CIRCUITI INTEGRATI LOGICI

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1 CIRCUITI INTEGRATI LOGICI I circuiti logici sono stati i primi intorno agli anni 60 l integrazione in un unico chip riducendone le dimensioni grazie alle tecnologie di montaggio SMC (superficiale). Esistono due diverse tipologie di circuiti logici integrati: I DIP (dual in line package) I SOP (small outline package) Secondo il processo di integrazione, ovvero il processo monolitico, su una piastra unica in silicio trovano sistemazione tutti i componenti del circuito. In seguito la piastra viene saldata su un supporto che è collegato all interno di un contenitore avente dei terminali (pin o piedini). Dopo aver collegato i piedini ai vari chip, la piastra, dopo essere stata trattata con resina epossidica, viene incapsulata nel contenitore. In base alle grandezze degli integrati si possono distinguere varie scale di integrazione: Piccola scala di integrazione (SSI), a cui appartengono: buffers,latches flip-flop ecc. Media scala di integrazione (MSI), a cui appartengono: mux,dmux,encoders,decoders,ecc. LE FAMIGLIE LOGICHE In base alle tecniche di costruzione impiegate possiamo distinguere una varietà di famiglie logiche delle cui possiamo citare: TTL (transistor-trnsistor-logic), le quali hanno una tecnologia basata sul transistore bipolare BJT. CMOS, le quali hanno una tecnologia basata su un unico transistore unipolare detto MOS, le famiglie CMOS più recenti sono quella a bassa tensione (LV) e quella BiCMOS realizzata con una tecnologia ibrida bipolare-unipolare. LE FAMIGLIE TTL Gli integrati TTL reperibili sul mercato sono riconoscibili dal prefisso comune 74 da un paio di ulteriori cifre e vengono alimentati con una tensione Vcc=5V. TTL STD (TTL STANDARD), è stata la prima ad essere realizzata ed in passato ha avuto una grandissima diffusione. Le cifre delle sigle individuano il tipo di integrato (74XX) e questo è diventato un standard comune per quasi tutte le famigli logiche. TTL LS (low-power Shottky), è contrassegnata dalla sigla 74LSXX. Essi hanno una elevata velocità di funzionamento ed hanno un consumo abbastanza ridotto. TTL ALS (advanced LS), sono la versione avanzata e migliorata dei TTL LS. La sigla di riferimento è 74ALSXX. TTL AS (advanced Shottky), essi sono una versione evoluta dei TTL S. Sono i TTL più veloci in assoluto la cui sigla è 74ASXX. TTL F (fast TTL), la sua sigla è 74FXX e sono caratterizzati da una buona velocità di funzionamento. LE FAMIGLIE CMOS I CMOS sono caratterizzati da un basso consumo e da una velocità di funzionamento pari a quella dei TTL. Ora come ora i CMOS sono i più usati. 4000B, è una famiglia in commercio da molto tempo che continua ad essere utilizzata in quanto dispone di una quantità svariata di funzioni logiche ed accetta una vasta gamma di tensioni di alimentazione Vcc= 3 18V. L unico difetto è quello di avere un elevata

2 lentezza di funzionamento. Le sigle che contraddistinguono questo tipo di integrati sono: 45XX e 40XX. HC (high-speed CMOS), essa costituisce la famiglia di riferimento per i CMOS. Gli HC hanno un alta velocità di funzionamento e accettano una gamma di tensioni di alimentazione Vcc=2 6V ma come valore convenzionale di tensione si considera Vcc=5V. La sigla che la distingue è 74HCXX e in base alle cifre finali ci vengono implementate le funzioni che esso può svolgere e la piedinatura con i corrispondenti integrati TTL. La serie derivata HCT ( Vcc=5V ) è direttamente interfacciabile con un IC TTL. AC (advanced CMOS), la sua sigla è 74ACXX ed è la migliore CMOS a livello di prestazioni. La serie derivata ACT è direttamente interfacciabile con un IC TTL. FAMIGLIE LV (low voltage) Sono famiglie logiche a tecnologia unipolare o ibrida con una ridotta gamma di tensioni di alimentazione Vcc=2 3,6V e trovano impiego nelle apparecchiature alimentate con batterie. Le sigle delle versioni più usate sono 74LVXX e 74LVCXX. STRUTTURA ELETTRICA Gli integrati di una famiglia presentano tutti le stesse caratteristiche di IN ed OUT delle porta elementare, NAND per i TTL e NOT per i CMOS. Anche se non è proprio indicato nello schema elettrico di una porta essa: Di un pin di Vcc comune a tutte le porte dell integrato. Di un pin di GND comune a tutte le porte dell integrato Uno o più ingressi che possono trovarsi alti ( H=1) o bassi (L=0). Un uscita (Y) che assume un certo valore in base al tipo di porta e alla situazione degli ingressi. TIPI DI USCITE 1. Uscita totem-pole, essa è costituita da due transistori ( BJT o MOS) i quali sono collegati in serie. TIPI DI USCITA (considerando S1 interruttore di pull-down e S2 interruttore di pullup) Se l uscita si trova a livello alto S2 è chiuso mentre S1 è aperto, dunque il terminale di uscita è direttamente collegato a Vcc. Il valore della tensione di uscita VOH è dipendente dal valore di corrente IOH che è erogata dalla porta stessa e definita corrente di source. Esempio:

