Page 1 SISTEMI ELETTRONICI. Ingegneria dell Informazione. Modulo. Obiettivi del gruppo di lezioni D

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1 Ingegneria dell Informazione Modulo SISTEMI ELETTRONICI D - Versione IVREA - AA D2 - Interfacciamento elettrico e famiglie logiche - stadi di uscita - famiglie logiche 7-Jan-04 - Obiettivi del gruppo di lezioni D Moduli digitali Caratteristiche elettriche di un circuito digitale (alimentazione, tensioni e correnti di ingresso e uscita) Comportamento dinamico dei dispositivi logici (tempi di salita e discesa, tempi di propagazione) Interfaccia tra dispositivi logici di diverso tipo (stadi di uscita, compatibilità, fan-out) Famiglie logiche Interfacciamento tra mondo analogico e digitale Da segnale analogico a digitale (a singolo bit) Comparatori di soglia senza e con isteresi 7-Jan-04-2 Contenuti di questa lezione (D2) Stadi di uscita totem pole collettore aperto three-state Famiglie logiche serie 74 Esempi di interfacciamento verifica di compatibilità statica calcolo resistenza di pull-up Riferimenti nel testo: Jaeger: 7.5/6/8/9; 8.5/6/9; Jan-04-3 Page

2 Circuito di uscita L uscita di un circuito logico binario può essere vista come un deviatore tra V AL e massa. Stato H: tensione di uscita prossima a V AL Stato L: tensione di uscita prossima a GND H L V AL V O GND circuito equivalente semplificato 7-Jan-04-4 Circuito equivalente Totem Pole Il deviatore è realizzato con due interruttori a comando complementare Stato H SW H chiuso, SW L aperto V AL SW H SW L V O Stato L SW L chiuso, SW H aperto GND circuito equivalente semplificato 7-Jan-04-5 Parametri elettrici di uscita Totem Pole Già definiti nella D per una uscita logica: tensioni: V OL, V OH, correnti: I OL, I OH 7-Jan-04-6 Page 2

3 Collegamento tra più uscite Se le due uscite sono in stati opposti, scorre corrente tra Val e GND V AL Le Ro sono basse La corrente può essere anche alta! COLLISIONE V O GND Distruzione del dispositivo per eccessiva dissipazione 7-Jan-04-7 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 7-Jan-04-8 STADIO DI USCITA THREE-STATE STADI DI USCITA 5 Val Gnd Out 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) 7-Jan-04-9 Page 3

4 Circuito equivalente Three-State L uscita a tre stati può essere vista come un deviatore a tre posizioni V AL H V O Z L GND Nella posizione Z lo stato dell uscita dipende dal circuito esterno. V AL SW H SW L GND V O Modello a interruttori con comandi indipendenti 7-Jan-04-0 Altro modello per 3-S Stadio TP + interruttore di abilitazione in serie sull uscita V AL SW L V O GND SW E Questo modello evidenzia il comando di abilitazione o ENABLE SW L comanda lo stato logico dell uscita (se abilitata) SW E abilita/disabilita l uscita 7-Jan-04 - Parametri elettrici di uscita 3-stati Abilitata: come per Totem pole: tensioni: V OL, V OH, correnti: I OL, I OH Non abilitata (HiZ, Open) solo corrente di perdita: I OZ generalmente molto più piccola delle I O stesso ordine di grandezza delle I I 7-Jan-04-2 Page 4

5 Esempio di uscita 3-S Invertitore logico con uscita a tre stati Comando di abilitazione attivo allo stato L Simbolo grafico per uscita 3-S In Out In L OE L Out H OE H L L - H Hi-Z 7-Jan-04-3 Collegamento tra più uscite L uscita 3-S permette di collegare più uscite allo stesso nodo: deve essere abilitato un solo stadio di uscita per volta (un solo segnale OE può essere attivo) ATTENZIONE!!!! Se si abilitano due uscite contemporaneamente si ha lo stesso problema dello stadio totem-pole: collisione In In2 In3 OE OE2 OE3 7-Jan-04-4 Uso delle uscite tre-stati Per usare uscite 3-S occorre un modulo di controllo, che genera le abilitazioni in modo esclusivo (una sola per volta) bisogna sapere a priori quale uscita abilitare Esempi: lettura di memorie o registri multiplexer Non usabile se non è possibile una selezione a priori interrupt In In2 In3 OEi Controllo abilitazioni 7-Jan-04-5 Page 5

