, AND, OR, NAND, NOR, XOR, etc.) Una generica porta logica avrà quindi N ingressi e 1 uscita Le caratteristiche in base alle quali si giudica il comportamento di una porta logica sono: Funzionalità Affidabilità (margini di rumore) Area Prestazioni (velocità, consumo di potenza) 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 2 L inverter Rappresentazione dei segnali La porta logica più semplice ed al tempo stesso più significativa per giudicare le caratteristiche di una determinata tecnologia è l inverter. A Funzionalità: bisogna che il circuito implementi veramente la funzione logica richiesta (la negazione) Affidabilità: il circuito deve essere il più possibile immune ai disturbi Area: il circuito deve essere il più compatto possibile Prestazioni: tempo di propagazione fra variazioni dell ingresso e dell uscita e consumo di energia devono essere minimizzati V (volt) 1 (HIGH) 0 (LOW) Logica positiva: tensioni alte (HIGH) rappresentano il valore 1, tensioni basse (LOW) rappresentano lo 0 Logica negativa: tensioni basse rappresentano il valore 1, tensioni alte lo 0 In pratica, viene utilizzata solo la logica positiva 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 3 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 4

2 Rappresentazione dei segnali (Voltage Output High): la tensione nominale che dovrebbe corrispondere ad un valore 1. Si vuole che sia la più alta possibile (quindi prossima alla tensione di alimentazione) (Voltage Input High): minima tensione che viene interpretata ancora come valore 1 (Voltage Output Low): tensione nominale che dovrebbe corrispondere al valore 0. La si vuole più piccola possibile quindi prossima allo zero. (Voltage Input Low): massima tensione che viene ancora interpretata come 0 Caratteristica ideale La caratteristica ideale ingresso/uscita di un inverter (che rappresenta la sua funzionalità) deve essere fatta in modo che per tensioni basse in ingresso l uscita sia alta e viceversa VC (Voltage-ransfer Characteristic) Il pedice O sta sempre per uscita (tensione nominale in uscita dalla porta). Il pedice I sta invece per ingresso (è in ingresso ad una porta che una tensione deve essere interpretata correttamente come alta o bassa) 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 5 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 6 Caratteristica reale La caratteristica reale, ovviamente, non sarà mai squadrata. Bisogna definire arbitrariamente quando l uscita sta cambiando valore. Si stabilisce che i punti di commutazione siano quelli per cui la pendenza della curva è esattamente -1 Pendenza -1 I margini di rumore misurano l affidabilità di un inverter, ossia la sua immunità ai disturbi I1 I2 Se fra l uscita del primo inverter e l ingresso del secondo viene iniettato del rumore pari a V il sistema funzionerà ancora? In uscita da I1 c è. Il sistema funzionerà ancora se all ingresso di I2 ci sarà al massimo. V < - 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 7 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 8

3 Esistono due Margini di Rumore (Noise Margins), uno per i segnali alti e uno per i bassi NM H = - NM L = - V (volt) 1 (HIGH) 0 (LOW) In un inverter ideale i due margini di rumore dovrebbero essere i più grandi possibile. Per massimizzare entrambi i margini contemporanemente bisogna che essi siano uguali e pari a metà della tensione massima (tensione di alimentazione) Questo è quello che succede nel inverter ideale, dove la VC è perfettamente squadrata ed il punto di commutazione (quindi anche il punto dove la pendenza è 1) è posto al centro dell intervallo di tensioni disponibili 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 9 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 10 Perché si sceglie proprio un andamento come quello di sinistra e non come la figura di destra che è comunque invertente? La VC di sinistra ha la prerogativa della rigeneratività Gate rigenerativo Gate non rigenerativo 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 11 Il vantaggio di questa VC sta nel fatto che un segnale sporcato dal rumore, attraversando livelli di logica, viene riportato a valori nominali Y X I1 Y I2 X =Y =(X ) =X La curva continua è la VC del primo inverter e la tratteggiata quella del secondo (gli assi sono invertiti per fare in modo che l ordinata della prima VC coincida con l ascissa della seconda) Anche se X è uno zero sporco (maggiore di ) dopo 2 inversioni risulta uno 0 pieno 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 12

