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SisElnD2ddc 1/7/2004

2003 DDC 1

7-Jan-04 - 1 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ

Ingegneria dell’Informazione

Modulo

SISTEMI ELETTRONICI

D - Versione IVREA - AA 2003-04D2 - Interfacciamento elettrico e famiglie logiche

- stadi di uscita

- famiglie logiche


2003 DDC 2


Obiettivi del gruppo di lezioni D

• Moduli digitali– Caratteristiche elettriche di un circuito digitale

(alimentazione, tensioni e correnti di ingresso e uscita)– Comportamento dinamico dei dispositivi logici

(tempi di salita e discesa, tempi di propagazione)– Interfaccia tra dispositivi logici di diverso tipo

(stadi di uscita, compatibilità, fan-out)– Famiglie logiche

• Interfacciamento tra mondo analogico e digitale– Da segnale analogico a digitale (a singolo bit)– Comparatori di soglia senza e con isteresi


2003 DDC 3


Contenuti di questa lezione (D2)

• Stadi di uscita– totem pole– collettore aperto– three-state

• Famiglie logiche– serie 74

• Esempi di interfacciamento– verifica di compatibilità statica– calcolo resistenza di pull-up

• Riferimenti nel testo:– Jaeger: 7.5/6/8/9; 8.5/6/9; 10.7


2003 DDC 4


Circuito di uscita

• L’uscita di un circuito logicobinario può essere vistacome un deviatoretra VAL e massa.

• Stato H:– tensione di uscita

prossima a VAL

• Stato L:– tensione di uscita

prossima a GND

VO

VAL

GND

circuito equivalente semplificato

H

L


2003 DDC 5


Circuito equivalente Totem Pole

• Il deviatore è realizzatocon due interruttoria comando complementare

• Stato H– SWH chiuso, SWL aperto

• Stato L– SWL chiuso, SWH aperto

GND

circuito equivalente semplificato

VO

VAL

SWH

SWL


2003 DDC 6


Parametri elettrici di uscita Totem Pole

• Già definiti nella D1 per una uscita logica:– tensioni: VOL, VOH, correnti: IOL, IOH


2003 DDC 7


VO

VAL

GND

Collegamento tra più uscite

• Se le due uscite sono in statiopposti, scorre corrente traVal e GND

• Le Ro sono basse

• La corrente può essereanche alta !

• COLLISIONE

• Distruzione del dispositivo per eccessiva dissipazione


2003 DDC 8


STADI DI USCITA 4

Perché si devono collegare più uscitelogiche insieme?

Per realizzare funzioni logiche “cablate” senzausare dispositivi fisici (WIRED - OR logic)

Per avere sistemi modulari in cui non è noto apriori il numero di dispositivi logici connessi (adesempio il numero di schede collegate sul bus di unPC)

OCCORRE USARE STADI DI USCITACHE PERMETTANO LA CONNESSIONE

DIRETTA DELLE USCITE


2003 DDC 9


STADI DI USCITA 5

STADIO DI USCITA THREE-STATE

Concettualmente è simile al TOTEM-POLE, solo che il deviatore è a treposizioni, permettendo anche laconnessione ad un terzo morsetto nonconnesso

Val

Gnd

OutÈ il cosiddetto TERZO STATO o stato diALTA IMPEDENZA (Z) in cui ildispositivo NON pilota l’uscita mapresenta un’impedenza d’uscitaELEVATISSIMA (HIGH Z)


2003 DDC 10


Circuito equivalente Three-State

• L’uscita a tre stati puòessere vista come undeviatore a tre posizioni

VO

VAL

GND GNDNella posizione Z lo stato dell’uscita dipende dal circuito esterno.