6 Uscita Open Collector (Open Drain) In SW d Gnd Out Ou t Lo stadio di uscita è realizzato semplicemente con un interruttore verso una tensione di riferimento (Gnd nell esempio) Se l interruttore è chiuso, Out viene forzato a Gnd; se è aperto lo stadio si comporta come lo stadio three-state in alta impedenza. Non si può avere collisione 7-Jan-04-6 Parametri elettrici di uscita OC Stato basso: come per Totem pole, solo stato basso: tensione: V OL, corrente: I OL Aperta (HiZ, Open) come per tre-stati disabilitata: solo corrente di perdita: I OH molto più piccola delle I O, stesso ordine di grandezza delle I I 7-Jan-04-7 Wired AND con O.C. Per funzionare è necessaria una resistenza (resistenza di Pull-Up) per tirare su la tensione quando lo stadio open-collector non pilota l uscita (SW aperto) Rpu Val SW d Gnd SW d2 Gnd Basta che uno SW sia chiuso perché la linea vada a livello basso Esempio: linee di richiesta di interruzione IRQ 7-Jan-04-8 Page 6

7 Operazioni logiche con O.C. Collegando assieme più uscite OC (con resistenza di pull-up) è possibile realizzare AND tra variabili H» il nodo comune va nello stato H solo se tutte le uscite (operatore AND) sono aperte (Stato H)» WIRED AND OR tra variabili L» il nodo comune va nello stato L quando anche una sola uscita (operatore OR) è chiusa verso massa (Stato L)»WIRED OR Permettono di ottenere porte logiche modulari, in cui è possibile variare il numero di ingressi. 7-Jan-04-9 Interruttori elettronici Un interruttore elettronico ha due stati chiuso ON» modello ideale: corto circuito» modello reale: resistenza Ron Ron aperto OFF» modello ideale: circuito aperto» modello reale: corrente di perdita Ioff (segno non noto) Ioff 7-Jan Modello lineare di stadio di uscita Nell uscita Totem Pole i due interruttori hanno comando complementare H: SW H chiuso/sw L aperto L: SW H aperto/sw L chiuso R OH V AL SW H V O Nell uscita Tre Stati i comandi sono indipendenti (Hi)Z: SW H e SW L aperti Nell uscita Open Collector è presente solo SW L L: SW L chiuso R OL SW L GND 7-Jan-04-2 Page 7

8 STADI DI USCITA STADIO OPEN_COLLECTOR (OPEN_DRAIN) REALE Val Rpu SW d Rol SW d2 Rol Gnd Gnd Per il corretto funzionamento deve essere Rpu >> Rol I valori di Rpu e Rol determinano i ritardi di commutazione τr = Rpu C τf = Rol C 7-Jan STADI DI USCITA 2 STADIO DI USCITA OPEN_COLLECTOR (OPEN-DRAIN) Calcolo della Rpu Val m Rpu 2 In generale ci saranno m driver e n ricevitori (per semplicità supponiamo dello stesso tipo) n 7-Jan STADI DI USCITA 3 Calcolo della Rpu IR m m H : IOH Nessun driver pilota la linea la corrente in Rpu deve sostenere tutte le IOH e le IIH garantendo la VOH Val Rpu n IIH 2 n Nel caso peggiore: IR = (Val VH) / Rpu > m IOH + n IIH (Val min VH) / Rpu max > m IOH + n IIH 7-Jan Page 8

9 Calcolo della Rpu m L : Supponiamo un solo driver che pilota la linea a L la corrente in Rpu e le IIL non devono superare la massima IOL (garantendo così la VOL) IOL IR STADI DI USCITA 4 Val Rpu n IIL IR + n IIL = (Val VIL) / Rpu + n IIL < IOL Nel caso peggiore: (Val max VIL) / Rpu min < IOL - n IIL 2 n 7-Jan STADI DI USCITA 5 Calcolo della Rpu Val Rpu m 2 Si ottiene un intervallo di valori di Rpu validi: Rmin < Rpu < Rmax Che criterio si usa per la scelta? n Piccole R Maggior velocità Grandi R Minor Potenza dissipata 7-Jan CALCOLO DI Rpu Calcolare la Rpu per una linea con 3 driver O.C. e 4 ricevitori con le caratteristiche sotto riportate ( Val = 5 V +- 5%) VOL = 0.5 V VOH = 3.76 V VIL = 0.8V VIH = 3.5 V IOH = 00 µa IOL = 8 ma IIL = - µa IIH = µa Negli O.C. la I OH entra dentro il dispositivo degradando il livello alto!!!!! Nell ipotesi di pilotare una C di 50pF, come risulta il tempo di salita sulla linea? 7-Jan Page 9

