SISTEMI ELETTRONICI
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SisElnD2ddc 1/7/2004 Ingegneria dell’Informazione Modulo SISTEMI ELETTRONICI D - Versione IVREA - AA 2003-04 D2 - Interfacciamento elettrico e famiglie logiche - stadi di uscita - famiglie logiche 7-Jan-04 - 1 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 1 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 2 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 2 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 3 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 3 SisElnD2ddc 1/7/2004 Circuito di uscita • L’uscita di un circuito logico binario può essere vista come un deviatore tra VAL e massa. • Stato H: VAL VO H L GND – tensione di uscita prossima a VAL circuito equivalente semplificato • Stato L: – tensione di uscita prossima a GND 7-Jan-04 - 4 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 4 SisElnD2ddc 1/7/2004 Circuito equivalente Totem Pole • Il deviatore è realizzato con due interruttori a comando complementare VAL SWH VO • Stato H – SWH chiuso, SWL aperto • Stato L – SWL chiuso, SWH aperto SWL GND circuito equivalente semplificato 7-Jan-04 - 5 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 5 SisElnD2ddc 1/7/2004 Parametri elettrici di uscita Totem Pole • Già definiti nella D1 per una uscita logica: – tensioni: VOL, VOH, correnti: IOL, IOH 7-Jan-04 - 6 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 6 SisElnD2ddc 1/7/2004 Collegamento tra più uscite • Se le due uscite sono in stati opposti, scorre corrente tra Val e GND • Le Ro sono basse VAL VO • La corrente può essere anche alta ! • COLLISIONE GND • Distruzione del dispositivo per eccessiva dissipazione 7-Jan-04 - 7 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 7 SisElnD2ddc 1/7/2004 STADI DI USCITA 4 Perché si devono collegare più uscite logiche insieme? Æ Per realizzare funzioni logiche “cablate” senza usare dispositivi fisici (WIRED - OR logic) Æ Per avere sistemi modulari in cui non è noto a priori il numero di dispositivi logici connessi (ad esempio il numero di schede collegate sul bus di un PC) OCCORRE USARE STADI DI USCITA CHE PERMETTANO LA CONNESSIONE DIRETTA DELLE USCITE 7-Jan-04 - 8 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 8 SisElnD2ddc 1/7/2004 STADI DI USCITA 5 STADIO DI USCITA THREE-STATE Val Out Gnd Concettualmente è simile al TOTEMPOLE, solo che il deviatore è a tre posizioni, permettendo anche la connessione ad un terzo morsetto non connesso È il cosiddetto TERZO STATO o stato di ALTA IMPEDENZA (Z) in cui il dispositivo NON pilota l’uscita ma presenta un’impedenza d’uscita ELEVATISSIMA (HIGH Z) 7-Jan-04 - 9 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 9 SisElnD2ddc 1/7/2004 Circuito equivalente Three-State • L’uscita a tre stati può essere vista come un deviatore a tre posizioni SWH VAL H Z L VAL VO VO SWL GND GND Nella posizione Z lo stato dell’uscita dipende dal circuito esterno. 7-Jan-04 - 10 Modello a interruttori con comandi indipendenti SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 10 SisElnD2ddc 1/7/2004 Altro modello per 3-S • Stadio TP + interruttore di abilitazione in serie sull’uscita VAL SWL VO SWE GND • Questo modello evidenzia il comando di abilitazione o ENABLE – SWL comanda lo stato logico dell’uscita (se abilitata) – SWE abilita/disabilita l’uscita 7-Jan-04 - 11 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 11 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 12 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 12 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 In Out OE 7-Jan-04 - 13 In OE Out L L H H L L - H Hi-Z SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 13 SisElnD2ddc 1/7/2004 Collegamento tra più uscite L’uscita 3-S permette di collegare più uscite allo stesso nodo: deve essere abilitato un solo stadio di uscita per volta (un solo segnale OE può essere attivo) ATTENZIONE!!!! Se si abilitano due uscite contemporaneamente si ha lo stesso problema dello stadio totem-pole: collisione 7-Jan-04 - 14 In1 OE1 In2 OE2 In3 OE3 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 14 SisElnD2ddc 1/7/2004 Uso delle uscite tre-stati • Per usare uscite 3-S occorre un modulo di controllo, che genera le abilitazioni in modo esclusivo (una sola per volta) – bisogna sapere a priori quale uscita abilitare • Esempi: In1 In2 In3 – lettura di memorie o registri – multiplexer • Non usabile se non è possibile una selezione a priori – interrupt 7-Jan-04 - 15 OEi Controllo abilitazioni SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 15 SisElnD2ddc 1/7/2004 Uscita Open Collector (Open Drain) Out Lo stadio di uscita è realizzato semplicemente con un interruttore verso una tensione di riferimento (Gnd nell’esempio) SW d Gnd In Ou t Se l’interruttore è chiuso, Out viene forzato a Gnd; se è aperto lo stadio si comporta come lo stadio three-state in alta impedenza. Non si può avere collisione 7-Jan-04 - 16 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 16 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 17 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 17 SisElnD2ddc 1/7/2004 Wired AND con O.C. Per funzionare è necessaria una resistenza (resistenza di Pull-Up) per “tirare su” la tensione quando lo stadio open-collector non pilota l’uscita (SW aperto) Val Rpu SW d1 Basta che uno SW sia chiuso perché la linea vada a livello basso SW d2 Gnd Esempio: linee di richiesta di interruzione IRQ Gnd 7-Jan-04 - 18 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 18 SisElnD2ddc 1/7/2004 Operazioni logiche con O.C. • Collegando assieme più uscite OC (con resistenza di pull-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 cui è possibile variare il numero di ingressi. 7-Jan-04 - 19 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 19 SisElnD2ddc 1/7/2004 Interruttori elettronici • Un interruttore elettronico ha due stati – chiuso ON » modello ideale: corto circuito » modello reale: resistenza Ron – aperto Ron OFF » modello ideale: circuito aperto » modello reale: corrente di perdita Ioff (segno non noto) 7-Jan-04 - 20 Ioff SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 20 SisElnD2ddc 1/7/2004 Modello lineare di stadio di uscita • Nell’uscita Totem Pole i due interruttori hanno comando complementare VAL ROH SWH – H: SWH chiuso/SWL aperto – L: SWH aperto/SWL chiuso • Nell’uscita Tre Stati i comandi sono indipendenti – (Hi)Z: SWH e SWL aperti • Nell’uscita Open Collector è presente solo SWL VO SWL ROL GND – L: SWL chiuso 7-Jan-04 - 21 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 21 SisElnD2ddc 1/7/2004 STADI DI USCITA 11 STADIO OPEN_COLLECTOR (OPEN_DRAIN) REALE Val Rpu SW d1 Rol SW d2 Rol Gnd Gnd Per il corretto funzionamento deve essere Rpu >> Rol I valori di Rpu e Rol determinano i ritardi di commutazione τr = Rpu C 7-Jan-04 - 22 τf = Rol C SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 22 SisElnD2ddc 1/7/2004 STADI DI USCITA 12 STADIO DI USCITA OPEN_COLLECTOR (OPEN-DRAIN) Calcolo della Rpu Val Rpu 1 1 2 m n In generale ci saranno m driver e n ricevitori (per semplicità supponiamo dello stesso tipo) 7-Jan-04 - 23 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 23 SisElnD2ddc 1/7/2004 STADI DI USCITA 13 Val Calcolo della Rpu IR Rpu 1 1 m “H” : m IOH Nessun driver pilota la linea Æ la corrente in Rpu deve sostenere tutte le IOH e le IIH garantendo la VOH n IIH 2 n IR = (Val – VH) / Rpu > m IOH + n IIH Nel caso peggiore: (Val min – VH) / Rpu max > m IOH + n IIH 7-Jan-04 - 24 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 24 SisElnD2ddc 1/7/2004 STADI DI USCITA 14 Val Calcolo della Rpu IR Rpu 1 1 m “L” : IOL Supponiamo un solo driver che pilota la linea a L Æ la corrente in Rpu e le IIL non