I1 ceruetto det Robot.

I cervello del robot che

costruiremo è un picco-

lo computer digitale,che si trova dentro ad

un circuito integrato.

Questo componente vienechiamato "microcontrollore"ed è uno degli sviluppi più

spettacolari della Microelettro-nica moderna.

La connessione e comuni-cazione di questo cervello con

le ruote motrici, che servono a

far muovere il nostro Robot econ i sensori che verranno uti-lizzati per identificare gli osta-

colr, o per seguire un percorso,

necessita di circuiti eìettronici'di interfaccia. Questo per farein modo che vengano adattatele caratteristiche dell'elementoche invia l'informazione o l'or-dine, a quello che li rtceve.

Tr rfti nupsti circr riti ausiliari

non sono contenutt nel mlcro-controllore, ma saranno forma-ti da diversi componenti elettri-r'i nrr:li lp resistenze conden-

satori, diodi, transistor. ecc.|,nhiofiirrn r-li nIac+- .^-i^L uursruvv ur Vus)Ld >cZlU-

ne dell'opera è quello di spie-gare in forma breve, chiara e

semplice, i principi fonda-mentali che controllano il funzionamento dei sud-detti componenti con i quali lavorerete.

GLI ELETTRONI E TELETTRICITÀI principi fondamentali dell'elettronica sono nell'elettri-cità: l'elemento fondamentale si trova nella strutturadella materìa. Gli atomi di tutti materiali sono costituitida un nucleo ed un involucro. Nel nucleo si trovano i

protoni, che sono partrcelle con cariche elettriche posì-

@

NUCLEO PROTONE ELETTRONE

ll nucleo dell'atomo contiene i protoni che sono cariche elettiche positive.

Girando nelle diverse orbite si trovano gli elettroni con carica elettrica negativa. L'atomo è neutroperché ha /o stesso numero di protoni e di elettroni.

tive ed i neutroni. Nell'involucro girano in orbita ad alta

velocità gli elettroni, che sono partìcelle con carica elet-

trica negativa. Per I'esistenza dr cariche positive e nega-

tive, l'atomo risulta neutro.

Gli elettroni delle orbite sopportano una forza d'at-trazione da parte del nucleo. Ci sono degli atomi che

hanno elettroni che girano in orbite lontane dal nucleo,

i quali possono lasciare l'orbita, se trovano una forza

d'attrazìone esterna maggiore di quella del nucleo.

€omponcntl sltlvl è pqsrlylt R' G e I

L'intensità elettrica è Ia quantitàdi elettroni che circola di atomo in atomo per unità di tempo.

Gli elettroni circolano dal corpo ptÌtnegativo a quello piu positivo.

di Ohm quantifica il valore della in-tensità elettrica (A), che si crea colle-gando due corpi con differenza dipotenziale (V). attraverso un filo con-duttore che presenta una determina-ta resistenza al passaggio degli elet-troni. In pratica I'opposizione che of-frono r corpi al passaggio della cor-rente elettrica si chiama "resistenza"

e si misura in Ohm (O). La formuladella legge di Ohm e la seguente:

| (Ampère) = V (VoltyR (Ohm)

€

La quantità di elettroni che passa da un atomo al-l'altro per unità di tempo si chiama intensità elettrica.L unità di misura dell'intensità è I'Ampère (A) e signifi-ca che passano 6,23 trilioni di elettroni (1 Coulomb) inun secondo.

DIIFTRTNZA DI TTNSIONTO DIFFERENZA DI POTENZIALTLa tensione di un corpo è la carica elettrica positiva onegativa che ha per unità di volume. Si misura in Volt(V). Differenza di tensione o di potenziale, è la differen-za di tensione che esiste tra due corpi. Questo e un pa-

rametro fondamentale, perché quando si trovano a

contatto due corpi, il passaggio di elettroni verso il cor-po più positivo che lr attrae, dipende esclusivamentedalla differenza di potenziale tra i due.

LTGGE OI CIHM

Quando si collegano due corpi con differente tensioneattraverso un filo conduttore, si genera una corrente dielettroni sino al corpo più positivo che li attrae. La legge

COMPONENTI PASSIVI E ATTIVT

I componenti elettronici si dividono in due grandi cate-gorie: attivi e passivi.

I passivi sono principalmente 3: resistenze, conden-satori e bobine. Gli attivi più usati sono i diodi ed i tran-sistori, owiamente anche i circuiti integrati sono consi-derati comoonenti attivr.

I compo-nenti passivi

vengono fab-bricati con ma-teriali condut-tori ed isolanti,

invece quelli at-tivi si produco-

no con mate-riali semicon-duttori come il

Silicio ed il Ger-

manio.

Se una batteria di 9 V alÌmenta un diodoLED ed una resistenzadi valore 1.000 O, la corrente che circola,secondo la leggedi Ohm è di I = 9/1 000 = 0,009 A.

l@i

ItI

4

€

s

ll comportamento di questi due tipi di componenti al

passaggio della corrente elettrica è totalmente differen-te. I passivi, come le resistenze, si comportano in ma-niera lineare al passaggio di corrente l, seguendo la leg-ge di Ohm.

I componenti attivi non hanno una risposta linearealla corrente che circola al loro interno, quando vieneapplicata una differenza del potenziale.

RESISTENZESono componenti passivi fabbricati con materiali rsolan-

ti, che offrono una certa opposizione al passaggio della

corrente elettrica, che viene definita dalla legge di Ohm.Se viene applicata una doppia tensione, circola il

doppio di corrente. La funzione tra questi due parame-

tri fondamentali è lineare.

Le resistenze si possono collegare in serie mettendoleuna dietro l'altra, offrendo una resistenza equivalente

uguale alla somma delle resistenze che si collegano in serie

Rr=Rl +Rz+R:

Quando si collegano in parallelo, la resistenza equi-valente è minore della oiu oiccola ed il suo valore si cal-

cola secondo la formula:1111

-=-+-+-Rr R1 R2 R3

Le resistenze offronouna risposta Iineare al variare dell'intensità dicorrente l, quandosi applica una differenza di tensione V

CONDENSATORIUn condensatore è formato da dueolacche metalliche seoarate da isolan-

te. Se si applica una differenza dì ten-sione tra le due placche o armaturapassano elettroni da una armatura al-

l'altra, generando la carica del con-densatore. La relazione tra la carica

che acquistano le armature e la differenza di tensioneapplicata si chiama "capacità" e si misura in Farad, vie-ne definita dalla formLrla

.-Q

C: Farad; V: Volt e

Q: Coulomb (6,23 trilioni di elettroni)

Quando si

applica ad un

conoensatoreuna differenzadi tensione con-Ìrnua, te sue ar-

mature sr cafl-cano srno ad ar-

rivare alla stessa

tensione appli-cata. Da questo

momento gli

elettroni nonriusciranno più

.t-d Pd))drc ud

una armaturaall'altra, per questo motivo si dice che il condensatoreblocca, o non lascia passare la corrente continua. In

realtà si lascia passare in un primomomento sino a che la carica del

condensatore contrasta la differenzadi tensione.

ll tempo che impiega a caricarsi

un condensatore dal momento in cui

si collega una tensione continua ai

suoi capi, è proporzionale al prodot-to della capacità per la resistenza del

crrcu rto.

Rr=R1+R2+R3

Rr R2 R3órAMovM/ovM/ó

Struttura interna di un condensatoredi poliestere. Per diminuire le dimensionidel condensatore si arrotolanole due armature e I'isolante o dielettrico.

Collegamento di resistenze in serie e in parallelo.

Componenti sltivi e pnsciyi: R, G e L

clo

La capacità in Farad del condensatore è proporzionalealle superfici delle armature ed inversamente proporzionale alla distanza tra di esse

Xc si misura in Q, f e lafrequenza della correntealterna ìn Hertz e C sonoi Farad.

Dalla formula possia-

mo vedere che il conden-satore offre una resisten-za molto piccola alle altefrequenze.

lcondensatori, cosìcome le resistenze, si

possono collegare in se-rie ed in narallelo nerole formrrle ner calrolarele capacità equivalentisono inverse a quelle ap-nlicate con le resistenze.

In questo modo, la--^--;+ì +^+-l^ -l^;cdudcil-d r-0r-dre uer varl

Nel caso di una tensione alternata, il continuo cam-biamento dì polarità fra le armature, fa sì che si carichi-

no e si scarichino ogni semiperiodo, ossia al ritmo dellafrequenza della corrente alternata.

Quella circolazione di cariche nei due sensi, permet-

te il passaggio della corrente alternata, comportandosicome una resistenza che si chiama reattanza capacitiva,

Xc, il cui valore in Ohm viene dato con la seguente for-mula:

v_ 1

"7- 2ni.7

Le resistenze e i condensatorr sonoi componenti passivi maggiormente usati nell' implementazionedei ci rcu iti e I ettron ici

condensatori accoppiati in parallelo è uguale alla

somma delle loro capacità singole.

BOBINTLa bobina consiste in un filo di rame arrotolato in for-ma di spirale, sopra un supporto c lindrico. La sua pro-

prietà più importante è quella di comportarsi come una

calamita, quando attraverso essa circola un'intensitàelettrica. In corrente continua la bobina si comportacome un filo conduttore di bassa resistenza, dato che

in regime di corrente costante non si verificano effettidi autoinduzione. La bobina ha un funzionamento con-

trario rispetto al condensatore con la corrente continua,infatti ne permette il passaggio invece di bloccarla.

Se viene applicata ad una bobina una corrente al-

ternata, varia il campo magnetico che viene generato e

queste variazioni ostacolano il passaggio di corrente

nella bobina stessa, abbiamo cioè il fenomeno della au-

toinduzione, per il quale, la bobina presenta una certa

resistenza al passaggio della corrente alternata. Questaresistenza prende il nome di reattanza induttiva, il cui

valore viene dato da:

Xl = 2'n'f 'l

XL è la reattanza induttiva misurata in Q, f la fre-quenza, L il coefficiente dr autoinduzione della bobina

misurata in Henri.

In regime di corrente alternata, la bobina, al contra-rio del condensatore, presenta maggiore resistenza

quanto maggiore è la frequenza.

I1 diodo semiconduttore

TSFMICONDUTTORIPEN

I componenti elettron ci attivi, diodi e transistor, sonocostruiti con materiale semiconduttore, e non presenta-no un comportamento lineare quando sono attraversa-ti da corrente elettrica. I materiali semiconduttori purimaggiormente usati sono: il silicro e il germanio, carat-terizzali dall'avere quattro elettroni nell'ultima orbitaatomica. Dato che la struttura non è stabile con soliquattro elettroni nell'orbita di valenza, questi materialihanno la proprietà di dividere i loro quattro elettronicon i quattro atomi che li circondano, raggiungendo co-sì una struttura stabile con otto elettroni periferici che li

fa comportare come materiale isolante.Se a un semiconduttore puro, dr struttura molto sta-

bile, vengono aggiunti degli atomi di impurezze che ab-biano sulla loro ultima orbita tre o cinque elettroni, que-sti andranno a occupare il posto degli altri atomi semi-conduttori che avevano quattro elettroni periferici. Quan-do un atomo di semiconduttore puro deve condividereelettroni con un atomo di impurezza, (detto anche mate-riale drogante), e quest'ultimo ha tre elettroni nell'orbitadi valenza, ne manca uno per diventare stabile. Lassenza

di un elettrone, si chiama "lacuna". Se l'atomo di impu-rezzaha cinque elettroni rimane un elettrone lioero.

I semiconduttori di tipo P subiscono il drogaggio conatomi di impurezza trivalente nella struttura atomica delsemrconduttore puro. Per ogni atomo di impurezza si

crea una lacuna. Se gli atomi di impurezza sono penta-valenti, il semiconduttore che si ottiene si chiama tipoN, in esso per ogni atomo di impurezza si crea un elet-

Gli eletfroni maggioritari della zona Nsi dirigono verso la zona f; e le lacune di questa verso la zona N

L'unione degli elettroni liberi della zona N con le lacunedella zona P genera una zona neutra, la zona N viene caricatapositivdmente e la zona P negativamente.

trone libero. Riassumendo. i semiconduttori tipo P han-no un sovrannumero di lacune, cioè gli mancano deglielettroni. Ai semiconduttorr tipo N avanzano degli elet-troni liberi nella struttura atomica.

LA GIUNZIONT N.PNei semiconduttori tipo B ci sono molte lacune libere,(maggioritarie) e alcuni elettroni liberi (minoritari) origi-nati dall'energia termica. A contrario, nei semicondut-tori tipo N ci sono molti elettroni liberi (maggioritari) e

pochissime lacune (minoritarie). Se si uniscono i due tipidi semiconduttori, la legge della dìffusione tende a equi-librare la concentrazione di portatori di carica, e di con-seguenza si origina una corrente di elettroni maggiorita-ri nella zona N che si dirigono verso la zona P, e una cor-rente dr lacune dalla zona P verso la N. Incontrandosrnell'area di contatto, gli elettroni liberi con le lacune for-mano una zona neutra stabile, allo stesso tempo la zo-na N perdendo elettroni si carica positivamente e la zo-na P perdendo lacune si carica negativamente.

IL DIODO SEMICONBUTTOREÈ l'unione di un semiconduttore tipo N con un altro ditipo P Nella zona di unione si crea una zona neutra, e

dal lato N si genera un potenziale positivo per la perditadi elettroni, mentre dal lato P si genera un potenzialenegativo per la perdita di lacune. Questo voltaggio tra i

due tipi di semiconduttori, si chiama "barriera di poten-ziale" , e diventa sufficientemente elevato per impedireche prosegua l'unione degli elettroni con le lacune.

Diodi reltifirslori

POLARIZZAZIONE DIBETTA

,;m#

POLARIZZAZIONE INVERSA

tretrascurabile

Un diodo semiconduttore è I'unione di un semiconduttoretipo N con un altro tipo P.

Questa unione genera una zona neutra all'interno della qualevi è la barriera di potenziale.

Quando un diodo si polarizza direttamentesi comporta come un conduttore e circola una corrente elevata

Se si polarizza inversamente operacome un isolante e circola una corrente trascurabile.

POLARIZZAZIONE DIRETTA E INVERSASe esternamente applichiamo al diodo una tensione

che vinca la barriera di potenzrale, si elimina la causa

che impedisce il proseguire delle unioni degli elettroni

della zona N con le lacune della zona P, e si produce una

corrente di portatori maggioritari in entrambe le dire-

zioni.'Questa forma di polarizzazione del diodo si chra-

ma diretta, e alla zona N, che si chiama catodo, si ap-plica il polo negativo; mentre alla zona P, anodo, il po-

sitivo. Dato che la barriera di potenziale vale ctrca 0,7

V, bìsogna applicare esternamente una tensione uguale

o maggiore perché si uniscano i portatori di carica, e lagiunzione N-P si comporti come conduttrice.