Modello a interruttori con comandi indipendenti

VO

VAL

SWH

SWL

HZL


2003 DDC 11


Altro modello per 3-S

• Stadio TP + interruttore di abilitazione in seriesull’uscita

• Questo modello evidenzia il comando diabilitazione o ENABLE

– SWL comanda lo stato logico dell’uscita (se abilitata)– SWE abilita/disabilita l’uscita

VO

VAL

GND

SWL

SWE


2003 DDC 12


Parametri elettrici di uscita 3-stati

• Abilitata:– come per Totem pole:

tensioni: VOL, VOH, correnti: IOL, IOH

• Non abilitata (HiZ, Open)– solo corrente di perdita: IOZ

– generalmente molto più piccola delle IO– stesso ordine di grandezza delle II


2003 DDC 13


Esempio di uscita 3-S

• Invertitore logico con uscita a tre stati

– Comando di abilitazione attivo allo stato L– Simbolo grafico per uscita 3-S

HLL

Hi-ZH-

LLH

OutOEIn

OE

In Out


2003 DDC 14


Collegamento tra più uscite

L’uscita 3-S permette di collegarepiù uscite allo stesso nodo: deveessere abilitato un solo stadio diuscita per volta (un solo segnaleOE può essere attivo)

ATTENZIONE!!!!Se si abilitano due uscitecontemporaneamente si ha lostesso problema dello stadiototem-pole: collisione

OE1

In1

OE2

In2

OE3

In3


2003 DDC 15


Uso delle uscite tre-stati

• Per usare uscite 3-S occorreun modulo di controllo, chegenera le abilitazioni in modoesclusivo (una sola per volta)

– bisogna sapere a prioriquale uscita abilitare

• Esempi:– lettura di memorie o registri– multiplexer

• Non usabile se non è possibileuna selezione a priori

– interrupt

In1

In2

In3

Controlloabilitazioni

OEi


2003 DDC 16


Uscita Open Collector (Open Drain)

Gnd

Out

SW dLo stadio di uscita è realizzatosemplicemente con un interruttore versouna tensione di riferimento (Gndnell’esempio)

Se l’interruttore è chiuso, Out vieneforzato a Gnd; se è aperto lo stadio sicomporta come lo stadio three-state inalta impedenza.

Non si può avere collisioneIn Ou

t


2003 DDC 17


Parametri elettrici di uscita OC

• Stato basso:– come per Totem pole, solo stato basso:

tensione: VOL, corrente: IOL

• Aperta (HiZ, Open)– come per tre-stati disabilitata: solo corrente di perdita: IOH

– molto più piccola delle IO , stesso ordine di grandezza delle II


2003 DDC 18


Wired AND con O.C.

Per funzionare è necessaria una resistenza (resistenzadi Pull-Up) per “tirare su” la tensione quando lo stadioopen-collector non pilota l’uscita (SW aperto)

Rpu

Val

Gnd

SW d1

Gnd

SW d2 Basta che uno SW siachiuso perché la linea vadaa livello basso

Esempio: linee di richiestadi interruzione IRQ


2003 DDC 19


Operazioni logiche con O.C.

• Collegando assieme più uscite OC (con resistenza dipull-up) è possibile realizzare

– AND tra variabili H» il nodo comune va nello stato H solo se tutte le uscite

(operatore AND) sono aperte (Stato H)» WIRED AND

– OR tra variabili L» il nodo comune va nello stato L quando anche una sola uscita

(operatore OR) è chiusa verso massa (Stato L)» WIRED OR

• Permettono di ottenere porte logiche modulari, in cuiè possibile variare il numero di ingressi.


2003 DDC 20


Interruttori elettronici

• Un interruttore elettronico ha due stati

– chiuso ON» modello ideale: corto circuito» modello reale: resistenza Ron

– aperto OFF» modello ideale: circuito aperto» modello reale: corrente di perdita Ioff

(segno non noto)

