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1 Ingegneria dell Informazione Obieivi del gruppo di lezioni D Modulo SISTEMI ELETTRONICI D CIRCUITI DIGITALI D3 Comparaori di soglia Comparaori Comparaori con iseresi Uso dell A.O. Generaore di segnale Moduli digiali Caraerisiche eleriche di un circuio digiale (ensioni di alimenazione, ensioni di ingresso e uscia, correni di ingresso e uscia, consumo) Comporameno dinamico dei disposiivi logici (empi di salia e discesa, empi di propagazione) Come inerfacciare disposiivi logici di diverso ipo (sadi di uscia, compaibilià, fanou) Inerfacciameno ra mondo analogico e digiale Come si convere un segnale analogico in digiale (a singolo bi) Cosa sono e come funzionano i comparaori di soglia senza e con iseresi 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Conenui di quesa lezione (D3) Comparaori di soglia Comparaori di soglia senza iseresi con iseresi Circuii per comparaori con A.O. Passaggio da un segnale analogico ad uno digiale Generaore di onda quadra Riferimeni nel eso: Jaeger, Cap , 7.7, 8.4, 8.8 Definizione funzionale: modulo con ingresso analogico I, uscia binaria U (L/H, 0/1) I lo sao dell uscia dipende dal risulao del confrono ra la grandezza I ed una soglia S Se I > S: U H»U = H Se I < S»U = L COMPARATORE DI SOGLIA L U S I 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Comparaori Comparaori con A.O. I ed S possono essere grandezze qualsiasi: esempio:» I è la quanià di carburane, S il livello di riserva» U e lo sao dell indicaore (lampadina accesa o spena) generalmene rappresenai con ensioni,, H Caraerisiche dell Amplificaore Operazionale Guadagno ad anello apero (A d ) molo grande Escursione dell uscia limiaa dalle ensioni di alimenazione: H ~ V AL L ~ V AL Zona lineare ( = V d A d ) molo ridoa» Per ensioni differenziali di ingresso superiori a frazioni di mv, l uscia si pora a H o L, a seconda del segno della V d L amplificaore operazionale ad anello apero (senza reazione negaiva) può essere usao come comparaore L 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Page DDC 1

2 A.O. ad anello apero Circuii per comparaori V d = = A d V d H ~ V AL VU Comparaore non inverene: Se I > S: U = H Se I < S: U = L L ~ V AL H V d L 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Circuii per comparaori Segnale di ingresso senza rumore VU Comparaore inverene: Se I > S: U = L Se I < S: U = H araversameni della soglia singoli e ben definii 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Segnale di ingresso con rumore Segnale di ingresso con rumore Il rumore causa araversameni mulipli della soglia Commua solo araversando la soglia più eserna viene inrodoa iseresi /12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Page DDC 2

3 Comparaore inverene con iseresi Conenui di quesa lezione (D3) caraerisica per ensioni decresceni H L 2 1 caraerisica per ensioni cresceni Comparaori di soglia senza iseresi con iseresi Circuii per comparaori con A.O. Comparaore inverene e non inverene Parameri saici Parameri dinamici Esempi di applicazioni Coversione da un segnale analogico ad uno digiale Generaori di onda quadra 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Sdoppiameno della soglia Come sdoppiare la soglia Nel caso di un comparaore inverene con iseresi la ensione di confrono vale La ensione di confrono viene oenua come combinazione di una ensione di riferimeno e della ensione di uscia 1 quando = H; 2 quando = L 1 2 VI R1 R 2 H VUL 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Comparaore con iseresi inverene Comp. con iseresi non inverene R1 R 2 R 1 R 2 = H : = 1 = (R 1 H R 2 )/(R 1 R 2 ) = L : = 2 = (R 1 L R 2 )/(R 1 R 2 ) = H : = (R 1 H R 2 1 )/(R 1 R 2 ) 1 = (R 1 R 2 ) R 1 H )/R 2 = L : = (R 1 L R 2 2 )/(R 1 R 2 ) 2 = (R 1 R 2 ) R 1 L )/R 2 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Page DDC 3

4 Reazione posiiva Riconoscere la configurazione Amplificaori: reazione negaiva Comparaore di soglia con iseresi: reazione posiiva Amplificaori/comparaori, invereni/noninvereni Effei della reazione posiiva: Ogni minima variazione viene amplificaa e riporaa all ingresso con lo sesso segno Gli unici sai sabili in uscia sono H e L L amplificaore operazionale lavora fuori linearia (ranne che all isane delle commuazione) Si incremena la velocia di commuazione dell uscia Viene inrodoa iseresi 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Comparaore senza e con iseresi Comparaore inverene e noninv. senza iseresi, noninverene senza iseresi, inverene 1, 2 1, 2 con iseresi, noninverene 1 2 con iseresi, inverene /12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC AO usao nei comparaori di soglia AO per amplificaori e comparaori L operazionale è fuori linearià uscia saura ai livelli max e min (ranne che all isane della commuazione) Puo essere presene una elevaa ensione differenziale ra gli ingressi negli amplificaori, se l A.O. resa in linearia, Vd è 0 Puo essere presene una ensione di Modo Comune Le ensioni applicae ai morsei di ingresso devono rispeare i vincoli indicai nei daa shee generalmene comprese enro le ensioni di alimenazione Amplificaori: Reazione negaiva (anche in DC) Tensione differenziale di ingresso V d = 0 (V insegue V) Correni di ingresso I, I = 0 Uscia enro i limii di dinamica: max > > min Comparaori Reazione posiiva (se c è iseresi) Tensione differenziale di ingresso qualunque Commua quando la ensione differenziale di ingresso V d = 0 Uscia saura ai livelli max e min (ranne che all isane della commuazione) 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Page DDC 4