Nella polarizzazione inversa, si invertono i poli della

tensìone esterna: negativa all'anodo e positiva al cato-

do. ln questo modo si rinforza la barriera di potenziale

e si rende più difficile l'unione dei portaton maggiori-tarr delle due

zone. Circolasolo u na tra-scurabile cor-rente inversa.n.^-la++r ,l-;PruuuLLo uor

pochi portatoriminoritari checi sono nelledue zone. ll

diodo si com-porta come un

tsotante.

CURVA CARAfiERISTICASe si applica al diodo una tensione il cui polo positivo

è collegato all'anodo, e il negativo al catodo, esso si

comporterà come un conduttore in modo che quantapiù tensione diretta si applicherà, tanta pìu corrente

circolerà. Se si cambia la polarizzazione, il diodo si

comporta come un isolante, e circolerà solo una cor-

rente trascurabile dovuta ai portatori minoritari, sem-

pre presenti nei semiconduttori, a causa dell'agitazio-ne termica.

APPLICAZIONI DEL DTODO:LA RETTIFICAZIONEGrazie al comportamento del diodo semiconduttore, che

cambia radicalmente quando si inverte la polanzzaztone

esterna, l'applicazione principale a cui sono destinati è

rettificare la corrente alternata, owero lasciare che dei

due semicicli di questa corrente ne passi uno soltanto,

che sarà quello che corrisponde alla polarizzazione diret-

ta. feliminazio-ne di uno dei

due semicicli

della corrente-l+arnr+r À ;lo tLEt I rq Lq, c rl

primo passo

che si compieper trasformarel- -^."^^+^ -ltd LUt Ict tLc dt-

ternata rn con-

trnua.

0,3 Vanodo (diretta)

Curva caratteristicadel comportamento di un diodo

Applicando corrente alternata a un diodopassa solo un semiciclo, il quale

polarizza direttamente Ia giunzione N-P

L'eliminazione di unsemiciclo dalla c.a. si chiama rettificazione

Diodi reltificeitori

Diodi rettificatori

a principale applicazione dei diodi semicon-duttori è la rettrficazione della corrente alter-nata. Le compagnie di distribuzione la forni-scono - per loro convenienza - in forma alter-nata e, in Europa, più precisamente a 22OV e

50 Hz. Gli apparecchi elettronici come itelevisori, i com-puters e i robots funzionano con corrente continua,pertanto devono avere un circuito che trasformi la cor-rente alternata in continua. Questo circuito si chiama"alimentatore". Per poter compiere questa opera ditrasformazione è indispensabile l'ultlizzo del diodo se-

miconduttore, il quale elimina uno dei due semicicli del-la corrente alternata. Con un solo diodo si rettifica unsemiciclo, o una semionda (che dir si voglia); questo cir-cuito si chiama rettificatore a semionda. Con due diodie un trasformatore, il cui secondario abbia una presa in-termedia, sr ottiene un rettificatore a onda comoleta.che sfrutta entrambe le semionde della c.a.

IL PONTS DI GRAETZQuattro diodi semiconduttori collegati in un modo par-ticolare, denominato Ponte di GraeIz, permettono dicostruire un rettificatore a onda completa; pero senza la

necessità di utilizzare un trasformatore speciale che di-sponga di una presa intermedia sul secondario. Questi

îVr( î

Vz

îY'nnn

\I

DrRG

Rettificatore a sem ronda.

Rettificatore a ponte di Graetz e identificazione deiterminali esterni.

ponti sono componenti di utilizzo molto comune, e

vengono commercializzati in un contenitore che ha al

suo interno i quattro diodi già collegati.

DIOfII LFI} ELETTROLUMINESCENNAll'interno della vasta gamma di diodi semiconduttori.oltre ai diodi rettificatori meritano un cenno particolarequelli che emettono luce quando sono attraversarr oa

1

Yz

__LîYrz, ,' '

t

Rettificatore a onda completa con due diodi

ilr

Diodi rettificatori semplrci e contenitori con rettificatori a ponte di Graetz

corrente elettrica. Generalmente sono fabbricati con

Arseniuro di Gallio, e quando attraverso di essi circola

una corrente da 1 a 10 mA emettono una luce propor-

zronale alla corrente stessa.

Perche emettano luce deve circolare della corrente,p devnno essere nolarizzati direttamente. lr serie ad es-

si vìene collocata una resistenza di limitazione, dato che

il LED necessita di una tensione da 1,2 a 2 V per vince-

re la barriera di potenziale, il resto della tensione cadrà

sulla resistenza, che determinerà quindi il valore della

corrente circolante. La capsula che contiene il LED ha

una parte piatta, che si usa per identifìcare il catodo.

ffi

ll rernr'ln r'lai I FD rnrri<nnqig alla ZOna

piatta della capsula.

Differenti modelli di diodi luminescenti e display a 7 segmenti che li utrltzzano

lipi dl diodi

I1 transistor

- .+"-^.Ji^-"i^ .-^^^"+- -h^o )Lroururìrdt td )LUPCt td Lt tc

diede il via all'elettronica, ven-ne fatla nel 194-/ orrando i ri-cercatori Bardeen e Brattainpresentarono al mondo il tran-

sistor. Infatti, sino a quel momento, per

amplificare i segnali elettrici si usavano le

valvole. Le valvole sono ampolle di vetroermeticamente chiuse, dalle quali vieneestratta l'aria che permette agli elettronidi circolare più liberamente. Gli elettronrvengono prodotti. riscaldando a diverse

centinaia di gradi, un metallo dall'altopotere di emissione che si chiama cato-do. Di fronte al catodo un altro metallodalla forma cilindrica, l'anodo, si polariz-

za direttamente e attrae gli elettroniemessi dal catodo surriscaldato. La valvo-.la formata da catodo e anodo si com-porta nello stesso modo di un diodo se-

miconduttore. Per ottenere l'amplifìca-

ll chip di un transistor 2N3055 è di 5x5 mm,e su dl esso si saldano gli elettrodi che si collegano ai piedini del componente

zione. fra il catodo e l'anodo viene introdotta una spira

metallica alla quale si applica il segnale da amplificare,chiamata griglia.

La valvola amplificatrice con catodo, anodo e gri-glia si chiama triodo. Le valvole erano, e restano,molto costose da costruire. lavorano con alte tempe-rature che influenzano tutti gli elementi circostanti,consumano molta energra e hanno una vita limitata,dato che l'emettitore di elettroni ha una vita media di

20.000 ore.ll transistor è un minuscolo pezzo di materiale semi-

conduttore, o chip, che realizza la stessa funzione del

triodo; ha pero una durata illimitata, consuma pochissi-

ma energia, Iavora con basse temperature, ed è moltoeconomico. È un piccolo grano di silicio incapsulato contre piedini.

STRUTTURA INTERNAll transistor è formato da tre strati alternati di semicon-drtfnro di tinn Nl o P nor nrio(tn oqi<tnnn drro tini di,. , ,, per questo estsÌono L_, .,f., _,

transistor, NPN e PNP Oqni strato di semiconduttore è

un elettrodo, i tre strati si chiamano: emettitore, base e

collettore, e sono collegati ognuno ad un piedrno ester-no del componente. Anche se il comportamento dei

due tipi di transistor è lo stesso, il verso delle correntiche li attraversano - così come le polarità delle tensioniche li alimentano - sono contrari nell'NPN e nel PNP

I simboli che rappresentano i due tipi di transistor si

differenziano solo per il verso della freccia, che identifi-

EeB

Struttura interna del transistor PNP con i suoi tre elettrodr.

Lcr nnscitcr dell'elelfronics rnodernel

c

E

c

ENel simbolo del transistor NPN della fiqura, l'emettitore ha la freccia rivolta verso I'esterno. al contrario del PNP

ca l'emettitore. Negli NPN punta verso l'esterno, men-tre nel caso dei PNP punta verso l'interno. I due tipi di

transistor hanno una proprietà in comune: la correntedi emettitore è uguale alla somma della corrente di col-lettore oiù ouella della base.

I contenitori dei transistor adottano forme diverse

tra loro, ma tutti hanno dei riferimenti per distinguerechiaramente i tre elettrodi.

Nella figura viene mostrata la disposizione dell'e-mettitore della base e del collettore nel contenitore di

alcuni transistor molto comuni.

TIPI DI TRANSISTORE LORO FABBRICAZIONEtulilizzo massiccio dei transistor ha incentivato lo svi-

luppo continuo dei metodi di fabbricazione, così comedelle loro caratteristiche. La ricerca ha generato diffe-renti processi di fabbricazione, permettendo l'esistenzadi numerosi fabbricanti, con ampie gamme di modelli,che coprono tutte le applicazioni. I processi di fabbrica-zrone pru rmpregarr sono:1. Transistor a punta di contatto.ln un pezzo di semiconduttore di tipo P, vengono fatteincidere a pressione due punte metalliche separate da

ooca 0rstanza.

2. Transistor a fusione.Sopra un pezzo di semiconduttore di tipo N, ad esem-pio. si collocano due pezzi di impurezza trivalente. che

vengono fatti diffondere riscaldandoli ad aìta tempera-tu ra.

3. Transistor a fusione diffusa.Sopra un supporto di semiconduttore tipo B che saràil rnllortnro <i donn<it: ttn no77^ di m:tori-l^ t\l -A^ULVvJTLO Ull VYLLW Ul llìOLCllClC l\ LllC

formerà la base, e un altro di tipo P che formerà l'e-mettitore, procedendo poi alla fusione ad alta tempe-ratu ra .

4. Transistora tecnicaepitassiale.Si basa sul

controllo delleimnrrrit.ì rho

\/onnnnn do-

positate sul cri-stallo semicon-duttore.5.Transistora tecnicaplanare.Si basa sul-l'ossidazionedi tutte le su-norftri nor n+-

tenere un iso-lamento per-fetto.

BC 547

BC 548

BC 549

BC 557

BC 558

BC 559

BC 337

BC 338

Distibudone degli elettrodi e

dei corrispondenti piedini di un contenitoredi transistor di uso comune.

Lq ncrscitcr dell'eleltronicd noderno

Fu nzionamento del transistor

e si polarizza direttamente la giun-zione base/emettitore di un transi-stor, si produce una corrente elettro-nica nell'emettitore, che si distribui-sce nella base e nel collettore. Se il

collettore è fortemente polarizzato, per attrar-re la corrente di emettitore, la maggior parte

di questa corrente passerà ad esso, e nella ba-

se che è oolarizzata in modo debole ne ri-marra solo una piccola parte. Nella figura si

mostra un transistor NPN, con la base polariz-

zata direttamente, con una piccola tensioneposìtiva rispetto all'emettitore, questo da orì-grne ad una corrente lE, Ia quale si distribuiscein modo che una piccola parte circolr attraver-so la base lB, e il resto, lC. attraverso il collet-

tore, che ha una forte polarizzazione positiva.

Si deve verificare che lE = lB + lC.

Salendo di 0,1 V la tensione di ingresso (da 0,6 a 0,7)

lC aumenta da 4 a 5 mA, di conseguenza Ia tensione di uscita passa da 6 à 5 V.

La tensione di uscita VCE, è uguale

a quella di alimentazione meno quella che viene

assorbita dalla resistenza

di carico, che dipende da lC

rE FFETTO AM PLI FICATO RE

Variando leggermente la polarizzazione del-

la base, VBE, si modifica il valore delle tre

correnti del transistor. Quella della base

cambia poco, data la piccola polarizzazione

della sua unione NP con l'emettitore; avre-

mo invece una forte variazione su quella deì

coìlettore, data l'elevata tensione che viene

applrcata a questo elettrodo. Le grandi va-

rrazioni di corrente del collettore provocano

grandi cambiamenti nella tensione assorbi-

ta dalla resistenza di carico; questo causa

delle importanti variazioni della tensione

VCE. In conclusione, piccoli cambiamentidella tensione di ingresso (base) originanograndi variazioni della tensione di uscita(collettore).

+1 OV

le

EI

f le=lc+le

Entrata

Veer= o,6VVeez= O,7V

UscitaVcer= 6VVcez= 5V

I:

+1 0v

Circuito ernplificclore con lr.rnsistor

+10v

VuscitaVce= 1o-1.ooo-lc

VentrataVee

o,6v

o.5v

-L:

analizzalo amplifica 10 volte le

variazioni di tensione che si

producono al suo ingresso, in-vertondnno norn il <a,, --9no; In-

fatti il segno "-", indica chequando la tensione di ingresso

sale, quella di uscita scende,

cioe viene invertita.

Se all'ingresso del circuitoche stiamo studiando, si appli-ca un segnale di corrente alter-nato da 0,1 V di valore di pic-rn O ci qltnnn no rha l- +^^-i^rL Lr rL rd LC|)tU-

ne VBE sta polarizzata con ten-sione fissa di 0,6 V la correntedel collettore nassà da 3 a 5

mA in entrambi i picchi della

tensrone alternata.La variazione di 0,1 V in

ogni semionda nella tensio-ne di inoresso nro\ioca unavariazione da 3 a 5 mA nel-la corrente di collettore chesi traduce in un cambio del-la tensione di uscita VCE da

7 a 5 Y. Osservando con at-tenzrone la figura riprodot-ta qur sotto vediamo lo sfa-samento di '1 80" f ra la ten-

IJna vaìiazione di A,1 V di picco dell'alternata nell'ingresso, provoca una varaztaneda 3 a 5 mA nella corrente di collettore.

Nello schema della figura in alto, una variazione di0,1 V nella tensione d'ingresso VBE, origrna una varia-zione di 1V sull'uscita.

TALCOLODELL?MPLIFICAZIONEfamplrficazione di tensione dr un transi-stor si ottiene dividendo l'incrementodella tensione in uscita oer ouella corri-spondente all'ingresso. Nel circuito della

figura la tensione in uscita varia da 6 a

5 V, croe 'l V. mentre la variazione della

tensione di ingresso va da 0,6 a 0,7 Y,

che equivale a 0,1 V

AMPLIFICAZIONE DI TENSIONE =(vcE / vBE) =

(5-6)/(O,7-0,6)--10

ll valore di amplificazione di tensioneè di -i 0, questo significa che il circuito

sione di ingresso e di uscita, e il valore dieci volte<rrnorinro doll,a tpncinno di rr(.it: ri<nottr..J a queiladi ingresso.

VentrataVee

VuscitaVce

7V'

o17

0,60,5

La tensione di uscita e sfasata di 180" rispetto a quella di ingresso ed è 10 volte superiore

Gir;uiro omplif-i*l.h:e,,,,s*o-!r ,,9r,F_i"9|'.,.,,,,.',,,,,,,

Che cos'èun circuito integrato?

una pastiglra che puo essere com-posta da materiale plastico, cerami-co o metallico, all'interno del quale

vi è un piccolo pezzo di silicio chia-mato "chio". Su ouesto sono stati

costruiti transistor. diodi, resistenze e altricomponenti elettronici, interconnessi fra di

loro, per formare un circuito funzionale com-pleto.

I piedini del circuito integrato servono per

connettere con l'esterno glr ingressi e le usci-

te del circuito interno. Nella figura si mostra

un contenitore di crrcuito integrato, chiama-to DIP (Dual In-line Package) perché ha ì pie-

dini disposti in doppìa fila.

