ELETTRONICA II. Prof. Dante Del Corso Prof. Pierluigi Civera Esercitazioni e laboratorio: Ing. Claudio Sansoe. Politecnico di Torino

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1 ELETTRONICA II Lezioni: Prof. Dante Del Corso Prof. Pierluigi Civera Esercitazioni e laboratorio: Ing. Claudio Sansoe Politecnico di Torino Lezioni Gruppo B rev 7 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 1-01/11/97

2 Famiglie logiche 4 Inverter MOS, CMOS e TTL Tipi di uscite Tipi di ingresso Struttura di porte elementari Transmission gate, Wired-logic Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 2-01/11/97

3 Struttura di una porta logica Tre unita funzionali: - stadio di ingresso - operatore logico - stadio di uscita IN1 ingresso operatore uscita OUT IN2 ingresso porta logica Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 3-01/11/97

4 Tipi di uscite A totem Totem Pole TP A collettore aperto Open Collector OC A tre stati 3-state 3S caratteristiche funzionali realizzazione circuitale Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 4-01/11/97

5 Riferimento al testo Millman: Cap. 6: Basic logic circuits 6.12: TTL output stages Nicoud: Cap. 2.7: Porte con uscite speciali Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 5-01/11/97

6 Uscite totem pole deviatore tra V AL e massa due elementi attivi; comando complementare l uscita puo andare a ~ V AL V OH oppure a ~ GND V OL V AL GND V O Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 6-01/11/97

7 Uscite a collettore aperto (OC) unico interruttore verso massa unico elemento attivo V OH e imposta dall esterno tramite una aperto V AL resistenza di pull-up GND V O Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 7-01/11/97

8 Uscite a tre stati (3-S) deviatore a tre posizioni: V AL - aperto - massa due elementi attivi con comando indipendente l uscita puo assumere un terzo stato: V AL 3-S GND V O aperta in alta impedenza disabilitata 3-S Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 8-01/11/97

9 Uscite a tre stati (3-S) deviatore a tre posizioni: V AL - aperto - massa due elementi attivi con comando indipendente l uscita puo assumere un terzo stato: V AL 3-S GND V O aperta in alta impedenza disabilitata 3-S Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. 9-01/11/97

10 Uscite a tre stati (3-S) TP seguito da un interruttore. richiede un comando di ABILITAZIONE V AL stato logico abilitazione GND V O Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

11 Circuito di uscita CMOS V GSp D S V DD TP, 3-S: stadio simmetrico (transistori complementari) V O D OD (OC) V GSn S S V O Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

12 Circuito di uscita TTL R C V CC TP, 3-S: stadio asimmetrico (maggiori cadute per V OH ) OC V O V O Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

13 Parametri elettrici per uscite 3-S e OC In una uscita 3-S disabilitata circola solo la corrente di perdita dei transistori in interdizione: I OZH, I OZL (molto piccola) Questo parametro va aggiunto a quelli gia definiti; i parametri sono quindi: V OL /I OL, V OH /I OH e I OZH, I OZL Per una uscita OC sono specificate: V OL, I OL e I OH (con segno positivo!) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

14 Come ottenere uscite OC da un 3-S Ingresso della porta a massa L ingresso va al comando di abilitazione I U Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

15 Riepilogo: tipi di uscite A totem Totem Pole TP Deviatore tra livello alto e livello basso A collettore aperto Open Collector OC Interruttore verso il livello basso A tre stati 3-state 3-S Deviatore a tre posizioni: alto, basso, aperto Richiede un comando di abilitazione Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

16 Famiglie logiche 4 Inverter MOS, CMOS e TTL Tipi di uscite Tipi di ingresso Struttura di porte elementari Transmission gate, Wired-logic Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

17 Ingressi di porte logiche Protezioni sugli ingressi Ingressi CMOS Ingressi TTL Ingressi speciali: con isteresi bassa corrente Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

18 Riferimenti al testo Millman-Grabel: Cap. 6: Basic logic circuits 6.5: The NMOS inverter 6.8: The CMOS inverter 6.10: The BJT inverter Nicoud: Cap. 2.6: Porte con ingressi speciali Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

19 Protezione per ingressi di porte CMOS resistenza di protezione S V DD V I diodi di clamp S Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

20 Circuito di ingresso di porte TTL R B V CC V I diodo di clamp altri ingressi Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

21 Ingresso di porte TTL L ingresso e costituito dall emettitore di un transistore NPN La corrente I IL scorre nella giunzione BE come corrente diretta La corrente I IH scorre nella giunzione BE come corrente inversa (molto minore della I IL ) Configurazioni di ingresso particolari, basate su transistori PNP, assorbono correnti piu basse Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