Ron

Ioff


2003 DDC 21


Modello lineare di stadio di uscita

• Nell’uscita Totem Pole idue interruttori hannocomando complementare

– H: SWH chiuso/SWL aperto– L: SWH aperto/SWL chiuso

• Nell’uscita Tre Stati icomandi sono indipendenti

– (Hi)Z: SWH e SWL aperti

• Nell’uscita Open Collectorè presente solo SWL

– L: SWL chiuso

GND

VO

VAL

ROH

ROL

SWH

SWL


2003 DDC 22


STADI DI USCITA 11

STADIO OPEN_COLLECTOR (OPEN_DRAIN) REALE

Per il corretto funzionamento deve essere Rpu >> Rol

I valori di Rpu e Rol determinano i ritardi di commutazione

τr = Rpu C τf = Rol C

Rpu

Val

Gnd

Rol SW d1

Gnd

RolSW d2


2003 DDC 23


STADI DI USCITA 12

STADIO DI USCITA OPEN_COLLECTOR (OPEN-DRAIN)

Calcolo della Rpu

Rpu

Val

1

m

n

1

2

In generale ci saranno m driver e n ricevitori(per semplicità supponiamo dello stesso tipo)


2003 DDC 24


STADI DI USCITA 13

Rpu

Val

1

m

n

1

2

“H” :Nessun driver pilota la linea lacorrente in Rpu deve sostenere tutte leIOH e le IIH garantendo la VOH

IR = (Val – VH) / Rpu > m IOH + n IIH

IR

mIOH

n IIH

Nel caso peggiore:

(Val min – VH) / Rpu max > m IOH + n IIH

Calcolo della Rpu


2003 DDC 25


STADI DI USCITA 14

Rpu

Val

1

m

n

1

2“L” :Supponiamo un solo driver che pilota lalinea a L la corrente in Rpu e le IIL nondevono superare la massima IOL(garantendo così la VOL)

IR + n IIL = (Val – VIL) / Rpu + n IIL < IOL

IR

IOL n IIL

Nel caso peggiore:

(Val max– VIL) / Rpu min < IOL - n IIL

Calcolo della Rpu


2003 DDC 26


STADI DI USCITA 15

Si ottiene un intervallo di valori di Rpuvalidi:

Rmin < Rpu < Rmax

Rpu

Val

1

m

n

1

2

Calcolo della Rpu

Piccole R Maggior velocità

Grandi R Minor Potenza dissipata

Che criterio si usa per la scelta?


2003 DDC 27


CALCOLO DI Rpu

VOL = 0.5 V

VOH = 3.76 V

VIL = 0.8V

VIH = 3.15 V

IOH = 100 µAIOL = 8 mAIIL = - 1 µAIIH = 1 µA

Nell’ipotesi di pilotare una C di 50pF, come risulta il tempo disalita sulla linea?

Negli O.C. la IOH

entra dentro il dispositivo degradando

il livello alto!!!!!

Calcolare la Rpu per una linea con 3 driver O.C. e 4 ricevitori conle caratteristiche sotto riportate ( Val = 5 V +- 5%)


2003 DDC 28


ESERCIZIO: FAN OUT

Rpu 1 KΩ

Val = 5V

Gnd

LSHCT

? (LS)Rpd10 KΩ

QUANTE PORTE DI TIPOTTL LS SI POSSONOPILOTARE?

LS

VOL = 0.5 V

VOH = 2.7 V

VIL = 0.8V

VIH = 3.15 V

IOH = - 400 µAIOL = 8 mAIIL = - 0.4 mAIIH = 20 µA

HCT

VOL = 0.5 V

VOH = 3.76 V

VIL = 0.8V

VIH = 2.0 V

IOH = - 100 µAIOL = 8 mAIIL = - 1 µAIIH = 1 µA

ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA


2003 DDC 29


ESERCIZIO: FAN OUT

Rpu 1 kΩ

Val = 5V

Gnd

LSHCT

? (LS)Rpd 10 kΩ

“L”IPU

IPD

LA CORRENTE DISPONIBILE A LIVELLO L VALE:

IOL – IPU = (8 –4.5) mA = 3.5 mA

IPD = VOL / RPD = 0.5V / 10 kΩ = 50 µA (TRASCURABILE)