devono superare la massima IOL (garantendo così la VOL) n IIL 2 n IR + n IIL = (Val – VIL) / Rpu + n IIL < IOL Nel caso peggiore: (Val max– VIL) / Rpu min < IOL - n IIL 7-Jan-04 - 25 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 25 SisElnD2ddc 1/7/2004 STADI DI USCITA 15 Val Calcolo della Rpu Rpu 1 m 1 2 n Si ottiene un intervallo di valori di Rpu validi: Rmin < Rpu < Rmax Che criterio si usa per la scelta? Piccole R Æ Maggior velocità Grandi R Æ Minor Potenza dissipata 7-Jan-04 - 26 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 26 SisElnD2ddc 1/7/2004 CALCOLO DI Rpu Calcolare la Rpu per una linea con 3 driver O.C. e 4 ricevitori con le caratteristiche sotto riportate ( Val = 5 V +- 5%) Negli O.C. la VOL = 0.5 V VOH = 3.76 V VIL = 0.8V VIH = 3.15 V IOH IOH = 100 µA IOL = 8 mA IIL = - 1 µA IIH = 1 µA entra dentro il dispositivo degradando il livello alto!!!!! Nell’ipotesi di pilotare una C di 50pF, come risulta il tempo di salita sulla linea? 7-Jan-04 - 27 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 27 SisElnD2ddc 1/7/2004 ESERCIZIO: FAN OUT QUANTE PORTE DI TIPO TTL LS SI POSSONO PILOTARE? Val = 5V LS Rpu 1 KΩ Rpd 10 KΩ LS HCT VOL = 0.5 V VOL = 0.5 V VOH = 2.7 V VOH = 3.76 V VIL = 0.8V VIL = 0.8V VIH = 3.15 V VIH = 2.0 V IOH = - 400 µA IOL = 8 mA IIL = - 0.4 mA IIH = 20 µA IOH = - 100 µA IOL = 8 mA IIL = - 1 µA IIH = 1 µA 7-Jan-04 - 28 HCT ? (LS) Gnd SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA Page 28 SisElnD2ddc 1/7/2004 ESERCIZIO: FAN OUT Val = 5V “L” LS Rpu IPU HCT 1 kΩ Rpd 10 kΩ IPD LA CORRENTE DISPONIBILE A LIVELLO L VALE: Gnd ? (LS) 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 ÆFAN-OUT LS0 = 3.5mA /400µA = 8 PORTE A LIVELLO L È VERIFICATA LA COMPATIBILITÀ DELLE TENSIONI 7-Jan-04 - 29 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA Page 29 SisElnD2ddc 1/7/2004 ESERCIZIO: FAN OUT Val = 5V “H” LS LA CORRENTE A LIVELLO ALTO VALE: IOH + IPU – IPD = 0.4 + (5 – 2.7)/1 – (2.7/10) mA = 2.43 mA Rpu IPU HCT 1 kΩ Rpd 10 kΩ IPD Gnd ? (LS) 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 ÆFAN-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 7-Jan-04 - 30 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA Page 30 SisElnD2ddc 1/7/2004 SEGNALE DIFFERENZIALE 1 ALCUNI DISPOSITIVI (SOLITAMENTE PER ALTA VELOCITÀ) HANNO STADI DI USCITA CHE FORNISCONO OLTRE AL SEGNALE DI USCITA ANCHE IL SUO COMPLEMENTARE. IN QUESTI CASI ANCHE GLI STADI DI INGRESSO RICHIEDONO SEGNALI COMPLEMENTARI PER POTER AGIRE AL MASSIMO DELLA VELOCITÀ LINEA DIFFERENZIALE 7-Jan-04 - 31 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 31 SisElnD2ddc 1/7/2004 SEGNALE DIFFERENZIALE 2 LA TRASMISSIONE DIFFERENZIALE PRESENTA NOTEVOLI VANTAGGI: ÆMAGGIORE IMMUNITÀ AL RUMORE (CONVERTITO IN MODO COMUNE) ÆMINORE DINAMICA DEI SEGNALI (E QUINDI MAGGIOR VELOCITÀ) 7-Jan-04 - 32 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 32 SisElnD2ddc 1/7/2004 Segnali logici differenziali • LVDS – Low Voltage Differential Signalling 7-Jan-04 - 33 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Famiglia logica • Appartengono ad una stessafamiglia logica circuiti elettricamente compatibili, realizzati in una stessa tecnologia • Principali famiglie attualmente in uso: bipolari: TTL MOS: CMOS altre di uso specifico (ECL, BiCMOS, ..) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. ## - // Page 33 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 34 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 34 SisElnD2ddc 1/7/2004 Famiglie logiche • Gli interruttori possono essere realizzati con componenti MOS o bipolari • I circuiti logici sono raggruppati in famiglie • Famiglie C-MOS (esempi) – – – – alta velocita’ avanzata bassa tensione TTL compatibile HC AC LV HCT ACT BCT LVT • Famiglie bipolari (esempi TTL) – low power Shottky – Fast LS F 7-Jan-04 - 35 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Le