APPUNTI PORTE LOGICHE - CLASE 3BET Parametri CARATTERISTICHE STATICHE DELLE PORTE LOGICHE NOMENCLATURA: 1) Livelli logici alti Dove Ioh è detta corrente di Source 2) Livelli logici bassi Dove Iol è detta corrente di Sink. Vcc Vihmin Vilmax Vohmin Volmax Iih -Iil -Ioh Iol TTLLS 5v 2v 0,8v 2,7v 0,5v 20µA 0,4mA 400µA 8mA TTLSTD 5v 2v 0,8v 2,4v 0,4v 40µA 1,6mA 400µA 16mA CMOS4000B 5v 3,5v 1,5v 4,95v 0,05v 0,1µA 0,1µA 440µA 440µA CMOS HC 5v 3,15v 0,9v 4,4v 0,1v 0,1µA 0,1µA 4mA 4mA
Le sottofamiglie TTL Dalla TTL standard(std) hanno preso origine nel tempo numerose sottofamiglie, di cui le più usate attualmente sono quelle contraddistinte dalle sigle LS, S, ALS e AS. I vari integrati conservano gli stessi numeri dei corrispondenti della serie STD, con l'aggiunta della sigla tipica di ogni serie. Gli integrati 74LS00 e 74ALS00 contengono, ad esempio, ciascuno quattro porte NAND a due ingressi della serie TTL LS e TTL ALS rispettivamente. Serie TTL LS. E' attualmente la serie più diffusa per impieghi di tipo generale (general purpose). Viene definita TTL a bassa dissipazione (low-power Schottky). Per ridurre il consumo sono state impiegate resistenze interne più elevate. Ciò comporta per un ritardo maggiore nella risposta dell'uscita. Per ovviare all'inconveniente si è fatto ricorso all'uso di transistor Schottky che presentano tempi di commutazione notevolmente inferiori rispetto ai normali BJT. Grazie all'uso di questi transistor ed ai miglioramenti circuitali si è riusciti a mantenere il ritardo di propagazione della TTL LS nei limiti di quello della TTL STD (10ns), ma con una P dissipata notevolmente inferiore (2mW). I livelli di tensione sono leggermente diversi da quelli della TTL STD (verificabili sui data sheet del costruttore). Serie TTL S. La serie TTL Schottky impiega nella struttura delle porte il transistor Schottky e resistenze di valore più basso rispetto alle TTL LS. Raggiunge così ritardi di propagazione molto bassi (3ns), anche se ha un consumo di potenza piuttosto elevato. Serie TTL avanzate. Le TTL avanzate ALS e AS sono le serie più recenti della famiglia e presentano notevoli miglioramenti rispetto alle precedenti. Oltre ad utilizzare i transistor Schottky, impiegano soluzioni circuitali ottimizzate e processi tecnologici che consentono di ridurre notevolmente le dimensioni dei componenti e di conseguenza le capacità parassite. I tempi di propagazione risultano così decisamente ridotti. La serie TTL ALS (advanced LS) presenta consumi ridottissimi. La serie TTL AS (advanced Schottky) è quella che ha il minor ritardo di propagazione (1.5ns).
TTL: norme di impiego Come è noto, gli integrati TTL vanno alimentati con tensione Vcc=5V; più precisamente per gli integrati delle serie commerciali 74STD, LS e S la tolleranza sull'alimentazione è del 5% (Vcc=4,75-5,25V), mentre per le serie militari 54 e le serie ALS e AS è del 10%. Per fornire la tensione di alimentazione è adatto, ad esempio, il regolatore 7805, in grado di fornire una tensione stabilizzata di 5V con una corrente fino a 1,5A. La temperatura dell'ambiente di lavoro deve essere compresa tra 0 e 70 C per la serie commerciale 74 e tra -55 e +125 C per la serie militare 54. Gli ingressi inutilizzati non devono mai essere lasciati scollegati perchè, per una questione costruttiva tipica dei TTL, in questo caso è come se a tali ingressi fosse applicato un livello alto. Se misuriamo la tensione presente ad un ingresso libero vedremo che essa vale circa 1,2V, mentre il valore tipico di Vil(max) è di 0,8V. Per garantire un corretto funzionamento questi ingressi andranno collegati a massa per le porte OR e NOR e all'alimentazione Vcc per le porte AND e NAND. Nella serie LS gli ingressi non utilizzati possono essere collegati direttamente a Vcc. Conviene che le porte non usate di un integrato siano lasciate nello stato con uscita alta. Dai valori di Icch e Iccl si vede infatti che con uscita alta il consumo è minore. Se un ingresso di una porta TTL deve essere commutato fra i due livelli logici mediante un pulsante o un interruttore, si collegherà tale ingresso a massa attraverso una resistenza di pull down di valore opportuno (vedi schemi sottoriportati) così calcolato per TTL STD: R=Vil(max):Iil(max) cioè R=0,8V:0,4mA=2K, per garantire il buon funzionamento della porta si sceglie un valore più basso, tipicamente R=1K. Lo stesso lo si può ottenere con un collegamento con R di pull-up sempre dello stesso valore. La resistenza viene inserita per non creare un corto circuito fra Vcc e GND al momento della chiusura dell'interruttore e per garantire il livello basso quando l interruttore è aperto. N.B. Per le porte TTL è bene non utilizzare il primo schema perché quando viene chiuso l interruttore scorre una corrente sulla R pari a circa 5v/1K = 5 ma corrente eccesiva che potrebe creare problemi di dissipazione di potenza. Inoltre essendo con R=1K la Vil pari a 0,4v si abbassa anche l immunità al rumore della porta. Nell altro schema invece la R può assumere un valore molto più elevato pari a: R=Vcc-Vih/Iih=3v/20 A= 0,15 M K Di solito si prende una R=10K infatti più la Vih èalta e meglio è. La corrente sarà pertanto molto più bassa. (come è anche il caso delle porte CMOS).