LA IIL DELLA FAMIGLIA HCT È 1 µA, DUNQUE TRASCURABILE

DATO CHE A LIVELLO L LE PORTE LS HANNO BISOGNO DI 400µA

FAN-OUT LS0 = 3.5mA /400µA = 8 PORTE

A LIVELLO L È VERIFICATA LA COMPATIBILITÀ DELLE TENSIONI



2003 DDC 30


ESERCIZIO: FAN OUT

“H”

LA CORRENTE A LIVELLO ALTO VALE:

IOH + IPU – IPD = 0.4 + (5 – 2.7)/1 – (2.7/10) mA

= 2.43 mA SI NOTI CHE LA CORRENTE È MAGGIORE RISPETTO A IOH !!LA IIH DELLA FAMIGLIA HCT È 1 µA, DUNQUE TRASCURABILE

DATO CHE A LIVELLO ALTO LE LS PORTE HANNO BISOGNO DI 20 µA

FAN-OUT LS1 = 2.43mA /20µA = 121 PORTE

A LIVELLO ALTO È VERIFICATA LA COMPATIBILITÀ DELLE TENSIONI

IN DEFINITIVA IL NUMERO DI PORTE DI TIPO LS PILOTABILI È PARI A 8

Rpu 1 kΩ

Val = 5V

Gnd

LSHCT

? (LS)Rpd 10 kΩ

IPU

IPD



2003 DDC 31


SEGNALE DIFFERENZIALE 1

ALCUNI DISPOSITIVI (SOLITAMENTE PER ALTA VELOCITÀ)HANNO STADI DI USCITA CHE FORNISCONO OLTRE ALSEGNALE DI USCITA ANCHE IL SUO COMPLEMENTARE.

IN QUESTI CASI ANCHE GLI STADI DI INGRESSO RICHIEDONOSEGNALI COMPLEMENTARI PER POTER AGIRE AL MASSIMODELLA VELOCITÀ

LINEA DIFFERENZIALE


2003 DDC 32


SEGNALE DIFFERENZIALE 2

LA TRASMISSIONE DIFFERENZIALE PRESENTANOTEVOLI VANTAGGI:

MAGGIORE IMMUNITÀ AL RUMORE (CONVERTITO INMODO COMUNE)

MINORE DINAMICA DEI SEGNALI (E QUINDI MAGGIORVELOCITÀ)


2003 DDC 33


Segnali logici differenziali

• LVDS– Low Voltage Differential Signalling

Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. ## - //

Famiglia logica

• Appartengono ad una stessa famiglia logicacircuiti elettricamente compatibili, realizzatiin una stessa tecnologia

• Principali famiglie attualmente in uso:

bipolari: TTL

MOS: CMOS

altre di uso specifico (ECL, BiCMOS, ..)


2003 DDC 34


Contenuti di questa lezione (D2)

• Stadi di uscita– totem pole– collettore aperto– three-state

• Famiglie logiche– serie 74

• Esempi di interfacciamento– verifica di compatibilità statica– calcolo resistenza di pull-up


2003 DDC 35

Le porte CMOS non hanno problemi di consumo (statico), per cuile evoluzioni più significative si sono avute nella velocità operativae nella capacità di pilotare carichi elevati.

I circuiti della famiglia BC-MOS o BiCMOS integrano componentiMOS e bipolari; questo permette di ottenre correnti di uscita piúalte.

La famiglia LV (Low Voltage) consente una diminuzione delconsumo sia statico che dinamico, grazie alla riduzione dellatensione di alimentazione e dello swing logico (escursione dellatensione di uscita).

La versione “T” delle famiglie MOS é elettricamente compatibilecon le famiglie TTL.


Famiglie logiche

• Gli interruttori possono essere realizzati concomponenti MOS o bipolari

• I circuiti logici sono raggruppati in famiglie

• Famiglie C-MOS (esempi)– alta velocita’ HC– avanzata AC– bassa tensione LV– TTL compatibile HCT ACT BCT LVT

• Famiglie bipolari (esempi TTL)– low power Shottky LS– Fast F


2003 DDC 36

Queste differenze si ricavano dall’analisi dei data sheet delle variefamiglie.