Sopra la superficie del contenitore c'è un

segno, o riferimento. che serve per determi-nare la numerazione dei piedini. 5i inizia col.piedino 1 a sinistra del segno di riferimento,e si segue numerando ordinatamente gli altri

oiedini in senso antiorario.

I

E

Schema dei collegamenti del circuito integrato 7408,che contiene quattro porte AND a due ingressi.

SCH EI,IA DEI COLLEGAMENTIOgni piedino del circurto integrato ha as-

segnato un'uscita o un ingresso del circui-to interno, e serve per collegare quest'ulti-mo con l'esterno. Si differenziano fra di lo-ro perché ognuno riceve un numero speci-

f ìco.

Lo schema di collegamento permette

all'utente di conoscere il compito di ognipiedino, rn modo da poterlo collegare cor-rettamente. Nella figura è rappresentato ilcircuito integrato digitale 7408. che dispo-ne internamente di quattro circuiti che for-mano delle oorte AND.

Ognuna di queste porte consta di duepiedini per l'ingresso e uno per l'uscita.lnoltre i piedini 14 e 7 servono per riceve-

re I'alimentazione a corrente continua, di

cui hanno bisogno i componenti elettroni-ci oer f unzionare.

Contenitore del circuito integrato Dlf;a doppia fila di piedini, la cui numerazione si determina seguendo il riferimento

ll tirtuilo integrulo

cio e formano le zone N e P

Ordinando adeguatarnente la

creazione degli strati alternati di

semiconduttore, si costruisconoresistenze, diodi e transistor.

LCI STATO I}ELL'ARTEPer fornire un quadro comples-sivo del livello attuale della tec-nologia di costruzione dei circui-ti integrati, partendo dall'iniziodel XXI secolo, facciamo riferi-mento all'evoluzione storicadella famiglia dei microproces-sori più usata nel mondo. Si

tratta della famiglia x86 di lN-

TEL. ll padre di questa famiglia si

puo considerare il microproces-sore 386, che apparve nel 1 985,aveva 275.000 transistor ed era

fabbricato con una tecnologiachp sr rne rava il mirron Si ali-mentava con una tensione di 5

FABBRICAZIONEUn circuito integrato contiene milioni di transistor, e

ogni anno questo numero aumenta. ll circuito integra-to chiamato Pentium è un microprocessore che costitui-sce il cervello del nostro Personal Computer o PC. La

nrim.a vprsione del Pentium risale al 1997 e conteneva3,1 milioni di transistor.

Era fabbricato con tecnologia a 0,8 micron. Quelliattuali si fabbricano con una tecnologia di circa 0,1 mi-cron e contengono un numero di transistor quattro vol-te supenore.

Per fabbricare un circuito integrato si parte da un

cristallo di silicio a forma di lingotto cilindrico, che suc-

cessivamente viene tagliato in fette denominate wafer.ll wafer viene Iavorato e ispezionato con l'ausilio del mi-rrn<rnnin elettrnnirn - d:-fn.h- À-lrvJlvl.rru LrLLLrvrilLv - uoLv Ll lE uE-

ve raggiungere una purezza totalener il rorretto fr rnzionamento di tut-ti i chips che da esso si otterranno -,sopra il wafer vengono create le re-

gioni N e P medrante la diffusione di

un materiale gassoso pentavalente otrivalente in un forno ad elevataremperarura.

Gli atomi del aas nenetrano nella

struttura del semiconduttore di sili-

VDC e consumava 2,5 W. Quattro anni dopo arrivo il

486 che conteneva piu di un milione di transistor, esat-

tamente '1 200.000 e utilizzava tecnologia ad 1 micron.Altri quattro anni dopo, nel 1993, si presentò sul mer-cato mondiale il Pentium classico, che è stato prodottoin innumerevoli modell fino ad oggi

Presentiamo i dati rilevanti di questa gamma di mi-croprocessori, che non e ancora terminata e che ognianno presenta nuovi modelli diversi, migliorando i suoirencllment, e i srroi o.ezzt.

Questa vertiginosa corsa tecnologica, a volte diso-rienta gli utilizzatori, che hanno l'impressione, subitodopo aver acquistato un determìnato modello, chequesto sra gra stato superato da rn alt'o piu veloce e

più economico.

Pentium MMX 1997 4,5 0,35

L'interno del circuito integrato Pentium composto da vari mrltoni di transistor.

Penlium I 993 3,1 0,8

Pentium lll I 999 9,5 0,1 I

ll circuito inlecrrcrlo

Vantaggi ed inconvenienti

razie ai nrooressi ternicinella costruzione dei cir-cuiti integrati, si e arrivatiad inglobare un computercompleto all'interno di

ognuno di essi. Questo circuito inte-grato si chiama microprocessore, e

diventerà il cervello del nostro robotincaricandosi di governare e gestire i

suoi movimenti, e di ricevere e pro-

cessare tutte Ie informazioni che gli

forniranno i suoi sensori.

Però non è tutto così semplice nei

circrriti intcnrati nerche anch'essiHL'

3". Risposfo più 3". lmposibilitù o contenere bobine

5". Riduzione degli stocks 5". l'lecessifono di sÍumenlozioni più complesse

7". Eliminozione dei difetti di montoggio

C i rcu iti i nteg rati a na log ici.

1". (osto ridofio 1". Volori dei componenti posivi limitofie con grondi tóllersnzó

hanno limitazioni ed esi-

genze.

TIPI DI CIRCUITIINTEGRATII circuiti integrati si posso-

no classificare in molti mo-di, secondo le loro caratte-riciirho Di <onr ri+n e-, --y-,"- Jspo-niamo alcune delle più co-munt:

. Per livello di integra-zione:

SSI: piccola scala dr in-tegrazione. Un massimo di1 ) nnrla nar rtrrt ril-^ ^+^rz PUr Lc pct LilLUtLU ilLC-

grato.

MSI: media scala di in-tegrazione. Da 12 a 100porte.

LSI: alta scala di inte-grazione. Da 100 a 1 000porte.

VLSI: altissima scala di

integrazione. Più di 1 .000porte.

Girruiti intesrqli

Memoia EPROM con finestra in cristallo per la cancellazione dell'informazione

scrivere ma sono volatìlr.3 - EPROM: si possono

lonnprp p sanvpre non Sono

volatili. Per cancellarle si sot-

topongono ai raggi ultravio-letti.

4 - FLASH ED EEPROM:qr nÒqqnnaì lpnnprp p SCrive-

re, non sono volatili.

MICROPRCICÉSsORI E

MICROCONTROI-LORINel caso dei microprocesso-

ri, ilchip del circuito integra-tn rnnf iono il nrnrocqnro

mentre nel caso dei micro-

controlori, contiene tutti gli

elementi del computer. Han-

no milioni di transistor e il

loro impiego ha permesso la

costruzione di computer pic-

coli ed economìci, inoltre

:ff-.gi..S:-ffirE,,#.i*:.'::ls,a*:ft,$;:H

':ffi

,:CH

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-:"-€'r;E'q

. Per tecnologia di fabbricazìone.

BIPOLARI: conten gono transistorCMOS: transistor CN/OS.

ALTRE.. Per le loro applicazionr:

C.l. ANALOGICI: gestiscono se-

gnaìi analogici. i più conosciuti sono

gli amplificatori operazionali.

C.l. DIGITALI: lavorano con se-

gnale digitale. Esistono molte fami-glie, tra ìe quali la più rappresentatì-

va è la TTL, le cui due prime cifre del-

la sigla sono 74, per esempio t 74OB

e la famiglia 4000 CMOS. Le famiglie74HC e 74HCT sono compatibili con

la TTL e la CMOS.

MEMORIESono circuiti integrati digitali, incari-

cati di immagazzinare informaztonibinarie e si usano per memorizzare Ie

istruzioni e i dati dei programmì dei

computers. Sono divise in quattrograndi tipi:

1 - ROM: sola lettura e non sono

volatili.2 - RAM: si possono leggere e

Circuiti inteqrcrli

bipolari.

consentono di poter controllare molti sìstemi e prodot-

tr con un compuîer.ll PIC appartiene alla famiglia dei microcontrollori,

anche se nel linguaggio tecnico corrente, e anche in

questi fascicoli sono usati entrambi i termini.

Microprocessore 486 di lntel

La logicae il sistema binario

na grandezza dlgitale èquella che varia a interval-li discreti, a salti, non am-mette qualsiasi valore, se

non quelli determinati chesono separati fra di loro da incre-menti fissi. Se si ammettono vari va-lori si dice che un sistema è digitalemultivalente, mentre se si ammetto-no solo due valori possibili è denomi-nato bivalente o binario.

Una grandezza analogica è quellache ammette qualunque valore com-preso fra i due limiti. Un voltmetro di-gitale ha un display che ammette undeterminato numero di digits. Sitrat-ta di un sistema digitale multivalente.llvoltmetro analogico dispone di una lancetta indicatri-

.ce che può assumere qualsiasi posizione tra i due estre-mi della scala di misura. È un sistema analogico.

La grandezza analogica ammette infiniti valori pos-sibili, mentre quella digitale ammette solo un numero li-mitato divalori.

VANÎAGGI DEL SISTEMA DIGITALELa maggior parte delle grandezze che esistono nelmondo reale, come la temperatura, la luce, l'umiditàeccetera, sono analogiche. Comunque esprimere una

ll multimetro puÒ rappresentare solo le misure permesse dai digits del suo display.

grandezza in forma digitale, ha quattro importantivantaggi, che sono stati determinanti nell'utilizzo delcomputer.

| ". I chcuili foitcft sono p'ù s€flÌdri d e(ofloflrici.

3'. L0 prerisknc fu'sirem @fifi pò esere lunto petho, qnnto d frd€ro.

MULTftIALOREVALORE

BIVALORE

GRAFIDEZE DIGITAI-I GBA}.IDEZAA}TALGICAVALORE

TEMPO

Espressione grafica delle grandezze digitali e analogiche-

ELETTRONICADIGITALEL'elettronica dig tale si carat-

lerizza con il fatto che tutti i

suoi componenti e circuitifunzionano unicamente con

due stati. Sono sistemi biva-

lenti in cui i due stati si rap-

presentano con due possibili

voltaggi o margini di tensio-

ne. Uno stato si chiama "al-

to" o "1",ei componenti lo

rappresentano con rl voltag-gio massimo. Ualtro si chiama"basso" o "0" ed è rappre-

sentato dal voltaggio mini-mo, che in genere è la massa.

E molto comune lavorare con

una tensione di alimentazio-

ne ai circuiti digitali di + 5

VDC, in questo caso il voltag-

I circuiti digitali sono costruiti con componenti elettronici che lavorano con due stati:

uno al massimo voltaggio e l'altro al minimo.

gio alto è rappresentato da + 5 V e quello basso da 0 VIn realtà questi livelli logicr non sono così rigidi e il livel-

lo alto comprende un margine di tensione tra 2 e 5 V,

mentre quello basso oscilla tra 0 e 0,8 V parlando di li-velli di ingresso.

IMPORTANZA DEL SISTEMADI NUMERAZIONE BINARIOSiamo abituati sin dalla nostra infanzia, ad utilizzare il si-

stema decimale. che ha una delle sue ragioni nel numero

delle dita delle nostre mani. Ci appare semplice e como-

do, pero è formato da dieci digits differentÌ, che uniti or-

dinatamente rappresentano le quantttà che vogliamo.

Le macchine digitali e i computer sono i maggiorì

esponenti del sistema a numerazione bìnaria, funziona-

no unìcamente con due stati logici. Per rappresentare i

due stati ci servono solamente due valori, che sono l'1 elo 0. ll sistema di numerazione binaria ha solo due digits

per esprimere qualunque quantità. Lavorare con solo due

valori è molto prù facile che con 10, ed è solo la man-

canza di abitudine a farci pensare il contrario; basterà

abituarsi. Esprimere quantità con solo due valori com-porta l'utilizzo di più digits che nel sistema decimale, per

esprimere la stessa quantità. Per esempio, da 0 a 9 nel si-

stema decimale si rappresenta con un solo digit. In bina-

rio possiamo rappresentare con un solo digit 0 e 1 . Se vo-

gliamo esprimere 2 dovremo unire due digits in forma

10. Per il 3 diventano 11 e con questo abbiamo esaurito

le possibilità a disposizione con solo due digits binari, co-

sì per il 4 ne useremo tre e sarà rappresentato da 100.

0

Le regole matematiche per realizzare somme, sot-

trazioni e moltiplicazioni utilizzando solo due valori so-

no molto semplici, ad esempio le regole per la somma

saranno: 0+0=0; 0+1=1; 1+1=10. Le regole della mol-

tiplicazione saranno: 0x0=0; 0x1=0;1x0=0; 1x1 =1

l02

4 100

ll0ó

1000I

l0l0t0

Le porte logiche

eorge Boole sviluppo una+aarir mr+a*-+i-- ^Ji{{^LCUItd IIdttriltdLtLd uItc-

rente da quella classica,t^-,,i^-^^^-i^^^^

'ts P svt-l,,^^^ À a+r+- -^-ì i,--ruppo e sldLa cosr rmpor-

+-^+^ -l^^ ^^ll,-++,,-li+- À ,,--+- i^LdilLC L|tr |Cil dtLUdilLd C U)dtd il l

gran parte dai processi esistenti. Per

la soluzione dei problemi, George

Boole stabilì una serie di postulati e

operazioni logiche valìde per tutti i

tipi di elementi: meccanici, elettrici, elettronici, ecc.

f unica condizione è che questr elementi abbianodegli stati di funzionamento che esprimano i due sta-ti del sistema digitale bivalente.

L'algebra di Boole lavora con grandezze a duesoli valori, e gli elementi che contempla possono so-

lo accettare due stati, come indicato nella tabella a

fianco.

LE OPERAZIONI LOGICHELe operazioni nell'algebra di Boole si realizzano indi-cando gli ingressi e le uscite con le lettere dell'aìfabeto.Le operazioni, con questa nuova matematica, si rappre-

sentano anche con seqni dell'aritmetica convenzio-nale: +, -, ecc.

Questi pero hanno un significato totalmente diver-so. Esistono tre operazioni fondamentali nell'algebrarogrca:

OR (SOMMA IOGICA)

PORTA AN D

Quando due o più variabili logiche binarie (A e B )sicombinano mediante l'operazìone logica AND, pro-ducono il risultato (X) che prende lo stato logico alto,o 1, quando tutte le due variabili di ingresso hannoair rocfo <tAto

LAMPADA ATIESA SPiNTA

RHt' ATIIVATO DISAITIVATO

TRANSISTOR SAIURATO IliTIRDFITO

X= A.B

**y, é

a) Equazione logÌca della funzione AND; b) Tavola della verità;c) Rappresentazione elettrica, d) Simbolo logico.

Uncr nuovrr mslemqticcr: I'algebrei di Boole

X=A

Ra p presentazione log ica

della funzione NOT e tavola della verità.