4 Se la VC avesse l altro andamento un piccolo errore verrebbe amplificato attraverso le diverse porte fino a portare ad un risultato logicamente sbagliato Y X I1 Y I2 X =Y =(X ) =X La curva continua è la VC del primo inverter e la tratteggiata quella del secondo (gli assi sono invertiti per fare in modo che l ordinata della prima VC coincida con l ascissa della seconda) Se X è uno zero valido (minore di ) dopo 2 inversioni tende a diventare un 1 sporco 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 13 Matematicamente la proprietà rigenerativa corrisponde ad una VC che abbia un guadagno molto piccolo (<<1) per tensioni di ingresso basse ed alte ed un guadagno molto grande (>>1) per le tensioni di ingresso al centro dell intervallo (fra e ) Guadagno >> 1 Guadagno << 1 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 14 Soglia logica La proprietà rigenerativa permette di definire il concetto di soglia logica. La soglia logica è il punto della VC per cui V out =V in Grazie alla rigenerazione, i segnali al di sotto della soglia logica, attraverso una cascata di inverter, saranno interpretati come 0 e quelli al di sopra come 1 V M V M Retta a pendenza unitaria Rigenerazione e rumore La proprietà rigenerativa è quella che rende intrinsecamente più precisi ed insensibili al rumore i circuiti digitali rispetto a quelli analogici In un sistema analogico il segnale, ad ogni stadio di elaborazione, viene corrotto dal rumore (ogni stadio inietta del rumore aggiuntivo) In un sistema digitale, invece, il segnale, nell attraversare diversi stadi di logica viene ripulito dal rumore E per questo che copiare un CD (digitale) viene ritenuto un reato grave ed è invece tollerato copiare una musicassetta (analogico) 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 16

5 Fan-In e Fan-Out Il Fan-In è il numero di ingressi ad una determinata porta logica (nel caso dell inverter è sempre 1). Determina ovviamente la complessità della porta stessa. Il Fan-Out è il numero di porte connesse all uscita di una determinata porta logica (anche nel caso dell inverter può essere 1). In alcune tecnologie esiste un numero massimo di porte collegabili in uscita. In tecnologia CMOS il numero di porte in uscita influenza solo le caratteristiche dinamiche (la velocità) della porta, non le sue caratteristiche statiche Comportamento dinamico Il comportamento dinamico dell inverter è caratterizzato da 3 parametri fondamentali: empo di Propagazione (t p ): il tempo medio necessario perché una transizione in ingresso si propaghi in uscita empo di salita (t r ): il tempo che impiega il segnale in uscita per andare da basso a alto empo di discesa (t f ): il tempo che impiega il segnale in uscita per andare da alto a basso N M Fan-In N Fan-Out M 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 18 Comportamento dinamico Consumo di potenza V in 50% V out 90% 50% 10% t phl t f t plh t r t t t phl /t plh = tempo fra una variazione del 50% dell ingresso ed una del 50% dell uscita t p =(t phl +t plh )/2 t r = tempo di variazione dell uscita dal 10% del valore nominale alto al 90% t f = tempo di variazione dal 90% del valore nominale alto al 10% Il consumo di potenza è un parametro fondamentale per misurare le caratteristiche di una tecnologia, in particolar modo nei sistemi moderni contenenti milioni di gate, dove la potenza (ed il conseguente riscaldamento del dispositivo) diventano un parametro critico In genere la potenza dissipata da una porta logica si divide in 2 componenti: Statica (consumata in situazione di stabilità dell uscita) Dinamica (consumata in commutazione dell uscita) La potenza media è definita come: P av 1 Vsup = i V dt = sup ply sup ply 0 ply 0 i sup ply dt 27 Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro Settembre 2005 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 20