Per l’uscita, la principale differenza é nella VOH: nei CMOS éprossima alla tensione di alimentazione; nella TTL é alquanto piúbassa.

Il consumo dei CMOS é prevalentemente di tipo dinamico. Cresceall’aumentare della frequenza operativa, fino a diventare in alcunicasi superiore a quello di un componenti TTL con funzionianaloghe.

Le diversità nel circuito interno verranno esaminatesuccessivamente.


Differenze tra TTL e C-MOS

• Corrente di ingresso:– praticamente nulla per circuiti MOS e CMOS– non nulla e asimmetrica per TTL

• Stadio di uscita:– simmetrico per CMOS– asimmetrico per TTL

• Consumo:– prevalentemente dinamico per circuiti CMOS

(legato alla frequenza di funzionamento)– anche statico per TTL


2003 DDC 37

La maggior parte dei componenti standard attuali appartiene allaserie ‘74/54, che comprende componenti sia in tecnologia TTL siaCMOS.

I componenti della serie 54 XX NNN sono in grado di sopportarecondizioni operative meno favorevoli (campo di temperatura piúesteso). A pari funzione sono piú costosi dell’equivalente “74”.

XX --> é un codice di due lettere che identifica la famiglia e sotto-famiglia.NNN --> é un numero di 2,3 o 4 cifre che identifica la funzionelogica.


Componenti della serie 74/54

• Componenti SSI … MSI (funzioni semplici)

• Sigle del tipo 74 XX NNN oppure 54 XX NNN

– 74 XX NNN indica campo di temperatura standard(0 - 85 C, uso corrente, applicazioni “ufficio”)

– 54 XX NNN indica campo di temperatura esteso(-55 - 125 C, applicazioni per auto e spazio)

XX identifica la sottofamiglia (LS, F, C, ...)

NNN identifica la funzione (OR, NAND, registro, …)


2003 DDC 38

Questi sono alcuni esempi di componenti della serie ‘74.

I due componenti 74xx245 hanno identica funzionalita’ epiedinatura, ma caratteristiche elettriche e di temporizzazionediverse (legate alla faglia di appartenenza, rispettivamente ACT(Advanced CMOS, TTL compatibile) e F (Fast).


Esempi di componenti serie 74

• 74f00– famiglia TTL fast,

quattro porte NAND a due ingressi

• 54LS04– famiglia TTL-LS,

sei invertitori, campo di temperatura esteso

• 74ACT245– famiglia C-MOS ACT,

otto buffer bidirezionali

• 74F245– come sopra, famiglia Fast

Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. ## - //


2003 DDC 39

I circuiti CMOS hanno un campo di alimentazioni più ampio.

La compatibilità elettrica totale con la TTL si ha solo per le famiglieCMOS del tipo xT. Gli ingressi delle famiglie CMOS “senza T” nonsono compatibili con uscite TTL.


Data sheet

• Caratteristiche elettriche:

• 74HCxxx

• 74LSxxx


2003 DDC 40




Esempio: calcolo corrente Io

• calcolo corrente di uscita con carico a LED

• verifica di compatibilità


2003 DDC 41




Esempio: verifica di compatibilità

• calcolo corrente di uscita con carico CMOS• verifica di compatibilità• considearzioni su altri effetti; non è questo il limite

• altro calcolo con margine di rumore assegnato


2003 DDC 42


Sommario di questa lezione (D2)

• Struttura degli stadi di uscita

• Parametri elettrici degli stadi di uscita

• Esempi di famiglie logiche


2003 DDC 43


Prerequisiti lezione D3

• Lezione D3 – Comparatori di soglia

– Prerequisiti:» A.O. ideali» Caratteristiche elettriche di porte logiche

– Riferimenti sul testo» Cap 12.12 - Circuiti a retroazione positiva

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