SISTEMI ELETTRONICI

SisElnD1ddc
1/7/2004
Ingegneria dell’Informazione
Modulo
SISTEMI ELETTRONICI
D - Versione IVREA - AA 2003-04
D1 - Parametri elettrici statici e dinamici
- parametri elettrici
dei circuiti digitali
- compatibilità tra
famiglie logiche
7-Jan-04 - 1
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Obiettivi del gruppo di lezioni D
• Moduli digitali
– Caratteristiche elettriche di un circuito digitale
(tensioni di alimentazione, tensioni di ingresso e uscita,
correnti di ingresso e uscita, consumo)
– Comportamento dinamico dei dispositivi logici
(tempi di salita e discesa, tempi di propagazione)
– Come interfacciare dispositivi logici di diverso tipo
(stadi di uscita, compatibilità, fan-out)
• Interfacciamento tra mondo analogico e digitale
– Come si converte un segnale analogico in digitale
(a singolo bit)
– Cosa sono e come funzionano i comparatori di soglia senza
e con isteresi
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Organizzazione
• 2 lezioni
– caratteristiche elettriche dei dispositivi logici
– comportamento dinamico dei dispositivi logici
– comparatori di soglia
• 1 esercitazione
– interfacciamento elettrico dei dispositivi
– tipi di uscite
• 1 laboratorio
– misure dei parametri elettrici dei circuiti digitali e verifica del
loro interfacciamento
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Contenuti di questa lezione (D1)
• Caratteristiche elettriche dei dispositivi digitali
– codifica in tensione degli stati logici, compatibilità
– margini di rumore, ripristino dei segnali digitali
– correnti in uscita, interfacciamento
• Comportamento dinamico
– definizioni, modello lineare
• Consumo di potenza
– statico, dinamico
• Riferimenti nel testo:
– Jaeger, Cap 6.1 - 6.4, 7.7, 8.4, 8.8
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Moduli digitali
• Un modulo funzionale digitale ha
– alimentazione (Val – GND)
– segnali di ingresso e uscita, espressi con variabili binarie
» gruppi di 1/0, in forma seriale o parallela
1 0 0 1 ...
0
1
1
0
VAL
MODULO
DIGITALE
GND
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Alimentazione e segnali
• La tensione di alimentazione è generalmente una
tensione positiva
– alcuni moduli complessi usano più tensioni, per ridurre il
consumo
– valori più comuni: 5 V; 3,3 V; 2,5 V; 1,8 V, .....
• In questa lezione analizziamo i segnali presenti su
singoli ingressi e uscite
– i risultati possono essere scalati per moduli con qualunque
numero di ingressi e uscite
1 0 0 1 ...
MODULO
DIGITALE
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1 0 0 1 ...
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Stati logici e livelli elettrici
• Gli stati logici (0/1, L/H) sono rappresentati mediante
grandezze elettriche (generalmente tensioni: V)
– stato 1, H :
livello elettrico alto, tensione VH
V
VH
– stato 0, L :
livello elettrico basso, tensione VL
VL
• La corrispondenza è una scelta arbitraria
– convenzione “logica positiva”: VH > VL
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Stati logici e livelli elettrici
• L’uscita di un circuito logico può essere vista come un
deviatore tra VH e VL.
VO
stato 1, H :
VO = VH
VH
stato 0, L :
VO = VL
VL
VO
VH
VL
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Stati logici e livelli elettrici
• L’uscita di un circuito logico può essere vista come un
deviatore tra VH e VL.
VO
VAL
stato 1, H :
VO = VH
VH
VO
stato 0, L :
VO = VL
VL
GND
Nelle logichè più comuni, in prima approssimazione
VH = VAL e VL = 0V (GND).
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Ingressi e uscite delle porte logiche
• Gli ingressi riconoscono lo stato logico confrontando
la tensione VI con una soglia VT.
– VI < VT: stato L
VO
livello alto
VI
VI > VT: stato H
VI
Riconosciuto
come stato alto
VH
VT
livello basso
VL
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Riconosciuto
come stato basso
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Campi di uscita
• Non è possibile garantire un valore preciso di
tensione in uscita;
– vengono specificati i valori limite: VOH e VOL
VO > VOH:
stato H
VO
VI
VO
Riconosciuto
come stato alto
VOH
VT
VO < VOL:
stato L
Riconosciuto
come stato basso
VOL
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Campi di ingresso
• Non è possibile garantire un valore preciso per la
tensione di soglia;
– vengono specificati i valori limite: VIH e VIL
VO > VOH:
stato H
VO < VOL:
stato L
VO
VI
VOH
VIH
VIL
VOL
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VI > VIH:
stato H
VI < VIL:
stato L
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Campi di ingresso e di uscita
• Situazione complessiva
V
uscita
ingresso
VOmax
VIMAX
livello alto
VOH
VIH
VOL
VIL
livello basso
VOmin
Campo ammesso
per le tensioni
di ingresso
VIMIN
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Collegamento tra porte logiche
• Con i campi indicati l’ingresso interpreta
correttamente gli stati logici presenti sull’uscita
VO
livello alto
VOH
VI
VIH
VT
VIL
VOL
livello basso
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Compatibilita’ tra porte
• Per compatibilità si intende la capacità di un insieme
di circuiti di scambiarsi correttamente stati logici.