Nell'algebra di Boole questa operazione si indica

come una moltiplicazione.

X=A.BÈ chiamata tavola della vertà, la tabella in cui so-

no rappresentate tutte le possibili combinazioni deglistati delle variabili di ingresso, e il risultato che pro-

ducono.Se si volesse lavorare con componenti elettrici, le

variabili di ingresso A e B verrebbero rappresentatecon interruttori. Questi potrebbero essere chiusi e inquesto modo lascerebbero passare la tensione, op-pure aperti, impedendo così il passaggio della ten-srone.

L'operazione AND si rappresenta mettendo in seriegli interruttori che rappresentano le variabili. Per farein modo che all'uscita del circuito ci sia tensìone a li-vello alto è necessario che tutti gli interruttori siano

chiusi, e rappresentino il livello alto.ll simbolo logico di quesia operazione assomiglia

ad un semicerchio, con gli ingressi dalla parte piatta e

il risultato nella oarte curva.

PORTA OR

Quando diverse varlabili bi-narie d'inoresso si combina-

'r ty' rJJv J' !v'

no mediante la funzione lo-oica OR l'rrsrita nrende un

livello alto se almeno unodegli ingressi assume que-

sto stato. lnvece se tutti gli

ingressi hanno lo stato bas-so l'rrscita nrcndp lo statoba sso.

PORTA NOTQuesta funzione logica vie-

ne chiamata sia inversione

sia NOT.

lìisnonp solo di rna va-

riabile binaria come ingres-<n o l'rrc.itA nrandp <,,_* -emprelo stato opposto, o inverso,

a quello dell'ingresso.

X= A+B

.*-1

a) Equazione logica della funzione OR; b) Tavola della verità,

c) Rappresentazione elettrica; d) Simbolo logico.

ffiffnn nuovc moferneitico: I'olgebrer di Boole

Circuiti con porte logiche

FAMIGLIE LOGICHE

Le porte logiche si dividono tn diverse famiglie, in base

alla tecnologra e al tipo di transistor ìmpiegatì nella fab-bricazione. Le oiù importanti sono la TTL e la CN/OS. La

famiglia TTL, tradizionalmente la piu popolare, accetta

una sola tensione di alimentazione a +5 VDC, mentre la

CMOS tollera un range di valori dr alimentazione sino a

1 5 VDC.

Sia nella famiglia TTL che nella CMOS i livelli logici

alto e basso, hanno dei valori diversi a seconda che si

tratti di livelli di ingresso (Vin) o di uscita (Vout). Per

quanto riguarda il livello di ingresso

basso, la famiglia TTL ha valori che

oscillano fra 0 e 0,8 V mentre per il li-

:;IWF'

vello alto il valore può variare tra 2 e 5 V Per il segna-

le di uscita, il livello basso è compreso fra O e 0,4 Vmentre il livello alto puo variare fra 2,4 e 5 V comepossiamo vedere nella fìgura.

LE PORTE PRINCIPALIlc nÒrfp lnnirho sonn nli nnor:fnrr rho re,alizzano le

funzioni dell'algebra di Boole. Possono essere costruitecon elementi meccanici come gli interruttori, elettricicome i relè, oppure elettronici come i circuiti integrati,che saranno quelli che noi useremo.

Livello alto e basso, di ingressoe di uscita, nelle famiglie TTL e CMOS.

Simbolo e tavola della veritàdelle quattro porte logiche princtpali

..-,J*m,r,t*.tqffillg

l-=Jsr-q:+llSr3fl*f s-r*SlJFtB-r*l-tS---Xfl-"i

A

B

c

L'equazione logica è risoltaimplementando uno schema a base di porte logiche

I e nratfro nnrte fondamentali sono:AND. Luscita ha livello alto se sono alti tutti isuoi

i ng ressi.

OR: L'uscita ha livello alto se almeno uno dei suoi in-gressi è alto.

NOT: L'uscita ha livello logico opposto all'ingresso.XOR: Luscita ha livello alto quando solamente uno

donli innro<<i o:ltn"-v" "

v*eiPo-#e-<sPer far si che 5=1 e ci sia tensione all'uscitadel circuito, è necessario che A e B siano chiusi, owero valqano 1

IMPLEMENTAZIONEDELLE EQUAZIONI LOGICHESupponiamo di disporre di due variabili logiche chepossono assumere solo due stati opposti. La variabile Arappresenta la possibilità che piova o che non piova, la

variabile B rappresenta Ia possibilità di uscire in strada onon uscire. Infine vogliamo ottenere un rrsultato, che

sarà la variabile S che rappresenterà il fatto di prendere

l'ombrello o di non prenderlo.

Le porte logiche

L'equazione logica che ne segue e;'5e esco in strada (B) e sta piovendo (A) prendo

l'ombrello6)": S=A.B.Lequazione logica e una AND o prodotto logico, si-

gnifica che affinché la variabile di uscita vada a livello al-to, entrambe le variabili di ingresso devono avere statoalto. ll segno di moltiplicazione "." equivale nell'alge-bra logica alla funzione AND. ll segno di somma "+"rappresenta la funzione OR. Un trattino sopra la varia-bile, o ilfatto che sia seguita dal segno "#" rappresen-ta la negazione di detta variabile.

fimplementazione fisica della funzione AND me-diante interruttori elettrici, consiste nel metterli rn serie

in modo che la tensione di alimentazione possa passa-

re solo nel caso che entrambi qli interruttori siano chiu-si, o in stato alto.

Nell'elettronica per implementare le equazioni logi-che utilizziamo circuiti che le realizzano, e che sonocontenuti nei circuiti integrati. ll problema si complicaquando esistono più variabili di ingresso e di uscita, co-sì come maggiori possibilità di relazionamento fra gli in-gressi per ottenere l'uscita. Le equazioni diventano più

complicate, così come gli schemì con le porte logicheche le implementano.

ALTRE PORTE INTERESSANTIEsistono altre due porte derivate dalle fondamentali,che sono molto importanti. Si tratta della porta NAND

e della porta NOR. La proprieta piu interessante di que-

ste porte e che permettono di risolvere tutte le opera-zioni logìche, il che significa che è possibile risolverequalunque equazione logica utilizzando solamentenroqfn tinn di nnria

tulilizzo del medesimo tipo di porta e quindi di cir-cuito rntegrato semplifica e rende piu economico il

montaggio.NAND: f uscita è l'inverso della funzione AND degli

rngressi. ll simbolo è come la AND ma con un cerchio di

negazione sull'uscita.NOR: Luscita è l'inverso della funzione OR degli in-

gressi. Usa il medesimo simbolo della OR, seguito da un

cerchio di negazione sull'uscita.

NAND NOR

S= A.B lr@-''=^-*Simboli ed equazioni di uscita delle porte IVA,ND e IVOR

Sistemi com bina zionali :circuiti aritmetici

ono denominati sistemi combinazionali quelli

la cui uscita dipende esclusivamente dallo sta-

to dei loro ingressi. Per progettare un circuitocombinazionale si deve seguire la seguentemetodologia.

PROGETTO DI CIRCUITOCOM BINAZIONALE'l'. Definizione degli ingressi e specificazione delle

uscite in funzione deoli inaressi.

L tauc|a ucilo vct tLd.

3". Equazioni logiche.4". Semplificazione delle equazionr.5" lmnlemenlazioni dpllc enttezioni .nr'ì circuiti

integrati digitali.Descrrveremo diversi sìstemi combinazionali digitali,

che per la loro importanza e il loro frequente utilizzo,

sono venduti sotto forma di circuiti integrati; inizieremodai piu utili, che sono i sistemi combinazionali che rea-

lizzano operazion i aritmetiche.

IL SEMISOMMATOREE un circuito combinazionale che genera la somma (S)

di due digit (A e B) e il riporto (C) nel caso sia presen-

te.Come si può vedere dalla tabella della verità, il va-

lore della som-ma S coincidecon la f unzioneXOR delle va-

riabili di ingres-

so. ll riportovale 1 quandoA e B sono 1.

fli rnn<onrron-

zaS=AXORBeC=4.8.

Tabella della verità del circuitosemisommatore. A e B sono gli operandi,\ ls qomma a e il rínnrto

0 0 0 0

I 0 0

IL SOMMATORI COMPLETOSi chiama così perché è un circuito combinazionale ca-pace di sommare tre bits, due della precedente opera-zione e un terzo che è il riporto dei precedenti, gene-

rando in uscita la somma totale e il riporto. Mettendoin serie vari sommatori completi, si possono realizzare

somme di numeri binari di diversi digit.La tabella della verità indica il valore della somma S

e del riporto finale Cout, in funzione del valore degli

operandi (A e B) e del riporto precedente Cin.

Per far sì che

la somma S val-

ga 1, uno dei

tre sommatori,

0 0 0

o tutti e tre, deve essere a 1, il che

corrisponde alla funzione XOR.

ll ripo"to finale Cout e 1 quandoalmeno due sommatori sono a 1 . Si

deduce così che l'equazione logica di

0 0 0 0 0

A

B I 0 0 I

I 0 I 0 I

Schema logico del semisommatore e simbolo (HA Half Hadder)

€irruiri digirgli .ombinszionrrli

uscita del sommatore completo è: S = A xor [B xor C]

Cout=A.B+A.Cin+B.CinUn altro modo di imolementare un sommatore

completo, consiste nell'utilizzare due semisommatori in

cascata. ll primo realizza la somma dei due operandi, e

il secondo somma l'uscita del primo al riporto prece-

dente, come viene mostrato nella figura riprodotta a

fondo pagina.

AB

Cin

AO-|BO+

Cin o+ Cout

Cout

Schema logico con porte e simbolo del sommatore completo (FA. Full Adder)

SEMISOMMATORE

SEMISOMATORECour

Schema del sommatore completo implementato mediante due semisommatoil.

€irrslfi dÍsifali ecrnhÍnrrzioncli

Codificatorida decimali a BCD

n codificatore è un sistema combinaziona-le, che ha il compito ditrasformare una se-

rie di segnali in un altro insieme che rap-presenti un codice. Per chiarire il concetto,faremo riferimento e progetteremo un co-

dif icatore che riceva '10 segnali, ognuno corrisponden-te ad un digit del sistema decimale (E0-E9), e fornisca4 segnali binari che corrispondano ai 4 digit necessari

per rappresentare il segnale di ingresso in codice BCD.

Per il progetto del circuito combinazionale seguiremoi passi che abbiamostudiato n preceden-

za, iniziando dalla

compilazione della

tabella della verità e

ricavando le equazio-

ni che ne derivano.

ll codificatore riceve 10 segnali di tngresso. ognuno dei qualirappreienta un digit decimale,e fornrsce 4 seonali brnar; rhe rànnrcsenrann I'inorcsso in codice BCD'- "rr'

INGRESSO

N' DECIMAIE

. ,EI

E2

;ln:ìl00001:

,,.., -,,.'1.

0ì." 13

E4

E5

E6.

t7

E8

E9

I

0

I

0

0,1'i""-"t,l'ttl ::o,,o0:,O

nì---------t

- -- Ìfri

;lili

.'....'.........,.i

I0

t

B=t2+83+Eó+87

D=t8 + E9

Tabella della verità del decodificatoreda decimale a BCD

I a nt tAtfrÒ ant tazinnì

del codìficatore si rrsolvanocon quattro porte OR.

Decodificafori

INGRESSI

EO

--+

USCITE

EIE3E5E7E9

É2E3EóE7

E4E5E6E7

E8

E9

Godificcrtori e

La soluzione delle quattro equazio-

ni logiche a cui corrispondono i quat-

tro segnali di uscita del decodificatore

si implementa con quattro porle OR.

DECODIFICATOREDA BCD A DECIMALEAl contrario del codificatore, questocircr rito rìreve dei seonali in forma

codrficata e fornisce delle uscite non

codificate. Prendiamo in cons dera-zione il decodificatore che riceve^,,î++4^ -^^--ll -L^^ -^quarrro segnail cne rappresentanoun valore nel codice BCD, e fornisceil valore decimale corrispondente,Dalla tabella della verita, ricaviamolo <onrronti onr taziani lnnirho dollo'10 possibili uscite:

5t=A.B#.(#.0#

s3=4.8.(#. D#

55=4.94.6. OU

57=A.8.(.D#

59=A. B#. (#. D

Oftonrrfo lo 1n anUSTigni jgllgrr<rito il motndn nonar:lo r:rrn-uJ!rLL, il rrrLLvuv vLrlglolq loLLv-

manda di semplificare al massimonrrocto onrr:zioni Por f:rp rtroct.l

esistono diversi metodi, ma il piu

utilizzato e il metodo grafico di

Karnaugh. Nel caso del nostro de-codificatore, dato che le equazioni

sono molto semplici, non ammet-tono ulteriori semplificazioni, per-

tanto si passa ad implementare le

10 uscite con le interconnessionidallo nnrta noro<crrio nor ricavora

gli ingressi.

I m p I em entazio n e m ed i a nte porte log i chedelle 10 equazioni del decodificatore da BCD a decimale

INGRESSI

A {20

c l22l

D {23)

USCITE

50

5ls2

53

s4

H5

USCITE

EO

EI

E2

E3

E4

E5

Eó

E7

E8

E9

TNGRESST i-"'--_"_r__'_'" -'_'i

llro) ì e(z') I c(2'?) : o(e3) .

0000r0000r00ll000010tolo0ll0tlt0000r

Ls6

f00t:

s7

s8

s9

Simbolo e tabella della verità di un codifrcatore da BCD a decrmale

Godificertori e Decodificcrtori

M u tti plex€r, dem u lti plexere comparatoriMULTIPLTXERNei sistemi digitali è molto comune trasmettere le infor-mazioni binarie in serie. Si utilizza una sola linea nella qua-

le ogni determinato tempo si manda un bit. Per fare inmodo che emettitore e ricevitore saooiano esattamentequando è presente nella linea un nuovo bit. si fornisce un

segnale di clock,

i cui fronti deter-minano questo

ista nte. L'infor-mazrone si tra-smette in serie,

bit a bit, e la di-scriminazione+.- A, ^.-i -t -^^|o ut E))t )t tcd-

lizza mediante i

fronti deglì im-pulsi di clock che sincronizzano l'emettitore e il ricevitore.

Un'altra caratteristica molto importante che riguardanumerosi circurti digitali, è l'esistenza di tre stati logici al

posto di due. Gli stati sono: alto (1), basso (0), "alta im-pedenza" o tristate. Quest'ultimo, e nuovo, stato corri-

ENTRATA USCITA

Funzionamento schematico di un multiplexer a quattro ingresst

Cronogramma in cui si invia, in serie,

il codice del numero 9 in BCD (001001)impiegando 6 impulsi di clock.

sponde a quando abbiamo una linea oun punto del circuito in aria, cioè senza

connessioni al resto dell'elettronica. È

un terzo stato in cui non c'è livello né

alto né basso.

I dispositivi multiplexer dispongonodi vari ingressi digitali e di una uscita.