3 Quando l uscita invece viene a trovarsi allo stato basso S1 è chiuso e S2 è aperto, dunque l uscita è in grado di assorbire una eventuale corrente IOL ( corrente di sink) che proviene dall esterno, questa corrente influenza il valore di VOL=0V o potenziale di massa. Questo modello però approssima bene solo il funzionamento dei CMOS in quanto i valori di resistenza sono quasi uguali R01=R02=50Ω. Nei TTL i valori di resistenza sono totalmente diversi e R01 è molto più bassa. Inoltre i transistor BJT di commutazione localizzano ai loro capi dei valori di tensione considerevoli. Ovvero ipotizzando un uscita a livello alto e un valore di IOH=0A, la tensione di uscita VOH=5V. Ma realmente il suo valore è più basso a causa della caduta di tensione avuta sul commutatore superiore del totem-pole, VOH=3,5V. 2. Uscita open collector o open drain, questo tipo di uscite sono prive del commutatore superiore e possono dunque venire semplicemente rappresentate solo con S1, che ha la funzione di commutatore di pull down. TIPI DI USCITE Con S1 chiuso (stato basso) il valore della tensione di uscita VOL è totalmente dipendente dalla corrente di sink IOL. Con S1 aperto (stato alto) l uscita rimane scollegata sia dalla massa che dall alimentazione cosicché essa resta fluttuante.

4 È necessario in questo particolare caso collegare esternamente il terminale di ucita della porta ad un alimentazione V che può essere pure diversa da Vcc tramite un opportuna resistenza di pullup. Con questo accorgimento il valore di VOH aumenta avvicinandosi al valore di alimentazione supplementare V, sottraendo alla stessa la c.d.t sul resistore di pull-up a causa di un eventuale corrente di carico I. 3. Uscita tri-state, questa particolare configurazione, consente all uscita di poter assumere appunto 3 stati: Stato alto = H 1 Stato basso = L 0 Stato ad alta impedenza (Z), in questo stato l uscita viene a trovarsi scollegata sia da Vcc che da GND e dunque resta fluttuante. Questo tipo di uscite è particolarmente usato nei sistemi programmabili a μc (microprocessore) nei quali spesso più uscite sono convergenti su un unico bus. Per prevenire dunque la sovrapposizione di dati sul quel bus, tutte le uscite si troveranno in alta impedenza tranne quella che deve immettere i suoi dati sul bus. INGRESSI I terminali di ingresso sono connessi all interno della porta dunque quando vi è applicata un tensione, essi sono interessati da correnti. Quando è applicato il livello alto VIH, nell ingresso circola corrente che poi si chiude a massa tramite il circuito interno Quando ad essi invece è applicato un livello basso VIL, la corrente esce dall ingresso (IIL) che proviene dall alimentazione (Vcc). Nel caso in cui un ingresso venga a trovarsi scollegato, la porta diviene decisamente instabile e sente ai suoi ingressi livelli di tensione variabili. Perciò risulta indispensabile, onde evitare che l uscita della porta rimanga fluttuante, di collegare i pin di ingresso o a Vcc o a GND. CARATTERISTICHE DI TRASFERIMENTO Questa caratteristica è anche definita di ingresso-uscita e ci fornisce l andamento della tensione di uscita quando la tensione di ingresso va da 0 a Vcc. Transizione a Vcc/2 nei CMOS Transizione a 1,4 V nei TTL ( fortemente asimmetrica)