– Gli ingressi interpretano correttamente i livelli di tensione.
• Devono sussistere le relazioni:
– VOL < VIL
» garantisce che uno uscita allo stato L generi agli ingressi delle
porte collegate VI < VIL , che vengono interpretati come stato L.
– VOH > VIH
» garantisce che uno uscita allo stato H generi agli ingressi delle
porte collegate VI > VIH , che vengono interpretati come stato H.
– Per garantire le disuguaglianze in tutte le condizioni:
» usare VILmax,VIHmin,VOHmin, VOLmax
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Esempi di (in)compatibilità
• L’uscita A pilota gli ingressi 1 e 2 con la tensione V’
– l’ingresso 1 non riconosce la tensione come stato alto
– l’ingresso 2 la riconosce come stato alto (è > VIH2)
Uscita A
VO
A
1
V’
2
Ingr.1
Ingr. 2
VI
VI
V’
VOH
VIH1
VOL
VIL1
VIH2
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VIL2
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Segnali logici o analogici ?
• Le tensioni che rappresentano le variabili logiche
sono segnali analogici
IDEALE
t
– A causa del rumore e delle non-idealità dei circuiti i segnali
possono assumere valori diversi da quelli previsti
REALE
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Situazione reale
• Rumore e disturbi modificano le tensioni presentate
dall’uscita.
VO
livello alto
VOH
VI
VIH
VT
VIL
VOL
livello basso
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Margini di rumore
V
• La differenza tra VOH e VIH ,
uscita
e tra VOLe VIL garantisce
che lo stato logico venga
livello alto
interpretato correttamente
VOH
anche in presenza di
margine
disturbi.
ingresso
VIMAX
VIH
stato logico
non definito
di rumore
• Questa differenza e’
il margine di rumore
(noise margin):
NMH = VOH - VIH
VOL
livello basso
VIL
VIMIN
NML = VOL - VIL
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Ripristino dei segnali digitali
• I segnali digitali possono essere riportati ai livelli di
tensione corretti
Vout
Vin
MODULO
DIGITALE
• Il modulo verifica se l’ingresso
è maggiore o minore di una
soglia Vt, e ripristina i livelli
Voh/Vol in uscita
• La sua trascaratteristica è
quella di un comparatore
(lezione B3/33)
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Vout
VOH
VOL
VS = VT
Vin
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Buffer digitale
• Un buffer ripete
il segnale logico,
ripristinando
i livelli, senza
eseguire altre
operazioni.
Vout
VOH
VOL
Vin
Vin
Vout
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Recupero del segnale digitale
• Ogni passo di
elaborazione
aggiunge rumore.
• Per i segnali
digitali la
degradazione
dovuta al rumore
è recuperabile
(se contenuta
entro certi limiti).
7-Jan-04 - 22
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Contenuti di questa lezione (D1)
• Caratteristiche elettriche dei dispositivi digitali
–
–
–
–
codifica in tensione degli stati logici, compatibilità
margini di rumore, ripristino dei segnali digitali
trascaratteristica
correnti in uscita
• Comportamento dinamico
– definizioni
– modello lineare
• Consumo di potenza
– statico,
– dinamico
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Come individuare VIH e VIL
VO
VI
• Trascaratteristica VO(VI)
di un buffer reale.
• Le tangenti a 45° inividuano
una zona con |Vo/Vi| > 1, che
garantisce la rigenerazione
del segnale logico.
VO
• Le tensioni di ingresso esterne
al campo VIH ... VIL vengono
riportate a livelli corretti
(> VOH o < VOL).
VOH
• Le tensioni VI comprese tra VIH
e VIL sono interpretate in
modo ambiguo.
VOL
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Tangente a 45°
VI
VIL
VIH
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Come individuare VIH e VIL
• I circuiti attuali hanno
trascaratteristica
praticamente verticale,
in corrispondenza di una
tensione VT
(tensione di soglia).
VO
VOH
VOL
VI
VT
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Come individuare VIH e VIL
• I circuiti attuali hanno
trascaratteristica
praticamente verticale
• La tensione di soglia
è definita con
scarsa precisione
VO
VOH
VOL
VI
VT
7-Jan-04 - 26
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Come individuare VIH e VIL
• I circuiti attuali hanno
trascaratteristica
praticamente verticale
VO
Tangente
a 45°
VOH
• La tensione di soglià
è definita con
scarsa precisione
VOL
• VIH e VIL sono individuate
dalle tengenti a 45° per le
trascaratteristiche limite
VI
VIL
VIH
7-Jan-04 - 27
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Esempio: invertitore logico
• Operazione logica:
• Simbolo (schemi)
OUT = NOT IN
IN
OUT
VO
• Trascaratteristica
ideale
VI
7-Jan-04 - 28
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Esempio: invertitore logico reale
Trascaratteristica
di componente
CMOS (74HC04)
C: Val = 5V
D: Val = 3V
Trascaratteristica
di componente
bipolare (74LS04)
A: Val = 5V
B: Val = 3V
7-Jan-04 - 29
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Esempio: invertitore logico
Confronto delle
trascaratteristiche
di componenti
CMOS (74HC04)
e bipolare (74LS04)
- diversa soglia
- diversa pendenza
scala asse x: 0,5 V/div
scala asse y: 1 V/div
7-Jan-04 - 30
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Tensioni comprese tra Vil e Vih (*)
VO
A
VOH
VIN
B
B
A
VI
VOL
VIL
VIN VIH
H
L
Se il livello di ingresso Vin è
intermedio tra le due soglie,
i buffer lo interpretano
come stati logici differenti.