porte CMOS non hanno problemi di consumo (statico), per cui le evoluzioni più significative si sono avute nella velocità operativa e nella capacità di pilotare carichi elevati. I circuiti della famiglia BC-MOS o BiCMOS integrano componenti MOS e bipolari; questo permette di ottenre correnti di uscita piú alte. La famiglia LV (Low Voltage) consente una diminuzione del consumo sia statico che dinamico, grazie alla riduzione della tensione di alimentazione e dello swing logico (escursione della tensione di uscita). La versione “T” delle famiglie MOS é elettricamente compatibile con le famiglie TTL. Page 35 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 36 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Queste differenze si ricavano dall’analisi dei data sheet delle varie famiglie. Per l’uscita, la principale differenza é nella VOH: nei CMOS é prossima alla tensione di alimentazione; nella TTL é alquanto piú bassa. Il consumo dei CMOS é prevalentemente di tipo dinamico. Cresce all’aumentare della frequenza operativa, fino a diventare in alcuni casi superiore a quello di un componenti TTL con funzioni analoghe. Le diversità nel circuito interno verranno esaminate successivamente. Page 36 SisElnD2ddc 1/7/2004 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, …) 7-Jan-04 - 37 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ La maggior parte dei componenti standard attuali appartiene alla serie ‘74/54, che comprende componenti sia in tecnologia TTL sia CMOS. I componenti della serie 54 XX NNN sono in grado di sopportare condizioni operative meno favorevoli (campo di temperatura piú esteso). A pari funzione sono piú costosi dell’equivalente “74”. XX --> é un codice di due lettere che identifica la famiglia e sottofamiglia. NNN --> é un numero di 2,3 o 4 cifre che identifica la funzione logica. Page 37 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 38 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Questi sono alcuni esempi di componenti della serie ‘74. I due componenti 74xx245 hanno identica funzionalita’ e piedinatura, ma caratteristiche elettriche e di temporizzazione diverse (legate alla faglia di appartenenza, rispettivamente ACT (Advanced CMOS, TTL compatibile) e F (Fast). Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. ## - // Page 38 SisElnD2ddc 1/7/2004 Data sheet • Caratteristiche elettriche: • 74HCxxx • 74LSxxx 7-Jan-04 - 39 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ I circuiti CMOS hanno un campo di alimentazioni più ampio. La compatibilità elettrica totale con la TTL si ha solo per le famiglie CMOS del tipo xT. Gli ingressi delle famiglie CMOS “senza T” non sono compatibili con uscite TTL. Page 39 SisElnD2ddc 1/7/2004 Esempio: calcolo corrente Io • calcolo corrente di uscita con carico a LED • verifica di compatibilità 7-Jan-04 - 40 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ I circuiti CMOS hanno un campo di alimentazioni più ampio. La compatibilità elettrica totale con la TTL si ha solo per le famiglie CMOS del tipo xT. Gli ingressi delle famiglie CMOS “senza T” non sono compatibili con uscite TTL. Page 40 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 41 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ I circuiti CMOS hanno un campo di alimentazioni più ampio. La compatibilità elettrica totale con la TTL si ha solo per le famiglie CMOS del tipo xT. Gli ingressi delle famiglie CMOS “senza T” non sono compatibili con uscite TTL. Page 41 SisElnD2ddc 1/7/2004 Sommario di questa lezione (D2) • Struttura degli stadi di uscita • Parametri elettrici degli stadi di uscita • Esempi di famiglie logiche 7-Jan-04 - 42 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 42 SisElnD2ddc 1/7/2004 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 7-Jan-04 - 43 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ Page 43
