1 (HIGH) 0 (LOW) - Ingegneria elettrica ed elettronica
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Porte logiche Porte Logiche Lucidi del Corso di Elettronica Digitale Modulo 2 Una porta logica (gate) è un circuito elettronico che implementa una determinata funzione logica (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, etc.) Una generica porta logica avrà quindi N ingressi e 1 uscita Le caratteristiche in base alle quali si giudica il comportamento di una porta logica sono: Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB) Funzionalità Affidabilità (margini di rumore) Area Prestazioni (velocità, consumo di potenza) 02 Ottobre 2006 L’inverter V (volt) VOH Z Funzionalità: bisogna che il circuito implementi veramente la funzione logica richiesta (la negazione) Affidabilità: il circuito deve essere il più possibile immune ai disturbi Area: il circuito deve essere il più compatto possibile Prestazioni: tempo di propagazione fra variazioni dell’ingresso e dell’uscita e consumo di energia devono essere minimizzati 02 Ottobre 2006 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro Massimo Barbaro 2 Rappresentazione dei segnali La porta logica più semplice ed al tempo stesso più significativa per giudicare le caratteristiche di una determinata tecnologia è l’inverter. A ED- Porte Logiche 3 VIH 1 (HIGH) Logica negativa: tensioni basse rappresentano il valore 1, tensioni alte lo 0 VIL VOL Logica positiva: tensioni alte (HIGH) rappresentano il valore 1, tensioni basse (LOW) rappresentano lo 0 0 (LOW) 02 Ottobre 2006 ED- Porte Logiche In pratica, viene utilizzata solo la logica positiva Massimo Barbaro 4 Rappresentazione dei segnali Caratteristica ideale VOH (Voltage Output High): la tensione nominale che dovrebbe corrispondere ad un valore 1. Si vuole che sia la più alta possibile (quindi prossima alla tensione di alimentazione) VIH(Voltage Input High): minima tensione che viene interpretata ancora come valore 1 VOL(Voltage Output Low): tensione nominale che dovrebbe corrispondere al valore 0. La si vuole più piccola possibile quindi prossima allo zero. VIL(Voltage Input Low): massima tensione che viene ancora interpretata come 0 La caratteristica ideale ingresso/uscita di un inverter (che rappresenta la sua funzionalità) deve essere fatta in modo che per tensioni basse in ingresso l’uscita sia alta e viceversa Vout Il pedice O sta sempre per uscita (tensione nominale in uscita dalla porta). Il pedice I sta invece per ingresso (è in ingresso ad una porta che una tensione deve essere interpretata correttamente come alta o bassa) 02 Ottobre 2006 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 5 VOL ED- Porte Logiche 02 Ottobre 2006 0 1 I1 1 I2 In uscita da I1 c’è Il sistema VOL. funzionerà ancora se all’ingresso di I2 ci sarà al massimo VIL . Se fra l’uscita del primo inverter e l’ingresso del secondo viene iniettato del rumore pari a ∆V il sistema funzionerà ancora? Vin VIL ∆V < VIL - VOL VIH ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 6 I margini di rumore misurano l’affidabilità di un inverter, ossia la sua immunità ai disturbi. Pendenza -1 VOH VOL Massimo Barbaro Margini di rumore La caratteristica reale, ovviamente, non sarà mai squadrata. Bisogna definire arbitrariamente quando l’uscita sta cambiando valore. Si stabilisce che i punti di commutazione siano quelli per cui la pendenza della curva è esattamente -1 Vout Vin 02 Ottobre 2006 Caratteristica reale VTC (Voltage-Transfer Characteristic) VOH 7 02 Ottobre 2006 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 8 Margini di rumore Margini di rumore Esistono due Margini di Rumore (Noise Margins), uno per i segnali alti e uno per i bassi V (volt) NMH = VOH - VIH VOH 1 (HIGH) VIH VIL 0 (LOW) VOL NML = VIL - VOL 02 Ottobre 2006 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 9 In un inverter ideale i due margini di rumore dovrebbero essere i più grandi possibile. Per massimizzare entrambi i margini contemporanemente bisogna che essi siano uguali e pari a metà della tensione massima (tensione di alimentazione) Questo è quello che succede nel inverter ideale, dove la VTC è perfettamente squadrata ed il punto di commutazione (quindi anche il punto dove la pendenza è –1) è posto al centro dell’intervallo di tensioni disponibili 02 Ottobre 2006 ED- Porte Logiche Proprietà rigenerativa Vout Vin 02 Ottobre 2006 Gate non rigenerativo VIL VIH ED- Porte Logiche Il vantaggio di questa VTC sta nel fatto che un segnale sporcato dal rumore, attraversando livelli di logica, viene riportato a valori nominali X I1 Y Z=Y’=(X’)’=X La curva continua è la VTC del primo inverter e la tratteggiata quella del secondo (gli assi sono invertiti per fare in modo che l’ordinata della prima VTC coincida con l’ascissa della seconda) VOL VIL VIH Massimo