Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Circuito Invertitore (1) Implementazione...

Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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Circuito Invertitore (1)Implementazionedella funzioneNOT in logicapositiva

V(1) = 12 VoltsV(0) = 0.2 Volts

VR = -12 Volts


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Circuito Invertitore (2)Se l’ingresso vi è nello stato 0 (V=0 Volts) il transistor è in interdizione Infatti: vi – VE = 0 la giunzione BE è polarizzata

inversa

Inoltre: vi –I1R1 –I2R2 = VR ; I1=I2+IB

Se IB = 0 I2=I1 = (vi-VR)/(R1+R2) = 12/115 A 0.1 A

VB = vi-I1R1 = 0-12/115*15 = 180/115 -1.5 Volts

VB – VCC = -1.5 – 12 Volts = -13.5 Volts BC è polarizzata inversa IC = 0 vo = VCC = V(1)


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Circuito Invertitore (3)Se l’ingresso vi è nello stato 1 (V=12 Volts) il transistor è in saturazionePer verificare l’ipotesi se è vera, IB > IB(min) = IC/hFE

In saturazione: VCE= 0.2 Volts,VBE = 0.8 Volts ;IC = (VCC-VCE(sat))/RC = 5.36 mA IB(min) = IC/hFE = 5.36/30 mA = 0.179 mAI1 = (vi-VBE)/R1 = 0.747I2 = (VBE – VR)/R2 = 0.128 mAIB = I1-I2 = 0.619 mA > 0.179 mA = IB(min)

È verificata la saturazione vo = VCE = 0.2 =V(0)


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Porta NAND DTL Porta NAND realizzatain logica positiva con tecnologia DTL (Diode-Transistor-Logic)

V(1) = 12 VoltsV(0) = 0.2 Volts

VR = -12 Volts


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Problemi tecnici del NAND DTL1) Il capacitore C1 necessario per migliorare il tempo

di risposta dell’invertitore (aiuta a svuotare la base dai portatori minoritari di carica quando si passa da uno stato logico all’altro, cioè dalla saturazione all’interdizione. 2) È più facile integrare diodi e transistor che resistenze e capacità in un circuito integrato.3) Sono necessarie due sorgenti di potenziale (+12 V e –12 V oltre al valore di riferimento 0 V)

Importante modificare lo schema elettrico.


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NAND DTL modificata (1)

Porta NAND realizzatain logica positiva con tecnologia DTL (Diode-Transistor-Logic) modificata (diodi al posto di resistenza e capacità sull’ingressoal transistor)

V(1) = 5.0 VoltsV(0) = 0.2 Volts

VCC = 5.0 Volts


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NAND DTL modificata (2)

a) Eliminato il condensatore C1

a) Ridotti il numero delle resistenze ed il loro valore massimo (max 5 k contro i 100 kdi prima

c) Una sola sorgente di potenziale +5 V (minore delleprecenti minore potenza dissipata)


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Famiglia DCTL

La famiglia Direct-Coupled Transistor Logic ha le seguenti caratteristiche:

1) Assenza di diodi e di capacità;

2) Resistenze ridotte al minimo;

3) Necessaria una sola sorgente di potenziale.


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DCTL NOR


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Vantaggi Famiglia DCTL

•È necessaria solo una sorgente VCC a basso voltaggio (anche 1.5 Volts possono bastare)

•Si possono usare transistor con bassi valori di tensione di rottura (Breakdown Voltage)

•Bassa potenza dissipata


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Problemi Famiglia DCTL (1)• Tutte le correnti di saturazione inverse si sommano ed attraversano RC:

può verificarsi un calo di tensione ai capi di RC che impedisce ai transistor Q1, … Qn di entrare in saturazione.

• La corrente di base è circa uguale a quella di collettore[se VCC >> VCE(sat) e VCC >> VBE (sat) ]

tempi lunghi per la rimozione delle cariche dalla regione di svuotamento durante un cambiamento dello stato del segnale.


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Problemi Famiglia DCTL (2)

•Bassi margini di rumore (0.6 volts tra livello alto e quello basso)

•Le basi dei transistor di fan out sono collegate assiemee poiché c’è sempre una piccola differenza tra transistoranche della stessa famiglia (es. VCE(sat) = 0.74 - 0.76 Volts) la corrente può scegliere preferenzialmente una delle vie di fan-out piuttosto che ripartirsi equamente tra tutte (accaparramento della corrente)


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Famiglia TTL

La famiglia TTL (Transistor-Transistor-Logic)cerca di eliminare tutte le componenti che non sianotransistor nella realizzazione delle porte logiche.

Inoltre vuole aumentare la velocità di funzionamentodi una singola porta.


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Porta NAND TTL

Diodo


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Limiti delle porte DTL

Velocità di funzionamento, cioè velocità di transizione tra livelli logici. Il maggior problema:

Se T3 è in saturazione (ingresso Vi = V(1))e Vi diventa = V(0), che T3 cerca di andarein interdizione.Tuttavia occorre rimuovere la carica nella base di T3E questo può avvenire solo attraverso Rb o correnti di ricombinazione. tempi di circa 100 ns.


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Funzionamento porte TTL (1)Idea di base: collegare alla base di T3 il transistor T1rendendo possibile uno svuotamento molto più veloce delle cariche immagazzinate nella base di T3.

Il meccanismo prevede che:

Vi = V(1) base-emettitore di T1 polarizzata inversamente base-collettore di T1 polarizzata direttamente Transistor T3 in saturazione.

Vi = V(0) base-emettitore di T1 polarizzato direttamente base-collettore di T1 polarizzato direttamente Transistor T3 in interdizione


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Funzionamento porte TTL (2)

Porta DTL: se T3 è saturo VBE = 0.75 VoltsLa corrente di base se il diodo D è interdetto è: Iv = VBE /Rb = 0,75/2 K = 0,38 mA

Porta TTL: se Vi = V(0) Ib1 = (VCC-VBE(sat))/R = 1,1 mA

Inizialmente T1 è in regione attiva VCE1 = 0,75 VoltsLa corrente I = hFEIb1 = 30*1,1 mA = 33 mA

Rapporto tra i tempi: 33/0,38 100 volte più veloce.


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Porta TTL di base


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Fabbricazione transistor a emettitore multiplo

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