Pilotare un LED con una porta logica Per pilotare un LED con porte logiche occorre tenere presente i livelli delle correnti di uscita di source e di sink forniti dal costruttore. Il collegamento corretto per porte TTL è quello in figura. Infatti l'uscita di una porta TTL LS può assorbire una I OL =8mA che è sufficiente per garantire l'accensione del LED. In questo caso, naturalmente, il LED si accende sul livello basso: la corrente può scorrere da Vcc verso la porta e andare a massa. Calcolo della resistenza: R= (V cc - V - V OL )/I OL = (5-2-0.4)V/8mA = 330 La corrente di uscita di una TTL LS a livello alto è dell'ordine di 0,4mA, valore insufficiente a pilotare direttamente un LED (il LED potrebbe anche accendersi ma il livello min. di V OH =2,7V non sarebbe più garantito). Per carichi più elevati, o se si desidera che un carico venga pilotato dall'uscita a livello alto, si può usare un BJT come buffer. Considerando la corrente di base di 0,4mA (I OH ) e un h FEmin =100 si possono pilotare carichi che assorbono fino a 40mA. Calcolo delle resistenze: Supponiamo una Ic di almeno 10mA per l accensione del led pertanto: R C = (V cc - V - - V CEsat )/I c= (5-2 -0.2)V/10mA = 330 V OH = R B I B + V BEsat R B = (V OH - V BEsat )/ I B= (2,7-0,8)/0,3 ma = 6,8 K Calcolo di I B I B I C/ h FEmin 0,1 ma prendo il triplo I B=0,3mA Corrente che la porta è in grado di erogare infatti I OH MAX = 0,4 ma
Potenza dissipata: Nei fogli tecnici si trovano i due parametri Icch e Iccl che indicano le correnti assorbite dall'alimentazione dell'integrato con le uscite delle porte rispettivamente a livello alto e a livello basso. Per avere la potenza dissipata dall'integrato basta moltiplicare questi valori per 5V. Ad esempio per il 7400 si legge Icch=4mA e Iccl=12mA. Supponendo che le porte lavorino con un duty cycle del 50%, cioè che le uscite siano alte per la metà del tempo e basse per l'altra metà, si ottiene una corrente media assorbita di 8mA. La potenza media dissipata dall'integrato vale Pd=Icc*Vcc=8*5=40mW. Essendo quattro le porte contenute nel 7400, ciascuna dissipa il valore tipico di 10mW. Per la porta 7400: Icch = 4mA Iccl = 12 ma con = 50% Imedia = 8 ma per cui Pd = 8 * 10-3 * 5 = 40 mw NORME PER LA PRODUZIONE DI CIRCUITI STAMPATI In una scheda con I.C. digitali occorre prestare particolare cura ai collegamenti di alimentazione e di massa onde ridurre, per quanto possibile, gli spike (picchi) di tensione dovuti alle commutazioni degli integrati logici. Conviene, a tale scopo, inserire, fra le piste di alimentazione e di massa, condensatori per radiofrequenza (ad esempio ceramici da 100nF) in ragione di uno ogni I.C..Si deve aggiungere anche un condensatore elettrolitico al tantalio fra le piste di alimentazione di valore da 22uF per ogni scheda utili come riserva di energia per i condensatori ceramici.