10 ESERCIZIO: FAN OUT QUANTE PORTE DI TIPO TTL LS SI POSSONO PILOTARE? LS Val = 5V Rpu KΩ HCT LS VOL = 0.5 V HCT VOL = 0.5 V Rpd 0 KΩ Gnd? (LS) VOH = 2.7 V VOH = 3.76 V VIL = 0.8V VIL = 0.8V VIH = 3.5 V VIH = 2.0 V IOH = µa IOL = 8 ma IIL = ma IIH = 20 µa IOH = - 00 µa IOL = 8 ma IIL = - µa IIH = µa 7-Jan ESERCIZIO: FAN OUT L LS Val = 5V Rpu kω IPU HCT Rpd 0 kω IPD? (LS) LA CORRENTE DISPONIBILE A LIVELLO L VALE: Gnd 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 7-Jan ESERCIZIO: FAN OUT H LS Val = 5V Rpu kω IPU HCT Rpd 0 kω LA CORRENTE A LIVELLO ALTO VALE: IPD? (LS) IOH + IPU IPD = (5 2.7)/ (2.7/0) ma Gnd = 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 7-Jan Page 0

11 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 7-Jan-04-3 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) 7-Jan Segnali logici differenziali LVDS Low Voltage Differential Signalling 7-Jan Page

12 Contenuti di questa lezione (D2) Stadi di uscita totem pole collettore aperto three-state Famiglie logiche serie 74 Esempi di interfacciamento verifica di compatibilità statica calcolo resistenza di pull-up 7-Jan Famiglie logiche Gli interruttori possono essere realizzati con componenti MOS o bipolari I circuiti logici sono raggruppati in famiglie Famiglie C-MOS (esempi) alta velocita HC avanzata AC bassa tensione LV TTL compatibile HCT ACT BCT LVT Famiglie bipolari (esempi TTL) low power Shottky LS Fast F 7-Jan Differenze tra TTL e C-MOS Corrente di ingresso: praticamente nulla per circuiti MOS e CMOS non nulla e asimmetrica per TTL Stadio di uscita: simmetrico per CMOS asimmetrico per TTL Consumo: prevalentemente dinamico per circuiti CMOS (legato alla frequenza di funzionamento) anche statico per TTL 7-Jan Page 2

13 Componenti della serie 74/54 Componenti SSI MSI (funzioni semplici) Sigle del tipo 74 XX NNN oppure 54 XX NNN 74 XX NNN indica campo di temperatura standard (0-85 C, uso corrente, applicazioni ufficio ) 54 XX NNN indica campo di temperatura esteso ( C, applicazioni per auto e spazio) XX identifica la sottofamiglia (LS, F, C,...) NNN identifica la funzione (OR, NAND, registro, ) 7-Jan Esempi di componenti serie 74 74f00 famiglia TTL fast, quattro porte NAND a due ingressi 54LS04 famiglia TTL-LS, sei invertitori, campo di temperatura esteso 74ACT245 famiglia C-MOS ACT, otto buffer bidirezionali 74F245 come sopra, famiglia Fast 7-Jan Data sheet Caratteristiche elettriche: 74HCxxx 74LSxxx 7-Jan Page 3

14 Esempio: calcolo corrente Io calcolo corrente di uscita con carico a LED verifica di compatibilità 7-Jan Esempio: verifica di compatibilità calcolo corrente di uscita con carico CMOS verifica di compatibilità considearzioni su altri effetti; non è questo il limite altro calcolo con margine di rumore assegnato 7-Jan-04-4 Sommario di questa lezione (D2) Struttura degli stadi di uscita Parametri elettrici degli stadi di uscita Esempi di famiglie logiche 7-Jan Page 4

15 Prerequisiti lezione D3 Lezione D3 Comparatori di soglia Prerequisiti:» A.O. ideali» Caratteristiche elettriche di porte logiche Riferimenti sul testo» Cap Circuiti a retroazione positiva 7-Jan Page 5