5 Parameri saici di un comparaore Impedenza di ingresso (*) Massime ensioni di ingresso differenziali e di modo comune MAX/MIN (nondanneggiameno) Dinamica di modo comune all ingresso V CMAX/MIN (funzionameno) Correni di polarizzazione agli ingressi Tensioni e correni di offse, loro derive Uscia: livelli L e H, correni erogabili (I UH, I UL ) V CMAX V CMIN V AL V AL V, V MAX MIN AO ad anello apero: molo ala Comparaori con iseresi: non invereni: R1 alro invereni: molo ala Deve poer circolare la correne di polarizzazione! 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Parameri dinamici Parameri dinamici L uscia cambia sao con riardo PXX Le commuazioni hanno empi di salia e discesa r f V O PLH PHL V O r f 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Esempio 1: analisi di comparaore Esempio 2: comparaore inegrao Deerminare i valori delle soglie per il circuio: R 1 R 2 R 1 = 22 kω AO : µa 748 R 2 = 120 kω alim: 15V, 15V = 3 V Esisono componeni (ipo AO) specifici Uscia ipo OC (più flessibile) Maggiore velocià Il comparaore con iseresi è deo anche TRIGGER DI SCHMITT Ingressi con iseresi sono dei a rigger Indicai con il simbolo dell iseresi Le soglie sono fisse Inverer con ingresso a rigger: 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Page DDC 5

6 Conenui di quesa lezione (D3) Conversione A/D a 1 bi Comparaori di soglia senza iseresi con iseresi Circuii per comparaori con A.O. Comparaore inverene e non inverene Parameri saici Parameri dinamici Esempi di applicazioni Coversione da un segnale analogico ad uno digiale Generaori di onda quadra Il comparaore di soglia rasforma una grandezza analogica in numerica (1 bi) E il più semplice converiore Analogico/Digiale Per converire su più bi occorrono più comparaori 2 bi, 4 sai/inervalli, 3 comparori,. N bi, 2 N inervalli, 2 N 1 comparaori 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Generaore di onda quadra Oscillaore a onda quadra Ree RC passabasso piloaa da un segnale binario il condensaore si carica e scarica con andameno esponenziale Modulo che confrona la ensione sul condensaore con un livello min e un max comparaore con iseresi C V C R Il condensaore si carica e scarica ra le soglie S1 e S2 H L uscia del comparaore (inverene) piloa la ree RC V C 2 1 L 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Calcolo del periodo Periodo complessivo 2 H 1 V C 2 V C L T V C = L (L 2 ) e /RC V C = 1 = L (L 2 ) e T/RC T = RC log [(L 2 )/(L 1 )] 1 L T T T 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Page DDC 6

7 CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 1 CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 2 C Gnd R C Gnd R L INGRESSO SEGUE UNA SERIE DI ESPONENZIALI COMPRESI TRA VT E VT, MUOVENDOSI LUNGO L ISTERESI DEL COMPARATORE VOH CALCOLARE LA FREQUENZA DI OSCILLAZIONE DEL GENERATORE D ONDA QUADRA VT = 1.7 V VOH = 3.7 = 1 kω VT = 0.9 V VOL = 0.3 V C = 10 nf VT T1 T2 VOL VT VH VT 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 3 CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 4 VT T1 T2 VOH VOL VT T1 T2 VOH VOL VT VT VT VT VT VT Durane T1 la segue la legge () = VOH (VT VOH)exp ( /RC ) Quando = T1 (T1) = VT T1 = RC ln [(VOH VT)/(VOH VT)] = 3.4 µs 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Durane T2 la segue la legge () = VOL (VT VOL)exp ( /RC ) Quando = T2 (T2) = VT T2 = RC ln [(VT VOL)/(VT VOL)] = 8.5 µs T = T1 T2 = 11.9 µs f = 1/T = 84 khz 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 5 Sommario di quesa lezione (D3) C Gnd R Quali sono i limii di frequenza del generaore di clock? Cosa limia la massima frequenza? Cosa limia la frequenza minima? Comparaori di soglia invereni e non invereni AO ad anello apero come comparaori Comparaori con iseresi Circuii con AO e reazione posiiva Parameri saici e dinamici di un comparaore Quali sono i limii nella scela di R? E di C? Esempi di applicazione 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Page DDC 7

8 Lezioni E Circuii logici combinaori circuii per inverer e pore RSW e SWSW Circuii logici sequenziali flipflop base regisri paralleli e seriali conaori asincroni circuii sequenziali sincroni Prerequisii parameri saici e dinamici di circuii logici algebra di Boole 01/12/ SisElnD3ddc 2004 DDC Page DDC 8