5 PARAMETRI FONDAMENTALI TENSIONE DI ALIMENTAZIONE, rappresenta il valore minimo di tensione che si deve avere tra il terminale di Vcc e il terminale di massa (GND). La tolleranza ammessa per i valori di Vcc è: ± 5% nei TTL ls e std. ± 10 % nelle versioni di più recente fabbricazione. STD LS ALS AS HC 4000 LVC Vcc (V) ,2 3,6 CORRENTE ASSORBITA; la corrente di alimentazione che assorbe l IC si indica: ICCH con uscite alte ICCL con uscite basse LIVELLI DI TENSIONE E MARGINE DI RUMORE; per le tensioni di alimentazione bisogna stabilire delle fasce entro le quali esse possono essere considerate alte o basse Per le tensioni di ingresso si definiscono: VIH(min) = minima tensione di ingresso riconosciuta dalla porta come livello alto. VIL(max) = minima tensione di ingresso riconosciuta dalla porta come livello basso. Le tensioni di uscita sono prettamente dipendenti dalle correnti di carico: VOH(min) = indica il minimo valore a cui può abbassarsi la tensione di uscita a livello alto in corrispondenza del massimo valore di corrente erogata IOH(max) VOL(max) = indica il massimo valore che può avere l uscita al livello basso in corrispondenza del massimo valore di corrente assorbita IOL(max). Tensione (V) STD LS ALS AS HC 4000 LVC VIH(min) ,5 3,5 2 VIL(max) 0,8 0,8 0,8 0,8 1,5 1,5 0,8 VOH(min) 2,4 2,7 2,7 2,7 4,2 4,6 2,4 VOL(max) 0,4 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 0,4 NM H/L 0,4/0,4 0,7/0,3 0,7/0,3 0,7/0,3 0,7/1,1 1,1/1,1 0,4/0,4 Se pensiamo ora di collegare l uscita di una porta (pilota) all ingresso di un altra porta (carico), e supponiamo che l uscita sia bassa, vedremo che a VOL(max) si sovrappone un segnale di disturbo con un ampiezza che equivale a : VIL(max) VOL(max) La porta comunque non incorre in un interpretazione sbagliata del livello. Tutto ciò si definisce margine di RUMORE al livello basso: NML = VIL(max) VOL(max)

6 Si definisce invece margine di rumore al livello alto: NMH = VOH(min) VIL(min) CORRENTI LIMITE E FAN-OUT, per le correnti che influenzano liveli e tensioni si definiscono: IOH (max), indica la massima corrente che l uscita a livello alto può erogare garantendo che Tu>VOH(min) IOL (max),indica la massima corrente che l uscita a livello basso può assorbire mantenendo Tu<VOL(max) IIH(max),indica la massima corrente assorbita dall ingresso quando esso è a livello alto IIL(max), indica la massima corrente erogata dall ingresso quando esso è a livello basso. Le correnti entranti in una porta si definiscono positive e le uscenti negative. Correnti(mA) STD LS ALS AS HC 4000 LVC IIH(μA) ,1 0,1 5 IIL - 1,6-0,4-0,1-0,5-0,1 μa - 0,1 μa - 5 μa IOH - 0,4-0,4-0, ,44-24 IOL , FO H/L 10/10 20/20 20/80 50/50 50/50 50/ Sulla base di quanto detto allora si può definire il valore del fan-out, ovvero il numero massimo si ingressi che un uscita è capace di pilotare Il fan-out a livello alto vale: Il fan-out a livello basso basso vale : FOH = IOH(max) = n.a IIH(max) FOL = IOL(max) = n.a IIL(max) Il fan-out e anche espresso come le unità di carico (UL) pilotabili da un uscita. Inoltre se a livello basso e a livello alto i valori sono diversi, si terrà conto di quello più basso. POTENZA DISSIPATA Ogni porta,qualora essa venga alimentata consuma una certa potenza PD La corrente media assorbita dall alimentazione, considerando uguali i tempi di permanenza in uno stato vale: Icc = IccH + IccL 2

7 Alla luca di ciò la potenza Pcc consumata dall IC e la potenza dissipata PD dalle singole porte valgono: Pcc = Vcc Icc PD = Pcc Num. Porte IC STD LS ALS AS HC 4000 LVC PD(mW) Staticamente i CMOS hanno consumi veramente bassi. TEMPI DI PROPAGAZIONE In qualsiasi porta l uscita risponde,alla variazione di ingressi con un certo ritardo definito tempo di propagazione (Tp). Si distinguono due precisi tempi di propagazione: Quello del passaggio da basso ad alto (TpLH) Quello del passaggio da alto a basso (TpHL) Legata al tempo di propagazione, è la massima frequenza a cui può lavorare un IC (fmax) STD LS ALS AS HC 4000 LVC Tp (ns) , f max (MHz)