SISTEMI ELETTRONICI

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
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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
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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
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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
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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
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Parametri elettrici di uscita Totem Pole
• Già definiti nella D1 per una uscita logica:
– tensioni: VOL, VOH, correnti: IOL, IOH
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA
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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
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ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA
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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
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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
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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
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Segnali logici differenziali
• LVDS
– Low Voltage Differential Signalling
7-Jan-04 - 33
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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. ## - //
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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
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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.
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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.
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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.
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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. ## - //
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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.
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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.
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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
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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.
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1/7/2004
Sommario di questa lezione (D2)
• Struttura degli stadi di uscita
• Parametri elettrici degli stadi di uscita
• Esempi di famiglie logiche
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SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
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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
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