Barbaro Z I2 Y X≡Z Vin VOL VOH VOH VOH VOL Vout 10 Proprietà rigenerativa Perché si sceglie proprio un andamento come quello di sinistra e non come la figura di destra che è comunque invertente? La VTC di sinistra ha la prerogativa della rigeneratività Gate rigenerativo Massimo Barbaro Anche se X è uno zero sporco (maggiore di VIL) dopo 2 inversioni Z risulta uno 0 pieno 11 02 Ottobre 2006 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 12 Proprietà rigenerativa Proprietà rigenerativa Il vantaggio di questa VTC sta nel fatto che un segnale sporcato dal rumore, attraversando livelli di logica, viene riportato a valori nominali Y,Z X Y I1 I2 Se la VTC avesse l’altro andamento un piccolo errore verrebbe amplificato attraverso le diverse porte fino a portare ad un risultato logicamente sbagliato X Z Y I1 La curva continua è la VTC del primo inverter e la tratteggiata quella del secondo (gli assi sono invertiti per fare in modo che l’ordinata della prima VTC coincida con l’ascissa della seconda) VOH Z=Y’=(X’)’=X X≡Z VOL X,Y Z (0 pulito) 02 Ottobre 2006 Se X è uno zero valido (minore di VIL) dopo 2 inversioni Z tende a diventare un 1 sporco X (0 sporco) ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 13 02 Ottobre 2006 Proprietà rigenerativa ED- Porte Logiche Guadagno << 1 14 La proprietà rigenerativa permette di definire il concetto di soglia logica. La soglia logica è il punto della VTC per cui Vout = Vin Grazie alla rigenerazione, i segnali al di sotto della soglia logica, attraverso una cascata di inverter, saranno interpretati come 0 e quelli al di sopra come 1 Vout VOH Retta a pendenza unitaria VOH VM Guadagno >> 1 Vin VOL 02 Ottobre 2006 Massimo Barbaro Soglia logica Matematicamente la proprietà rigenerativa corrisponde ad una VTC che abbia un guadagno molto piccolo (<<1) per tensioni di ingresso basse ed alte ed un guadagno molto grande (>>1) per le tensioni di ingresso al centro dell’intervallo (fra VIL e VIH) Vout Z=Y’=(X’)’=X Y VOH VOL Z I2 Vin VIL VIH ED- Porte Logiche VOL Massimo Barbaro 15 02 Ottobre 2006 VM ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 16 Rigenerazione e rumore 02 Ottobre 2006 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 17 Il Fan-In è il numero di ingressi ad una determinata porta logica (nel caso dell’inverter è sempre 1). Determina ovviamente la complessità della porta stessa. Il Fan-Out è il numero di porte connesse all’uscita di una determinata porta logica (anche nel caso dell’inverter può essere ≥1). In alcune tecnologie esiste un numero massimo di porte collegabili in uscita. In tecnologia CMOS il numero di porte in uscita influenza solo le caratteristiche dinamiche (la velocità) della porta, non le sue caratteristiche statiche N Fan-In N 02 Ottobre 2006 Comportamento dinamico Il comportamento dinamico dell’inverter caratterizzato da 3 parametri fondamentali: … La proprietà rigenerativa è quella che rende intrinsecamente più precisi ed insensibili al rumore i circuiti digitali rispetto a quelli analogici In un sistema analogico il segnale, ad ogni stadio di elaborazione, viene corrotto dal rumore (ogni stadio inietta del rumore aggiuntivo) In un sistema digitale, invece, il segnale, nell’attraversare diversi stadi di logica viene ripulito dal rumore E’ per questo che copiare un CD (digitale) viene ritenuto un reato grave ed è invece tollerato copiare una musicassetta (analogico) … Fan-In e Fan-Out Fan-Out M ED- Porte Logiche è 50% t tpHL tpLH 90% 50% t 19 02 Ottobre 2006 tr ED- Porte Logiche tp=(tpHL+tpLH)/2 tr= tempo di variazione dell’uscita dal 10% del valore nominale alto al 90% Vout tf Massimo Barbaro 18 tpHL/tpLH= tempo fra una variazione del 50% dell’ingresso ed una del 50% dell’uscita Vin 10% ED- Porte Logiche Massimo Barbaro Comportamento dinamico Tempo di Propagazione (tp): il tempo medio necessario perché una transizione in ingresso si propaghi in uscita Tempo di salita (tr): il tempo che impiega il segnale in uscita per andare da basso a alto Tempo di discesa (tf): il tempo che impiega il segnale in uscita per andare da alto a basso 02 Ottobre 2006 M tf= tempo di variazione dal 90% del valore nominale alto al 10% Massimo Barbaro 20 Consumo di potenza Il consumo di potenza è un parametro fondamentale per misurare le caratteristiche di una tecnologia, in particolar modo nei sistemi moderni contenenti milioni di gate, dove la potenza (ed il conseguente riscaldamento del dispositivo) diventano un parametro critico In genere la potenza dissipata da una porta logica si divide in 2 componenti: Statica (consumata in situazione di stabilità dell’uscita) Dinamica (consumata in commutazione dell’uscita) La potenza media 1 P = ∫i T 02 Ottobre 2006 V sup ply 0 definita V dt = ∫i T come: T T av è sup ply sup ply sup ply dt 0 ED- Porte Logiche Massimo Barbaro 21