22 Ingressi con isteresi (o a trigger) Lo stadio di ingresso puo essere realizzato in modo da commutare per valori diversi a seconda dello stato di partenza: ingressi con isteresi, o ingressi a trigger di Schmitt Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

23 Caratteristica di inverter con isteresi V O V OH caratteristica nel passaggio V IH - V IL caratteristica nel passaggio V IL - V IH V OL V SL V SH V I Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

24 Impiego di ingressi con isteresi V SH V T V SL t senza isteresi con isteresi V O1 V O2 t t Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

25 Ingressi aperti Ingresso TTL: viene interpretato come stato alto (non puo circolare la I OL ). collegare a pull-up (o GND) Ingresso CMOS: si porta ad un potenziale non definito; puo portare i transistori in linearita con danneggiamento del dispositivo. collegare a V CC (o GND) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

26 Riepilogo: tipi di ingressi CMOS: TTL: corrente nulla I IL maggiore di I IH protezioni da sovratensioni ingressi con isteresi (trigger di Schmitt) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

27 Simboli standard Il tipo di ingresso o di uscita e indicato da simboli appositi posti accanto ai rispettivi morsetti uscita 3-S EN OUT ingresso a trigger IN uscita OC OUT Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

28 Famiglie logiche 4 Inverter MOS, CMOS e TTL Tipi di uscite Tipi di ingresso Struttura di porte elementari Transmission gate, Wired-logic Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

29 Struttura interna di porte elementari struttura di NAND TTL struttura di NOR CMOS i transmission gate la wired logic Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

30 NAND TTL a tre ingressi A B C U A B C V CC R B Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 U Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

31 Uno o piu ingressi bassi V CC V CC R 1 R B Q 3 V OL A B C = 0 (B = 0, A = 0) Q 1 Q 2 R 2 Q 4 U = 1 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

32 Tutti gli ingressi alti V OH V CC R 1 V CC R B Q 3 A B C A, B, C = 1 Q 1 Q 2 R 2 Q 4 U = 0 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

33 Struttura interna di NOR CMOS la funzione logica viene ottenuta collegando opportunamente MOS usati come interruttori esempio: NOR a 2 ingressi A B C C = NOR (A,B) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

34 NOR a interruttori X = 0: interruttore aperto X = 1: interruttore chiuso A B C A* V DD A B* B U Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

35 NOR a due ingressi CMOS I transistori pmos e nmos hanno comando complementare A B Q A* Q B* V DD C 0 = ON 1 = OFF 0 = OFF 1 = ON Q A Q B Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

36 se A = 1 oppure B = 1, allora U = 0 (NOR) 1 V DD 0 V DD Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

37 Famiglie logiche 4 Inverter MOS, CMOS e TTL Tipi di uscite Tipi di ingresso Struttura di porte elementari Transmission gate, Wired-logic Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

38 Transmission gate Nei circuiti CMOS vengono usati anche interruttori in serie alle variabili di ingresso Circuito OR esclusivo (EX-OR) A A* B* B U U = A XOR B A B U Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

39 XOR con transmission gate U = A XOR B A B U A A* B* = 1 B = 0 U = A Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

40 Circuito di un transmission gate I transmission gate sono realizzati con due MOS, rispettivamente p ed n in parallelo (R ON piu bassa e costante), con comando complementare A = 0: U = aperto A = 1: U = B A B U Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

41 Simbolo del transmission gate A* A B U B U A A = 0: U = aperto A = 1: U = B Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

42 Wired-logic E possibile realizzare funzioni logiche collegando tra loro uscite a collettore aperto V AL V AL A U A B U B U = NOR (A,B) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

43 Wired-AND/OR Sfruttando il teorema di De Morgan è possibile realizzare in wired-logic funzioni AND e OR A B V AL C U U = NAND (A, B) A B C U Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

44 Riepilogo: struttura interna delle porte TTL: deviatore di corrente MOS, CMOS: interruttori verso V CC /GND transmission gate: interruttori in serie wired-logic: collegamento diretto di uscite OC logica dinamica Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

45 Logiche dinamiche L informazione é immagazzinata su condensatori Minore area sul silicio, minor consumo Esempio: Flip-flop per registro a scorrimento Logica statica: Logica dinamica: 14 transistori 6 transistori Frequenza minima di funzionamento! Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

46 Riepilogo: simbologia Ingressi IN (normale) IN (trigger) Uscite EN (abilitazione) OUT (normale) OUT (Collettore Aperto) OUT (tre stati) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97

47 Riassumendo Sono stati presentati: i vari tipo di ingresso e uscita la struttura interna di porte elementari la tecnica della Wired-logic (wired-or/and) il principio delle logiche dinamiche i simboli standard Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n /11/97