Dalla linea di uscita si ottiene, in modoseriale, l'informazione che si caricanell'inoresso rhe p sfato selezionato.La selezione delle linee di ingresso che

devono portare l'informazione all'usci-ta e fatta mediante delle linee di con-trollo. ll funzionamento generale di un

multiplexer è simile ad un commutato-re che collega l'uscita all'ingresso che

in quel momento è selezionato dalla li-nea di controllo. Nella figura si mostralo schema di principio di un multi-plexer a quattro ingressi.

ENTRATA

: :::1

l "tt

tI

I

Funzionamento schematrco di un demultiolexer a ouattro uscite

Gircuiti Gomhinszionsli&)k..'.........::.1|111...)/,',ì',,r,.'w|&....W/.'

Dato che il multtplexer è un sistema

combinazionale, in cui le uscite pren-

dono il valore degli ingressi selezìonati

dalle linee di controllo, per il suo pro-

getto si segue la metodologia genera-

le. In primo luogo si compila la tabella

della verità e da questa si ottengono le

equazionì logiche che devono essere,

se possibile, semplificate. Infrne si im-

plementano queste equazioni con

schemi a base di porte logiche.

EO EI E2 E3

Schema logico di un multiplexer a quattro ingresst

Schema logico di un demultiplexer a quattro uscite

S = C0#.C1#.E0 + C0.C1#.E1+ G0#.C1.E2 + C0.C1.E3

DEMULTIPLEXER

Sono circuiti combinazionali che ricevono l'informazione

binarià in serie da una linea d'ìngresso e la trasmettono

ad una delle linee di uscita. Per individuare la linea di

uscìta sulla quale verrà caricata l'informazione che in

quell'ìstante è presente sull'ingresso esistono delle linee

di controllo. Nel progetto del demultiplexer si compila la

tabella della verità, si dedu-

cono le equazioni logiche,

e si implementano in porte.

COM PARATORISono circuiti combinaziona-

li che comparano due nu-

meri binari di "n" bit ognu-no, indicando se uno e

maggiore (Vl), minore (m)o

uguale (l)all'altro. ll compa-

ratore più semplice è quello

che compara numeri di un

solo bit. ll suo progetto se-

gue la metodologia classica

del compilare la tabella del-

la verità, dedurre le equa-

zioni. e trasformarle in uno

schema con porte logiche.

Funzionamento base di un comparatore;

tabella della verità di un comparatore di numeri a 1 bit e schema logico del medesimo

INGRESSIi

INGRESST i USCrr !....-.**--?-"'-***i-**-:'"*****i'--*---':"-''"-*'?*---Ais:Mit!m0 oiO,l ìOl0loo0roolrroto

€ireui*i colrrbircrzionali

Ftip-f[op

TELFMENTO BAST DELLA MEMORIAIn elettronica digitale l'elemento base dell'informazioneè il bìt, che puo essere 1 o 0. Si chiama elemento di me-

moria il dispositivo incaricato di immagazzinare rnfor-

mazione, e in questo caso l'elemento base è quello ca-

pace di contenere un 1 o uno 0. Possiamo paragonare

l'elemento base che contiene il bit ad un piccoìo reci-

piente. Per memorizzare un bit disponiamo di un se-

gnale SET, che carica un 1 e di un segnale RESET che ca-

rica uno 0. Non e possibile attivare contemporanea-mente i due segnali, in quanto si puo memorizzare so-lo un bit. Per conoscere il contenuto del "recipiente" di-sponiamo di un segnale di uscita Q che indica il brt con-

tenuto; inoltre è disponibile un'uscita invertita che for-nisce il valore inverso al bit contenuto. In questo modo

se si scrive nel "recipiente" un 1 sull'uscita Q avremo il

valore 1 e sull'uscita Q esce uno O. L'elemento base del-

la memoria appena descritto e rappresentato nella fi-gura in alto a destra.

ll funzionamento di questo elemento è molto sem-nliro <o <i :ttiva il <ann:lo (FT rinò (a ei :nnl;-- .' ' ^.PrrLE. )s )r oLuvq il )svr,-,- -- ,. -HtrllLd iu c)-

so un livello alto, il flip-flop si carica con un 1;di con-=sequenza Q ='l eQ = 0. Questa situazione durerà sino

u ih. non si attiva il segnale RESET, come si puo vede-

re dalla tabella della verita della fiqura. Dobbiamo no-

MESSA

Elemento base di memoriacapace di contenere un bit in modo permanente.

t: ro ah'o al n nn

aver caricato unI ^"--;^ -ll'-++iI t 9t oLtc oil o LLr-

vazione del SET,

tìutt)cto ttELE)-

sario che il se-gnale rmangaattivo, infatti an--l-^ -^ -; l;--++iLI IE JU )I UI)d LLI-

va, sino a che

non si attiva il

RESET il dìsposi-tivo resta a 1.

FI.TP.FLOPR5 COf{PSRTH NORNt^ll- {i^,,"- À "ir\gilo r9uro q rr-

nn rt:f n I rn olo-

mento base del-la memoria im-plementato me-rli:nf o drro nnr-

te NOR, che ri-ceve il nome di

f lip-f lop RS conporte NOR. Le

lettere RS sonole iniziali di Re-

set/Set. Per de-,-.I,,""^ l- +-A^ll-uut tc td Lducilo

della verità dinrró<tn olomon-+^ dini+:lo (i

<rnnnna rhoper gli ingressi Set e Reset il Iivello attivo sia alto. Quin-di se entrambi gli ingressi sono a zero, tl contenuto del

flip-flop non cambia. Ad esempio, se il flip-flop aveva

Q = 0 impostando S = R = 0 si mantiene il livello del-tt,,--,+^ ^ -^-^ '1^^r^-^6+î+^ ^^rr- {i^,,.- Se iniZial-tu)LtLd v, LUiltc tdpvttr)crLoLU ilcilc r9uro.

mente Q = 0 e si pone S = 1 e R = 0, l'uscita Q passa

^ . Ar^+^+^ -L^ r^^^ che iì flin_flon e stato caricatod l . l\Utd LC Ll lC UUp\J ilp ilvV

Flip-flop RS conporte NOR. Struttura interna e simbolo

5e gli ingressi 5 = R = 0 il contenuto delflip-flop non cambia. Se prima Q valeva 0msnfipnp nt tpl vslorc .on S = R = 0.

SET

I

RESET

0

Tabella della verità dell'elemento basedi memoria, supponendo che i segnali SEI

e RESET siano attivi a livello logico alto

,:

.:m":i: ,, ..,--. ..-:-.- -.-*...i

Elettronicc dicltsle Vll

con un 1, il suostato non si

modifica ancheseStornaa0.SeS=0eR='lll flip-flop si ca-

rica con uno 0e rimane conq uesto va loreanche se R tor-naa0.

La combina-zioneS=R=1À norirnln<:- H"',

perché provoca

una "condrzio-

ne indefinita",dato che cer-cando di uscìre

da questa situa-zrone ponendoS=R=0nonsinrrÀ nrodiro ln

stato logico che prenderanno le uscite delle porte NOR.

Al passaggio simultaneo di 5 e R da 1 a 0, supponendoche'le due porte abbiano lo stesso ritardo di propaga-

zione di 10 ns, entrambe le uscite avranno preso il valo-re 1, la retroazione del circuito f orzerà le uscite per ri-portarle nuovamente a zero, iniziando un ciclo infinito.Nella realtà, dato che una delle porte avrà minore ritar-do dell'altra, si awantaggerà e il flip{lop prenderà unostato determinato. La tabella della verità è rappresenta-ta nelìa figura.

lfloll: finrrra <trraa--i,,- : -i^^-+-+^ il ^-..r-,-,----55rva e rporlaTo il cronogram-ma del comportamento di un f lip-f lop RS con porte

NOR, in fun-

TLIP.TLOP R5 CON PORTE NANDUlilizza due porte NAND retroazionate, ed e caratteriz-zato dal fatto che gli ingressi sono attivi a livello basso,

come indicato nella figura. Quando questo flip-flop ri-ceve la combinazioneS = 0 eR ='1, l'uscita Qvale'1. La

condizione di indeterminazione in questo flìp-flop si

nrndrrro nrr:ndn < - E - O rnmo <i nr rÀ riar]ara À:ll: t:-Prvuuls Yuorruv J - r\ - v Lvrrrs J! Puv vquqrE uo!to Lo-

bella della verita.

FLTP.FLOP SINCRONSC0tl IL SEGNALT SI CL0CKSono simili ai flipJlop studiati, però cambiano lo statosolo In presenza

di un impulso di

clock, oppure di

uno dei suoidue fronti.

TLTP.FLOPTTPS D

Possiedono un<nlo connrlo di

ìnnrcscn nor il

dato, che si

chiama D. Se

)r oppilLd d u

un l il flip-flop si caricaconunlese-i-^^ti--..-^)r dpprrLd urìu0 si carica conuno 0. Nellafigura ripro-dotta a lato è

rappresentato un flip-flop tipo D sincrono con il se-nn:lo dol rlnrV rho p c+r+n rnctrr riin r nrr,- i stato co5trurto a par|re 0a un

R5 con porte NOR al quale è stato montato un inver-ter f ra l'ingresso Set e il Reset.

QuandoS = / e R = 0 l'uscita Q vale 1 e

mantiene questo valore anche se S torna a 0

s

o

I

_q

I

R

0

0

II

Tabella della veritàr'lal tlìn-ilnn R\ enn nnrta |,!Qft.vrt 1t'P ttvY

tlìls-l

,nil"O-l

=r'I

Cronogrammadi un flip-flop RS con porte NOR

so------lG|ryu*'ffi$-l-"

FlipJlop RS con porte NAND

zione dei suoiI n g ressr.

Tabella della veritàdel flip-flop RS con porte NAND

Flip-flop tipo D sincrono

FLIP-FLOP TIPO JKSi tratta di un flip-flop speciale in cui estata eliminata Ia condizione di inde-

terminazione. I suoi segnali di ingresso

di messa a 1 e 0 ricevono il nome di J

a 11 rìcnal-tirremonra ó SOnO attiVi a li-vello logico alto. Quando si applica un

livello logico alto ai due ingressi il con-tenuto del flip-flop si inverte, se con-teneva un 1 passerà a 0 e viceversa.

s i R joi6ii:-I i I jQ-r ìQ-l

o i t :t, on.rIl"' 1""'--, t-..' ---,| : o i'o ' I

nnllINDEIERMINATO.-.-...-***À*'*,,*-*;*.*..*-*-.*.*-j

Iletfronicc digircle Vll

Registri

TM MAGAZZINAM ENTODEI BIT NEI REGISTRI

Nelle macchine digitali tutte le gran-

dezze, testi, disegni ecc. si codificanocon un insieme di bit. L'elemento base

della memoria e il flip-flop, che e ca-pace di immagazzinare un bit.

I dispositivi incaricati di immagazzi-

nare diversi bit si chiamano registri, e

sono costituiti da tanti flip-flop quantibit devono contenere, come si vede

SISTEMA TRASMITTENTE SISTEMA RICEVENTE

Trasferimento seriale sincrono fra due reoistri dioitali

REGISTRO

Un registro che contiene otto bit è formato da otto flip-flop

chiama "sincrono", come nel caso della comunicazionemostrata nella figura a fianco. Invece quando il trasferi-mento è seriale. è sufficiente una sola linea per suppor-tare il flusso dei dati; è più semplice, sicura ed econo-mica, però più lenta.

RE6XSTRI DI TRASFERIMENTO 5[RTALÉI flip-flop di questo tipo di registri sono incatenati unodietro l'altro, in modo che l'ìnformazione contenuta inogni flip-flop si sposti continuamente ad ogni impulsodi clock.

Ouando si colloca il valore di un bit sulla linea di in-gresso seriale del registro della figura, il flip-flop FF1 si

carica con detto valore al fronte di salita del clock CP

FF1 non ha condizioni di indeterminazione. dato che qli

ingressi R e S sono sempre invertiti.Contemporaneamente al carico di FF1, ognuno dei

restanti flio-floo si carica con il dato memorizzato dalprecedente, FF2 si carica con il contenuto di FF1, FF3 si

carica con quello di FF2 eFF4 con quello di FF3. Se vo-

Trasferimento parallelo sincrono fra due registridi sistema digitali

nella figura. L informazione deposi-tata nei registri dovrà essere trasfe-rita per la successiva elaborazìone.

Questo trasferimento si puo rea-

lizzarein serie o in parallelo. In que-

st'ultimo caso sono necessarie tan-fo ìinoa nrr:nti q666 i hi+ Àe +rrc{ayuurrLr Jvr rv I UIL UC LIO)lC-

rire. Inoltre se il trasferrmento è

controllato da un segnale di clock siRegistro di spostamento seriale sincrono da quattro bit, con un ingresso comune dÌ reset

Disposifivi per I'inrmeig.rzzincrmenlo delle informszioni

gliamo memorizzare 4 bit nel registro,

dovremo introdurli uno dietro l'altrocon ouattro coloi dì clock.

Per obbligare tutti gli FF ad assu-

mere uno stato oredeterminato di-

sponiamo di un segnale CLR# che,

quando va a livello basso, carica tuttigli FF con uno 0.

REGISTRO DISPOSTAMENTO PARALLELOLa figura riprodotta a ìato rappresen-

ta un registro formato da tre FF tipoJK. Anche se sono collegati in serie, equindi possono trasferire il dato da

uno all'altro, possono anche essere

caricatr tutti e tre contemporanea-

INGRESsO DATI PARAILEIO

CKo.-------

USCITA

SERIATE

Registro da tre bit con carico e scarico dei dati in parallelo

ffi

ffi

ffi

mente, utilizzando il segnale di con-

trollo PR di messa a 1, che si mostra nella figura.Inizialmente si caricano itre FF a 0, attivando il se-

gnale CLR#; per caricare contemporaneamente tutti gli

FF si attiva ìl segnale "Carica Parallela", nello stesso mo-

mento si applica anche il bit da caricare sull'altro in-

gresso della porta NAND che controlla il segnale PR di

messa a 1, che e attivo a livello basso.

REGISTRO DI SPOSTAMENTOUNIVERSALE

FF si realizza tramite le porte NAND che pilotano rl se-

gnale di messa a 1 (PR). La lettura simultanea dei quat-

tro FF si fa tramrte le uscite delle porte AND che pren-

dono il valore dell'uscita Q degli FF quando si attiva la

linea di comando dell'uscita.Per la lettura e scrittura dei flip-floo in serie si utiliz-

zano le linee di uscita e ingresso seriale combinate conquattro impulsi di clock, necessari per scaricare i quat-

tro dispositivi di memoria del dato.

Questo suppone che le operazioni stano quattro vol-

te piu lente rispetto al lavoro in parallelo.Questo tipo di registro si

o in parallelo, inoltre si

può anche scrivere in un

modo e leggere in un ar-

tro, quindi è capace di

trasformare ìl dato da

seriale a parallelo e vice-

versa. Nella figura è rr-

portato un registro uni-

versaìe implementatocon diversi circuiti inte-grati digitali commercia-

li, nella fattispecie con

due FF JK ognuno, un

SN7400 con quattroporte NAND, un

SN7408 con quattroporte AND e un SN7404

di cui si ulllizza solo uno

dei suoi inverter. La

scrittura parallela degli

puo leggere e scrivere in serie

Registro universale che si puÒ leggere e scrivere in serie o in parallelo

I-INEADt coNTROttoDEtt.INGRESSO

INGRESSOSERIATE

CtOCf o--1MESSA A ZERO

TINEA DIcoNTROrroDETt'USCITA

Disrrositivi per I'immngszzinamenlo delle informazioni

Contatori

REGISTRI CHE SANNO CONTARE

Se le uscite e glr ingressi dei flip{lop che formano i regi-

stri si collegano in modo adeguato, il valore che i flip-flop rappresentano si incrementa o decrementa ad ognr

impulso di clock. Questi dispositivi si chiamano contato-ri, forniscono una uscita che è il valore del conteggio rn

codice binario. Abbiamo quindi un codice chiamato8421 , che indica la presenza di quattro flip-flop che rap-presentano le successive potenze del 2. L FF meno signi-ficativo ha il peso della potenza zero del 2, owero 'l . ll

successivo rappresenta la potenza 1, il seguente la po-

lenza 2 e quello piu significativo la potenza 3 di base 2.

Nella figura e riportata la tabella con i differenti valoriche assumono questi quattro flìp-flop per i diversi digitesadecimali. Ad ogni impulso di clock sui contatori, i va-

lori deiflipJlop passano da un digit alsuccessivo se si in-

crementano, o al precedente se si decrementano.I contatori sono costruiti sulla base di flip-flop JK,

R-5, T o D e possono essere di due tipi. asincroni, o se-

(r)

Tabella con i valori che assumonoi quattro flip-flop per rappresentare i digit esadectmali

0 I 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 II 12 13 ì4 ì5

c,c"

rrrtrt

rrztzl

Contatore binario a quattro bit sincrono, con il cronogrammadegli stati dei flip-flop corrispondente all'applicazione del clock

riali, e sincroni, o parallelr. Nei sincroni tutti i flip-flopcambiano dì stato insieme, mentre negli asincroni la

commutazione di ogni flip-flop provoca il cambio di

quello seguente, cioe cambiano uno per volta. Si chia-

ma "modulo" di un contatore il numero di stadi che si

succedono sìno al conteggio completo, e il più ulilizza-to è il modulo 10.

PROGETTO DI UN CONTATOREIN CODICE 8427Come abbiamo visto, ci sono diversi tipi di contatori, ed

esistono molte forme per codificare il valore del con-

teggio. Anche se il codice binario 8421 è uno dei piu

ulilizzali, ve ne sono anche altri che utilizzano il codiceBCD.

Nel progetto di un contatore dobbiamo studiare la

sequenza secondo cui devono muoversi i flip-flop ad

ogni impulso di clock, per obbligarli ad assumere i valo-ri che desideriamo. Per forzare lo stato di un flip-flop, dì

solito si usano delle porte logiche fra l'uscita di uno el'ingresso dell'altro. Nella figura vediamo un contatorebinario 8421 da quattro fìipJlop JK sincrono, che ha gli

ingressi e le uscite collegati fra loro mediante porte

AND. Dato che il segnale del clock si applica contem-poraneamente ai quattro flip-flop, tutti cambiano si-

multaneamente. Per progettare il contatore della figurasi e seguita la regola con cui varia lo stato degli FF se-

!]@,]il!]!l]]]]]!]!..u.*,,,,,,,,,,,,...'f,#*"M*p''.x1

condo la tabella precedente. Così, ad esempio, FF I

cambia di stato ad ogni impulso di clock, e per ottene-re rhe oresto commrîi sì rolleoano nli inarpssi J e K alìvelìo logico alto. La colonna FF2 della tabella mostra

come il suo valore cambi di stato ogni due colpi di

clock, cioe quando FF1 ha livello logico alto e arriva;nulteriore impulso di clock. Per ottenere questo compor-tamento si uniscono gli ingressiJ e K dì FF2 all'uscita Q1

di FF1. FF3 cambia di stato quando FFl e FF2 sono a li-vello 1, infatti solo allora la porta AND U1 che gestisce

questa situazione applica il livello logico alto agli n-

gressi .l e K di FF3. Infine FF4 cambra di stato quandoFtl, FF2 e FF3 sono a 1 e arrìva il successivo colpo di

clock. La porta AND U2 rileva questa situazione e ob-

bliga FF4 a seguire la tabella del conteggio binario,

CONTATORI ASINCRONINella figura si mostra un contatore asincrono ascen-

dente che segue il codice 8421, e nel quale si incre-

menta il valore rappresentato dagli FF ad ogni impulso

di clock.Dato che si tratta di un contatore asincrono, l'uscita

di ogni FF fa commutare il successivo, perche le uscite

Q di ogni flip-flop sono collegate aglì ingressì del clock

del successivo. Gli ingressi J e K di ogni FF sono colle-gatì permanentemente a livello alto, quindi ad ogni

fronte di salita del clock cambiano di stato tutti i flìp-flop. ln questo modo ogni FF cambia dì stato alla meta

della frequenza a cui lo fa l'FF precedente. Nel dia-gramma dei tempi riportato sotto lo schema, si puo ve-dere romp il valore rannresentalo d,rnli FF si incrementi

di una unità ad ogni colpo di clock, sino a che tutti e

quattro siano caricati con ilvalore 1;a quel punto, si ri-

pete il ciclo. Se ogni FF ha un tempo di ritardo di 20 ns,

0 I 2 3 4 5 6 7 I 9 loil t2t3 l4t5aroa*

rrto

mzro f------l M

Contatore asincrono ascendente in codice 8421

Funzionqrnenlo e tipi di c'mi

t-r*"ontalori

Contatore asi n cron o d iscende nte

stMBoLo toclco

Diagramma logico, piedinatura e stmbolodel divisore a modulo 12, implementato con un SN7492N

il ritardo totale fra l'istante in cui si aoolica a FFl ilfron-te di discesa, e il momento in cui FF4 completa la com-mutazione, sarà di B0 ns. Questo tempo di ritardo de-

termina il periodo minimo, cioè la massima frequenza

di conteggio. Per fare in modo che rl contatore sia di-

scendente, e ad ogni impulso di clock si decrementi il

VAlOrp r^hp r:nnroqéntÀ^^ ^ri trtr L.--+- -^il^^-re l,uscitavurvrL Lr rL rupVrlJLr rLul ìU 9ll | | , UO)tO LUllEgO

Q# con l'ingresso del clock dell'FF successivo. Come si

puo vedere nel cronogramma disegnato sotto lo sche-

ma del contatore discendente asincrono, il conteggioinizia con il valore 1111 , e decrementa a 1 1

'10, 1 '101,

1 100, ecc. sino a 0000, dopodiche si ripete il ciclo.

Nella figura soprastante abbiamo lo schema inter-

no, la piedinatura e lo schema logico del circuito inte-grato SN7492N che è formato da quattro FF JK, il pri-

mo dei quali funziona come divisore per due, e gli altri

come divisore per 6, ottenendo così un drvisore per 12.

Contatori

CONTATORI STNCRONI

In questo tipo di contatori tutti gli FF

si attivano grazie ad un segnale di

clock comune, e tutti cambiano allosresso rempo.

Gli ingressi J e K di tutti gli FF so-

no collegati alle uscite Q di tutti gli FF

precedenti tramite delle porte AND,come si vede nella figura. Notate che

ogni FF commuta quando le uscite dr

quelli precedenti sono tutte a 1, per-

ché solo in quel momento gli ingressi

(il)

Contatore sincrono con riporto a 4 bit

J e K dell'FF stesso sitrovano a livello alto. Per converti-re in contatore discendente il circuito della figura, basta

collegare gli ingressi J e K di ogni FF alle uscite Q# deiprecedenti.

Dato che tutti gli FF ricevono gli impulsi di clock nel-lo stesso istante, il ritardo non si propaga in serie come

'succede nei contatori asincroni, quindi il valore del ri-

tardo non è legato al numero di FF del contatore. Se si

considera che il tempo di ritardo degli FF è di 20 ns equello delle porte logiche AND di 10 ns. il ritardo tota-le nel cambio di stato degli FF è di 30 ns, questo signi-fica che è possibile lavorare ad una frequenza massima

di 33,33 MHz.

Un'altra caratteristica molto importante dei contato-ri sincroni è che tutte le uscite cambiano in modo si-

multaneo, evitando stati di transizione intermedi, convalori non corretti delle uscite sino a che non si comoleti

la propagazione per tutti gli FF che compongono il con-tatore.

ll costo dei contatori sincroni risulta più elevato, in

quanto sono necessarie le porte AND, le quali hanno bi-sogno di un ingresso in più del numero di FF di cui di-spone il contatore.

CONTATORE SINCRONO EON RIPORTONella figura si mostra lo schema di un particolare tipo di

contatore sincrono, chiamato "con riporto", in riferi-mento alle porte AND collegate in serie di cui dispone.In questo caso il ritardo di propagazione delle porteAND è cumulativo, e riduce la frequenza dr Iavoro.

CONTATORE BEDSi tratta di un contatore molto pratico, che realizza il

conteggio in decimale: il codice BCD (Decimale Codifi-

Contatore sincrono ascendente da 7 biL.

cato in Binario). a differenza dei con-tatori binari puri, visti in precedenza.

lulilizzo del codice BCD è molto co-mune, dato che nella vita quotidiana

il sistema decìmale è quello più utiliz-zato. Ha solo 10 stati, dallo 0 al 9, in-vece dei 16 che ha il binario puro a 4bit. ll conteggio e il valore degli FF nel

contatore BCD, è identico a quellodel binario puro, perÒ con il decimocolpo di clock ritorna a 0. In pratica,quando arriva a 9 (1001) e arriva il

successivo colpo di clock, passa a 0

Gentglerl elncroni

40010:

!'@ :5r0r0

6 b'-r" r"oóUtlilj7 *_1 .! - t ' O

Contatore BCD sincrono.

(0000), invece di passare al digit A (1010) come succe-

de nei contatori binari puri.

Per ottenere il passaggio da 1001 a 0000, dobbia-

mo realizzare alcune connessioni speciali fra gli FF del

contatore binario. Nella figura è riportato lo schema di

un contatore BCD sincrono, oltre aìla tabella di conteg-gio con i valori che assumono i suoi 4 FF.

La strategia seguita nello schema della figura per

passare da 1001 a 0000 e la seguente: per mantenere

La tecnica abituale per la costruzìone di un contato-re di modulo N, consiste nell'assemblare assieme vari

contatori, in modo che il prodotto dei loro moduli coin-

cida con il valore del modulo che cerchiamo.

Ad esempio: un contatore di modulo 12 puo essere

costruito utilizzandone uno di modulo 2 e uno di mo-

dulo 6, o uno di modulo 3 con uno di modulo 4. Nella

figura sono rappresentatitre contatori base, con moduli

3,5e7.FF2 à zero nel decimo colpo di clock,

l'uscita Q# di FF4 si collega all'ingres-

so della AND U1, in questo istante

Q# = 0 in FF4 e J e K di FF2 rtcevono

un livello basso, per cui l'uscita non

può passare a livello alto. Per fare inmodo che FF4 passi a 0 nel decimo

clock, si collega la Q di FF1 con la Kdi FF4, in questo modo l'ingresso K

passa alternativamente da alto a bas-

so, e FF4 si mantiene nello stato 0.

Per passare dallo stato 7 allo stato 8si utilizza la porta AND U3, che rileva

quando l'uscita dei primì 3 FF vale '1.

CONTATORI IN MODULO N

Si dice che un contatore è di moduloN quando ha N stati differenti. Ad

esempio un contatore con 4 FF puo

assumere 16 stati differenti, se utiliz-za il codice binario puro, però se si

introduce della logica ausiliaria puo

essere ridotto a 10, come succede

con il contatore BCD.

Gonlatori sincroni

34

CONTEGGI0 FFI Fr2 FF3

Contatori sincroni di modulo 3, 5 e 7 con le loro rispettive tabelle di conteggio.

Memorie

TIMPORTANZA DI RICORDARELe memorie sono circuiti integrati digitali capaci di con-tenere informazione binaria; qualsiasi sistema digitaleche debba contenere dati, programmi, o informazionidi qualsiasi tipo, necessita di memoria. A fronte dellacrescente necessità di memorizzare quantità di datisempre maggiori, sono state sviluppate memorie con

maggiori capacità e maggiori densità. Una delle piu dif-fuse applicazioni delle memorie è nei PC, nei quali co-stituiscono un parametro fondamentale. per determi-narne la caoacità ooerativa.

Le memorie integrate nei microprocessori memoriz-zano iprogrammi e idati. Sia iprogrammi che idati si

memorizzano come insiemi di bit, per questo l'elemen-to fondamentale della memoria è l'elemento della cella

che contiene il bit.Per memorizzare l'informazione binaria, inizialmen-

te furono utilizzate le schede perforate: a seconda chela posizione contenesse o meno il foro, il bit assumeva

uno dei suoi due possibili valori. In seguito furono uti-lizzali i relé elettromagnetici, la loro attivazione o disat-tivazione ne determinava il valore binario. Con l'awen-to dell'elettronica, le celle di memoria furono imple-

(r)

mentate con le

valvole a vuoto.ln <onrritn qi rrti-

lizzarono anchele bande ma-gnetiche, itam-buri,inastri eidischi magneti-ci. Noi ci occu-peremo dr me-morre a semi-aÒnr.l rrfforocontenute neicirctriti intonr:-

ti, dato che so-nn

^rollo r(:fo

comunemente in

la costruzione di

ll rele fu uno dei primi dispositivi utilizzatiper memorizzare l' informazione digitale.

microrobotica e che utilizzeremo per

Monty.

STRUTTURA INTERNAIn generale possiamo dire che una memoria è un insie-

me di registri, ognuno dei quali contiene diversi bit.Ogni registro è una posizione della memoria che corri-

sponde ad un indirizzo che la identifi--- rl^^i ,,^l+- -t ^ -; l,ca. ugnr vorra cne sr regge o sr scflve

una memoria. si legge o si scrive unodei suoi registri; i bit che determinano

tNDtRtzzo CONTENUTO

o0000toloottr0oItrlt0II I

ffilKt*o*offiXt*o*,ffilnllxx,arou,Wffi*,o*"9ffiffi,e*o,o,ffiffii,o*o*,ffiffi,o*o*uffiKi,xo*,

Struttura di una memoria formatada otto posizioni da quattro bit cadauna

Le memorie sono un chiaroesempio di circuiti integrati ad alta scala di tntegrazione

Lcr rnemorizzcrzione delle informrnienl disifali

la lunghezza del registro stabiliscono di conseguenza

anche la parola di lavoro della memoria, dato che que-

sta è la quantità di bit che viene trasferita ad ogni ac-

cesso. Nella figura è riportata una memoria formata da

otto registri da quattro bit ciascuno.

CAPACITÀE chiamata capacità di una memoria il numero di bitche questa può contenere, che corrisponde sempre ad

una potenza del 2.

Ouesta caratterìstica si evidenzia dal fatto che l'indi-rizzo di una posizione di memoria è dato da un insieme

dì n bit. il che fa sì che il numero di indirizzi di questa

memoria sìa la potenza n di base 2.

La capacità si ottiene moltiplicando il numero di in-

duizzi per i bit che contengono ognuno. Ad esempio,

una memoria da 1024induizzi da 8 bit ha una capacità

di 1 K byte.

CARATTERISTICHE DELLE MEMORIEOltre alla capacità. le memorie si classificano anche in

funzione di altri parametri fondamentali, come il "tem-no di erresso" e la "durata dell'informazione".ll tempo di accesso e quello impiegato per realizzare

una operazione di ìettura della memoria; normalmentesi mìsura in nanosecondi (ns) e il suo simbolo è tACC.

Serve per esprimere la velocità di funzionamento della

memoria, dato che indica il tempo che trascorre fra l'i-stante in cui si posiziona l'indirizzo all'ingresso e ìl mo-

mento in cui appare l'informazione sull'uscita. Una del-

le classificazioni delle memorie, fa riferimento al modoin cui trattano l'informazione al loro interno, possiamo

distinguere le seguenti classi:

- Memorie permanenti: contengono sempre la

stessa informazione e non si possono cancellare. Sono

memorie di sola lettura.- Memorie volatili: perdono l'informazione che

hanno memorizzato quando si interrompe l'alimenta-zione. Sono memorìe di lettura e scrittura.

- Memorie non volatili: mantengono ì'informazio-ne che è stata depositata in esse precedentemente, an-

che se viene a mancare l'aìimentazione. Sono di lettura

e scrittura, dato che si possono scrivere e ìeggere.

- Memorie a lettura distruttiva: la lettura di que-

ste memorie implica la distruzione delle informazioniche contenevano.

- Memorie a rinfresco: l'informazione dura solo un

tempo determinato. Per fare in modo che non sparisca

la dobbiamo rinfrescare periodicamente.

Lei mem otlzzglzionG délle lnlormeizlonl dlgircll

Struttura interna e segnaltdi ingresso e uscita di una memoria da B indirizzi da B bÌt

MEMORIE A SEMICONDUTTOREQuesto tipo di memoria è quello che si utilizza attual-

mente a carattere universale, come memoria principale

dei sistemi digitali basati sui microcontroller e micropro-

cessori. Nella figura si mostra uno schema deììa struttu-ra interna di una memoria da 8 indirizzi da B bit cadau-

no. Per selezionare la posizione a cui accedere, si utiliz-

za un indìrizzo di tre bit che si invia tramite il bus degli

indirizzi. ll decodificatore interno a 3 ingressi e B uscite

attiva la posizione induizzala, che viene letta o scritta a

seconda del segnale di controllo RAIV#. Quando si rea-

lizza una lettura, gli B bit di informazione contenuti in

ouesta oosizione escono tramìte il bus dei dati. ln caso

di scrittura, l'informazione binaria presente sulla linea

del bus dei dati è scritta nella posizione scelta.

ll segnale E (Enable) e quello del permesso di fun-zionamento della memorìa e CS (Selezrone del Chip)

abilita o disabilìta il funzionamento qenerale del circui-

to integrato.Nella figura è riportata la struttura semplificata di

una memoria da 1 K posizioni da 8 bit cadauna.

al(D0-D4

BUS DEI DATI

Schema semplificatodella struttura interna di una memoria da 1 K x B bìt

Memorie

CLASSIFICAZIONE DELLE MEMORIHA SEMICONDUTTORETutte le memorie fabbricate con semiconduttori sonodette ad "accesso casuale" perché si puo accedere a

qualsiasi posizione in modo diretto, basta collocare il

suo indirizzo sul bus corrispondente. Possiamo fare unaprima classificazione principale dividendo le memorie indue grandi gruppi: ROM e RAM.

RoM (READ oNLY MEMoRY)Sono memorie di sola lettura. i dati si scrivono durante il

processo dr fabbricazione, o con un processo indipen-dente, in seguito potranno solo essere letti. Sono me-morie non volatili, perché anche se manca l'alimentazio-ne non perdono l'informazione memorizzata. Sono com-poste da celle molto semplici, basate su di un diodo o su

di un transistor. come si può vedere nella figura. Se si rea-lizza la connessione programmabile, la cella assume unvalore 1. in caso contrario uno 0.

(il)

Cella di una memoria ROMcon un transistor e con un diodo

lettura e scrittura.Sono volatili,rinÀ norrJnnn

I'inf o rmazionememortzzalanelle loro cellequando si togliel'alimentazione.Le celle sonoimplementatesulla base di

transistor bipo-lari o MOS, per-

ché questi ultimioccupano meno-,,^^.+i-t^ | -)upcr ilLrc. Ló

cella bipolarebase consiste inun bistabile condue transistor,

RAM (RANDoM ACCESS MEMoRY)Sono memorie ad accesso casuale. di

o,5v

Cella di una memoria SRAM bipolare.

f1 eT2, che funzionano con stati opposti, in modo damemorizzare un 1 o uno 0 a seconda del transistor che

conouce.

TIPI DT MEMORIE ROMA seconda delle caratteristiche costruttive le memorieROM si dividono nei seguenti tipi:

- ROM con maschera: i dati sono scritti durante il

processo difabbricazione e non possono più essere mo-dificati. Questo tipo di memorie è interessante per le

produzioni in grande serie, superiori alle 10.000 unità.dove i processi di scrittura sarebbero molto laboriosi.

- PROM o ROM programmabili: sono memorie di

La finestra di cristallo della EPROM permettedi cancellare il suo contenuto mediante raqqi ultravioletti.

l/lemorio s remicondu*iors

sola ìettura, ìn cui la scrittura delle informazioni è rea-

lizzata dall' utente uti I izzan do u no scrittore control I ato

da un PC. Quando la serie da produrre è medio-picco-

la. questo tipo di memoria può essere una buona solu-

zione.- EPROM o ROM riprogrammabili: sono memorie

non volatili che possono essere scritte dall'utente e, se

lo desidera, anche cancellate. ll circuito integrato dispo-

ne di una finestra di cristalìo nella parte superiore del

contenitore, come si può vedere dalla figura. La cancel-

lazione delle informazioni si ottiene sottomettendo il

chip della EPROM per alcuni minuti a raggi ultravioletti- EEPROM e FLASH: sono memorie di lettura e

scrittura, non volatili, scrivibìli e cancellabìli elettrica-

mente daìl'utente. Questo evita il noioso lavoro della

cancellazione con raggi ultravioletti.

Questi tipi di memoria sono uiilizzati daì PlC16F84',

per la memorìa di programma usa una FLASH da 1 Kparole da 14 bit ognuna, e per memorizzare i dati inmodo non volatile uttltzza una EEPROM da 64 indirizzi

da B bit cadauno.

Le celle della EEPROM sono complesse, il che limita

la loro densità dì integrazione, inoltre sono care. Le cel-

le della memoria FLASH sono più simiìi a quelle della

EPROM, per cui permettono di ottenere maggiori den-

sità con orezzi più ridotti.

TIPI DI MEMORIE RAMA seconda del tipo di cella da cui sono costìtuite, le me-

morie RAM si classificano in "statiche" e "dinamiche",

inoltre in base aìla tecnologia di fabbricazione si suddi-

vidono in "bìpolari" e "MOS".La lettura non è distruttiva e l'informazione rimane

inalterata nella

cella. ll loro prin-

cipale problema

è la volatilità,anche se uìtima-mente stannoarrivando sul

mercato modelli

di RAM non vo-

latili, che impie-gano una minu-scola batteria in-

tegrata nel contenitore.Le celle della RAM statica possono utllizzare transi-

stor bipolari o MOS, con preferenza verso questi ultimiperché permettono una maggiore densità di integrazio-

ne, sono più economici e consumano meno potenza.

Nella figura è riportata una RAM statica da quattro in-

dinzzi da due bit ognuno. Le linee degli indirizzi A0 eA1 e le porte ANDl -AND4 determinano la cella a cui

T

tDEe---1l--:--lttT

l::i::: có!

rwE +

Cella DRAM con tre transistor MOS.

accedere. fuscita AND8 ha funzione di

clock per FF31 e tF32, i qualì si caricano

del dato che ricevono dagli ingressi l'l e l2

risoettivamente.Le memorie RAM dinamiche, o

DRAM, sono basate su celle elementari,

che consistono in un condensatore, il cui

livello di carìca rappresenta il livello logìco

memorizzato. L'inconveniente di queste

celle così semplici, è costituito dalla perdi-

ta del condensatore che ha bisogno di es-

sere ricaricato, o "rinfrescato". ogni dato

tempo; sitratta appunto del ciclo di rinfre-

sco di cui necessitano costantemente que-

ste celle, da cui deriva anche il nome di di-

namiche. Nella figura si presenta una cella

dinamica implementata con tre transistor.

La capacità C corrisponde al livello di ten-

sione suì transistor T2 rìspetto alla massa.

Si puo accedere a C da due percorsi diffe-

renti, a seconda che si voglìa leggere o

scrivere la cella. L'operazione dì lettura è

controllata da T1 e la scrittura da T3.

IAEIIMONÉ DEUUsCIAI

Struttura interna di una RAM statica da quattro indirizzi da due bit ognuno

ffi,ffi

tlenrorle rr témitondultore

Logica programmabile

CIRCUITI INTEGRATI DIGITALI5U MISURA

ll progresso tecnologico aumenta costantemente il nu-mero dei milioni di transistor che si possono inserire al-l'interno di un chip, un esempio su tutti: i microproces-sori Pentium contengono diverse decine di milioni ditransrstor.

Approfittando di questa possibilità, alcuni fabbri-canti di circuiti integrati hanno pensato di inserire nelchip diverse quantità di blocchi digitali differenti, che si

possano interconnettere in modo flessibile, per genera-re schemi che risolvano le specifiche dei progetti. Se-guendo questa filosofia costruttiva, sono stati presenta-

ti sul mercato un'infinità di prodotti che permettono diconfigurare un sistema digitale, in base alle connessio-ni programmabili dei dispositivi base contenuti in uncircuito integrato. Questa tecnica si chiama logica pro-grammabile.' I circuiti predefiniti o "gate array" (matrici di porte)contengono centinaia di celle elementari a livello di por-te (AND, OR e NOT) i cui collegamenti possono essereprogrammati dall'utente. Le PAL, brevettate dalla dittaAdvance Micro Devices Ltd., e le GAL, di Lattice Semi-

La rottura dei fusibili confiqura la interconnessione fra le celle.

conductor. sono prodotti molto popolari. che riportiamoin figura.

Esistono anche circuiti logici programmabili di mag-giore complessità che contengono celle a livello di regi-stri, sommatori, contatori, amplificatori di ingresso e

uscita ecc. lnfine i compilatori di silicio gestiscono database in cui sono memorizzate le descrizioni geometrichedi una moltitudine di celle. ll compilatore genera la de-scrizione geometrica (layout) del blocco finale, gover-nando le routines che scrivono i parametri dei dispositivi.

Aspetto di due circuiti integrati programmabili tipo PAL

LE PALAttualmente esiste sul mercato mon-diale una grande varietà di circuiti logi-ci programmabili. In generale si può di-re che al loro interno ci sono numeroseporte AND, i cur ingressi, se necessario,possono essere negati mediante porteNOL e le cui uscite si possono collega-re a un altro grande insieme di porteOR. L'interconnessione fra gli ingressi ele uscite si realizza mediante fusibili chepossono essere bruciati, per interrom-pere i collegamenti indesiderati. comemostrato nella figura.

ESEMPTOSupponiamo dr voìer implementare un

sistema digitale di tipo combinaziona-

Circuiti inteqrqli proqrnmmsbill

Risoluzione dell'equazione logica con Ie porte digitalicommerciali.

-FUSlBltEROTTO

M

USCITA VAI.IDA

Quando I'utilizzatore fonde i fusibili indicatL si ottiene all'uscitaM della porta OR I'uscita digitale dell'equazione proposta.

le, che risponda alla seguente equazione:

M=A.B.C#+A#.B.C+A.B#.C

Lo schema logico che si offre in figura, risolve l'equa-

zione con porte convenzionali: tre porte NOT, tre AND

e una oR.Utilizzando una PAL si selezionano tre linee di in-

gresso: A, B e C, che si possono applicare in modo di-

retto oppure negato, all'ingresso di tre porte AND. Por-

tando le uscite di queste ultime in una porta OR, si con-

fìgura il circuito adatto a risolvere l'equazione. Dobbia-

mo rompere o bruciare i fusibili adeguati, per poter

adattare la PAL all'equazione proposta.

NOMENCTATURA E GESTTONE NELLE PALLe lettere e i numeri di una PAL 2018, hanno i seguenti

significati: le lettere PAL designano il costruttore, il nu-

mero 20 determina il numero di ingressi, la L significa

che il livello logico attivo per le uscite è quello basso, e

infine il numero 8 indica il numero di uscite. La difficoltà

Clr*ultl lnlesreill progrclmmcblll

nell'utilizzo delle PAL è insita nella procedura di brucratu-

ra der fusibili, owero, neìla loro programmazione. Per

realizzare questo processo, i fabbricanti utiìizzano un

software e un programmatore di PAL che si colìega alla

porta del PC. La PAL si installa sopra lo zoccolo del pro-

grammatore e con il software di sviluppo si introduce I'e-

quazione logica, bruciando i fusibili in modo che la PAL

risponda alla suddetta equazione.

Oltre ad impìementare il circuito combinazionale, che ri-

chiede l'uso di molte porte logiche, sono anche impiega-

te nella costruzione di automi e nella sostituzione dt me-

morie tipo ROM, aggiungendo al sistema maggìor sicu-

rezza conlro le cooie.

LE GALSono simili alle PAL, però hanno il vantaggio che si pos-

sono scrivere, cancellare e riprogrammare. Hanno una

forte diffusione nel progetto elettronico. Le ìoro uscite

possono essere programmate per scegliere il livello atti-vo. Le uscite sono composte da macrocelle logiche, al

cui interno è prodotta la funzione OR. per ottenere la

somma dei prodotti così come aweniva con le PAL.

Questa caratteristica le rende molto adatte all'imple-

mentazione di circuiti sequenziali. Per completare que-

sta panoramica sulla logtca programmabile, si espongo-

no i quattro vantaggi principali che essa apporta:

1'. Semplificazione del progetto, basta introdurre

I'eouazione da risolvere.

2". Mantiene le stesse prestazioni e le caratteristi-

che della logica convenzionale.

3'. Riduzione della superficie del PCB e della mano-

oooera.4". Aumento della sicurezza e dell'affidabilità.

I circuiti logici programmabilisono il cuore dei moderni sistemi elettronici.

Am p lifi catori opera zionali (I)

UN PO' DI STORIAllamplificatore operazionale, il cui simbolo è O.A. (Ope-

rational Ampìifier), è uno dei dispositivi più utilizzati in

elettron rca.

Lo sviluppo di questi amplificatori inizio negli anni

60, i primi modelli erano costruiti con componenti di-

screti, quando ancora si utilizzavano le valvole a vuoto.Erano applicati soprattutto nella soluzione di operazio-

ni matematiche, per questo ricevettero il nome di "ope-

razionali" . Con essi si fabbricavano calcolatrici che non

assomigliavano per nulla a quelle attuali. Più avanti gli

O.A. furono costruitr con transistor e dopo in forma di

circuiti integrati, come si può vedere nella figura. La lo-

ro prìncipale caratteristica, che li rende indispensabili in

molti progetti, è Ia facilità nello stabilirne il guadagno.

Hanno un ampio margine dì tensione di alimentazione

e ne esiste una grande varietà di modelli.

AM PLIF'TCATCI RE DIFFTRTNZIALEE iì crrcuito base su cui sono implementati gli O.A. ed èformato da due transistor identici, polarizzati con la

stessa tensione, che funzionano in parallelo, cosl come

si puo vedere nello schema della figura. Dato che il

Presentazione comune di un O.A. in forma di circuito integrato.

Vu<ib= Vcl- Vc2

11 12

REr RÉ2

Schema base dell'amplificatore differenziale

,tk rk

t;I t-sVIîît:+sV- USCITA ^+s\

î1 f2

Rrr RE2

Rr R2

Quando il segnale dei due ingressi e ugualee la regolazione del potenziometro pareggia le correnttnei due transistor, la tensione di uscita è zero.

montaggio èsìmmetrico,f1 =T2, RC1 = RE1 = RE2 e

RB1 =R82, se le basì dei due transistor ricevono lo stes-

so segnale, le correnti che attraversano i due transistorsaranno identiche, anche se a causa della tolleranza esi-

ste una piccola differenza. Per ottenere la perfetta

uguaglianza tra le due correnti si utilizza un potenzio-

metro che bilancìa la resistenza di emettitore, ottenen-do di eguagliare la tensione sui connettori, in modo che

la tensione di uscita dell'amplificatore differenziale, che

è uguale alla differenza di tensione fra i collettori, sia

Inlroduzione rigli ermplificntori opereziolrclli

nulla, come si può vedere nella fi-gura. Dopo aver effettuato la rego-lazione dell'amplificatore, se esiste

una differenza di tensione tra i dueingressi si squilibrano le correnti, e

appare un segnale sull'uscita che èun'amplificazione della differenzafra le due basi.

Un O.A. è un amplìficatore dif-

+Vcc

Vcut

OUTPUT

OFFSET

Piedinatura del O.A. 1M741 a otto piedini

l'ingresso invertente, mentre l'altroha segno + ed è quello dell'ingres-so non invertente. ll segnale intro-dotto tramite il terminale - esce

amplificato ma invertito.

rO.A. IDEALEAnche se l'O.A. ideale non esiste, inpratrca si ulilizza per calcolare i para-

metri dell'O.A. reale. Quello ideale ha

un guadagno infinito, anche se quelli reali arrivano a fattoridi centomila. L'impedenza di ingresso è infinita e quella di

uscita nulla. Ha la capacità di amplificare i segnali le cui fre-quenze vanno da 0 all'infinito. La tensione di offset è nulla,

ossia, la tensione di uscita è zero quando non c'è differenza

fra i segnali di ingresso. L'O.A. lavora con due tensioni DCV

uguali, pero di diverso segno, per questo quando abbiamouna piccola differenza di tensione sui suoi ingressi l'uscita

sarà la massima DCV e ìl segno dipenderà dal più alto degli

ingressi. Per controllare il guadagno dell'O.A. si pone una re-

sistenza Rr di retroazione fra I'uscita e l'inqresso come mo-strato nella figura.

Una piccola differenza di tensione sugli ingressi dell'O.A. idealeporta Ia sua uscita alla massima tensione di alimentazione.

GUADAGNO

^ Vs -R."= vrN = R"

Vs

ll guadagno dell'O.A. reale dipendedai valori della resistenza del circuito, secondo la formula.

La differenza di tensione sugli ingressip rov()ta u n seg n a I e p ro po rz i o n a le a m p I if i cato s u I I' u scita

ferenziale con diversi

stadi amplificatori e

circuiti complemen-tari, che risponde a

V0=A(VA-VB),es-sendo A il guada-gno, o fattore di am-plrficazione.

SCHEMA DEICOLLEGAMENTIll simbolo dell'O.A. èun triangolo con tre

terminali, due rappresentano gli ingressi e uno l'uscita.

Questo non significa che un O.A. disponga solo di trepiedini di collegamento più le alimentazioni. Come si

può vedere nella struttura interna dell'1M741. un clas-

sico, esistono anche terminali per la compensazione infrequenza della resistenza, e una rete di compensazio-ne della tensione continua che può essere all'ingressoo all'uscita. Per quanto riguarda i due terminali di in-gresso. sono diversi. Uno ha segno - e corrisponde al-

P anhra<èntazí^nè

del comportamento del O.A.

rk tk

|;I F"I-T- --r-tl_ usctTA -+ Vs=lV -

Vn

Ve

lntroduzione ogli ermplifirnlori operqzionqli

Am plifi catori op eÍazionali

AM PLIFICATORE INVERTENTEE NON INVERTENTEll comportamento e il guadagno degli O.A., sono de-terminati dal circuito di retroazione esistente tra l'uscitae l'rngresso. Nella figura è mostrato un amplificatore in-vertente in cui la tensione di ingresso VA, è applicata al-l'ingresso "-". ll valore A dell'amplificazione dipendedaivalori delle resistenze RA e RB, e il segno "-" che ap-pare nella formula della fiqura siqnifica che la tensione

C i rcu ito a m p I if i cato re i nverten tein cui si presenta il valore dell'amplificazione

Amplificatore non invertentecon il valore del guadagno

(il)

di uscita è invertita o sfasata di 180" rispetto quella del-l'ingresso. Nell'amplificatore non invertente, il segnaledi ingresso è applicato all'ingresso positivo "+" e l'usci-ta mantiene polarità e fase dell'ingresso. ll valore del-l'amolificazione dioende dai valori delle resistenze del

circuito di retroazione.

OPERAZIONI CON GLI O.A.Dato che il guadagno degli O.A. dipende dal circuitodi retroazione posto tra l'uscita e l'ingresso. variandola retroazione possiamo dedurre che rl segnale di

uscita è funzione di quello dell'ingresso, e corrispon-de ad un'operazione matematica. In seguito descri-Vefemo diVefSi SChemi nor ^ttonora lo v:rio OpefaZiO-

ni matematiche.

Er

Ez

L'O.A. come sommatore invertente.

Schema di un O.A.che sta funzionando come sommatore non invertente

lz

Gircuiti berse desli O.A.

SOMMATORE INVERTENTEE NON INVERTENTEIn questo caso il segnale di uscita è la somma dei se-

gnali applicati in parallelo agli ingressi "-", tramite del-

le resistenze, come possiamo vedere nella figura. Nel

circuito sommatore della figura se R = 11 = r2, la ten-sione di uscita è la somma delle tensioni di ingresso, ma

invertita: Vs = - (E1 + E2). Nella figura è rappresentata

la variante del sommatore in cui i segnali di ingresso so-

no applicati al prn "+" che produce Vs = E1 + E2 nelca-soincui R=11 -12-r.

CIRCUITO SOTTRATTORELo schema della figura serve per realizzare la sottrazio-ne dei segnali applicati all'ingresso. Nel caso in cuiD^ - D _ r2 - rA - r) = r1 risulterà cheVs = E3 + E4_f \P - l\ - tJ - ta - tL

(E1 + E2).

Er

E

E

E

Schema di un O.A. in funzione di sottrattore

l"

Vr=Vsr

L'O.A. in un circuito che realizza la funzione loqaritmica.

CIRCUITO LOGARITMICOPer la realizzazione di moltiplicazioni, divisioni e poten-

ze, si uliltzza la funzione logaritmica. Anch'essa si puo

imolementare tramite un O.A. Se si utilizza come anel-

ìo di retroazione la giunzione di un collettore/emettito-re di un transistor in configurazione di base comune,

come quello mostrato nella fìgura, la risposta non li-

neare della giunzione N-P si approssima alla risposta Io-

garitmica quasi perfetta per la relazione tensione/cor-rente e si ottiene Vs = VBE = -0,06 loq Ve + K, essendo

K una costante.

CIRCUITO INTEGRATORE E DERIVATORETenendo presente le formule che stabiliscono la carica e

la scarica di un condensatore, mediante un O.A., pos-

siamo implementare la funzione integrale del segnale di

ingresso moltiplicato per una costante - (1 / R.C), come

si vede nella figura. Cambiando la posizione del con-

densatore si ottiene un circuito derivatore, in cui la ten-sione di uscita è la derivata rispetto al tempo del se-

gnale di ingresso moltiplicato per la costante - R.C.

Circuito integratore basato su di un O.A

Circuito differenziatore basato su di un O.A.

Differe nze fra microcontrollere mtcroprocessorl

n aaìmnrrtor À rrn <ic+^L urr JrJLE-

^li^;+-l^ dir ro ur9rLqrE LoPoLE

processare programmicostruiti con un insiemedi istruzioni appropriato,

e di ricevere e trasmettere l'infor-mazione, da elaborare ed elabora-+r :lla nari{arirho di innra<<n oLO, OilE PEtIgttLItE Ur ilryrC))V C

uscita. Per assolvere a questocnmnitn si romnonp di tre blocchifondamentali riportati nella figurae che sono: processore o CPU,

memoria e moduli di ingressi e

uscrte. I microcontroller sono cir-

cuiti integrati che contengono tut-ti i componenti del computer. Ba-

sta caricarli con il programma dil:rrnrn o rnllon.aro lo noriforirha!v"vyv'

'agli l/O perché diventino operativi;ovvramente saranno necessan sra

l'alimentazione sia la frequenza di

funzionamento adeguata, come si

MICROCONTROTTER

All'interno di un microcontrollerci sono tutti i blocchi del computer.

CPU, che ha il compito di inter-pretare le istruzioni del program-ma ed eseorirp le onerazioni chene derivano, ricevendo i dati chefunzionano come operandi e for-nendo irisultati. Per questo, da

solo il microprocessore non e ope-rativo, ha bisogno di essere colle-gato alla memoria con le istruzio-ni e idati, e ai moduli di l/O. lpie-dini di un microprocessore, a par-

te la funzione di alimentazione erloll: {ronrronzr di l:,-- -,,JVOrO, COrfl-

snondono ron lp linee dei bus di

comunicazione fra i differentiblocchi. Abbiamo tre bus, quellodonli indirizzi rhp fnrnisce l'indi-rizzo della posizione a cui accede-re nella memoria, o nei moduli di

l/O; il bus dei dati e delle istruzio-ni, che trasporta i dati o le istru-zioni; il bus di controllo, che con-

nrrn riadoro nolln <rhom: doll: f inr rre I ln, mrcropro-cessore e un circuito integrato che contiene la partenir'r imoortante del comnrter rioe il nrocessore o

I blocchi fondamentali del computer sono: processore (CPU),

memoila delle istruzioni e dati. moduli di inoressi e uscife.

MICROPROCESSORE

BU5 DEGLI INDIRIZZI

BU5 DI CONTROITO

BUS DEI DATI

tiene i segnali che governano le operazionr da realiz-zare in ogni momento, come si vede nella rappresen-+--;^^^ ^.^+i-^ ...1^ll- {razrone grarca oeila Igura.

ll microprocessore contiene solo la CPU, e i suoi piedini supportanoi bus di comunicazione con i restanti blocchi del computer

PROCESSORE (CPU)MEMORIAffiilfl+f#.{:#Elrrulis-Íru:grelll

ffiPERIFERICHE

DI INGRESSO

PERIFERICHEDI USCITA

BUs DI

COMUNICAZIONE

lfiicropro€eisori e nricro(onlroller

SOTTOSISTEMI APERTIE CHIUSISi dice che un sistema computerizza-to, costruito attorno ad un mìcro-

controllore e "chiuso", perche in un

solo circuito integrato sono contenu-ti tutti glr elementi, e non è facil-mente espandibile. ll PIC'l6FB4 pos-

siede tutti i componenti di un com-

Ptc I óF84

PERIFERICHE PERIFERICHE

LJn sistema basato su un microprocessore si chiama aperto, perchéla sua configurazione è flessibile, a seconda degli elementi che si collegano ai suoi bus.

Un computer basato su un

microcontroller, si dice che è un sistemarhít rca nerrha tt tÌta lF <t te

ca ratteristiche so no stabi I ite dal costruttore

nr rÌór anmo o

rappresentatonella figura,pero "molto li-mitati". Se fos-

se necessarìa

più memoria o più linee di l/O sarebbe consigliabile sce-

gliere un altro modeìlo di PlC. Quando si costruisce un

sistema basato su un microprocessore, bisogna anche

definire la memoria dei dati, quella delle istruzioni, i

moduli di l/O e le risorse ausiliarie; si puo configurare la

struttura di cui si ha bisogno collegando ai bus gli ele-

menti necessari. Solo la dimensione deì bus limtta ta ca-

pacità massima della memoria. Così. ad esempio, se il

bus degli induizzi di un microprocessore è di 10 Iinee, ìl

maggior numero di elementi di memoria che può esse-

re controllato sarà di 1 .024. Se il bus deì dati è di 8 li-nee, ogni trasferimento sarà di un byte.

QUANDO SI UsA UN MICROPROCESSOREO UN MICROCONTROLLER?Un microcontroller è progettato per essere incorporatoaìl'interno del prodotto che andrà a governare. ln esso

viene scritto il programma relatìvo al compìto da realiz-

zare. che sara sempre lo stesso. ll suo massimo rendi-

mento si ottrene quando contiene tutti gli elementi ne-

cessari. ll telefono cellulare, il mouse del computer o il

controllo dei freni ABS delle autovetture, sono esempi

rappresentativi delle applicazioni con microcontroller.

Un sistema basato su microprocessore è composto da

diversi circuiti integrati in grado di comunicare fra loro,ed e facilmente esnandihilp I e srre canacita si adattano|,L' ìrL LJVVI

all'applicazione, collegando i circuiti adeguati che con-

tengono memoria e l/O ai bus. Sono sistemi piu cari, oc-

cupano più spazio e hanno bisogno di più manodope-ra, però la loro potenza si adatta ai cambiamenti e alle

esigenze delle applicazioni.

lnsieme di circuiti integrati che configuranot tn .^m^t ttar A:c:in <r r

un microprocessore B0B5 con EEPROM, RAM e moduli di l/O

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