E’ un caso di
tensioni di ingresso
ambigue
DATA SPLIT
7-Jan-04 - 31
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Contenuti di questa lezione (D1)
• Caratteristiche elettriche dei dispositivi digitali
–
–
–
–
codifica in tensione degli stati logici, compatibilità
margini di rumore, ripristino dei segnali digitali
trascaratteristica
correnti in uscita
• Comportamento dinamico
– definizioni
– modello lineare
• Consumo di potenza
– statico,
– dinamico
7-Jan-04 - 32
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Circuito equivalente in uscita
• L’uscita di un circuito logico
può essere vista come un
deviatore tra VAL e massa.
VAL
VO
GND
circuito equivalente
semplificato
7-Jan-04 - 33
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Circuito equivalente in uscita
• L’uscita di un circuito logico
può essere vista come un
deviatore tra VAL e massa.
VAL
ROH
VAL
VO
VO
ROL
GND
GND
circuito equivalente
semplificato
circuito più realistico
(modello lineare)
7-Jan-04 - 34
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Correnti di ingresso e di uscita
• Circuito equivalente
per due porte
collegate (stato H)
• La corrente IH che
circola nell’uscita
di A modifica
la tensione VO:
ROH
IH
VAL
VO
RI
VO = VAL – ROH*IH
• Per il corretto funzionamento deve essere VO > VOH,
quindi esiste un limite per la corrente IO
• Per garantire VO > VOH, deve essere IO < IOH
7-Jan-04 - 35
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Correnti di uscita
• Le condizioni su Vo sono garantite solo entro
determinati campi di Io
– Le correnti erogate o assorbite in uscita devono essere
limitate
• La corrente che circola nell’uscita è dovuta a:
– ingressi collegati all’uscita: IIL, IIH
(praticamente nulle nei circuiti moderni)
– altri carichi (diodi LED, resistenze, ...)
• La compatibilità elettrica richiede anche un
controllo sulle correnti
7-Jan-04 - 36
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Verifica sulle correnti di uscita
• Sommare separatamente le correnti nello stato
alto e quelle nello stato basso;
• Il valore limite deve essere rispettato per
entrambi gli stati H e L (in modulo):
|IHtot| = |Σ IH| < |IOH| ; |ILtot| = |Σ IL| < |IOL|
• I parametri VOL, VOH, IOL, IOH ,VIL, VIH,
descrivono completamente ingressi e uscite
logiche
– permettono di valutare l’effetto di carichi qualsiasi
– permettono di verificare la compatibilità logica
7-Jan-04 - 37
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Segno delle correnti
• Vale la convenzione di segno degli utilizzatori:
– sono positive le correnti entranti;
IOH < 0
IIH > 0
IOL > 0
IIL < 0
stato basso
stato alto
7-Jan-04 - 38
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Caratteristiche reali
La relazione
Vo(Io)
può essere
espressa in
forma grafica
VAL
VOH
stato H
stato L
(modello lineare)
Due rami distinti
per stato H e L
VO
VOL
IOL
IO
IOH
7-Jan-04 - 39
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Caratteristiche reali
VAL
La relazione
Vo(Io)
può essere
espressa in
forma grafica
VOH
(modello lineare)
Due rami distinti
per stato H e L
VO
VOL
IOL
IO
IOH
zone di corretto funzionamento
7-Jan-04 - 40
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Esercizio: verifica di compatibilità
• Verificare la compatibilità dei livelli di tensione
– usare VOL, VOH, VIL, VIH,
• Calcolare le correnti richieste dall’uscita per le due
condizioni H e L
– le correnti di ingresso dei circuiti digitali sono IIL, IIH
– negli altri dispositivi circolano correnti V/R
» se collegati a VAL consumano solo nello stato L
» se collegati a GND consumano solo nello stato H
• Verificare che rientrano nei limiti (data sheet)
– usare IOL, IOH
7-Jan-04 - 41
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Contenuti di questa lezione (D1)
• Caratteristiche elettriche dei dispositivi digitali
–
–
–
–
codifica in tensione degli stati logici, compatibilità
margini di rumore, ripristino dei segnali digitali
trascaratteristica
correnti in uscita
• Comportamento dinamico
– definizioni
– modello lineare
• Consumo di potenza
– statico,
– dinamico
7-Jan-04 - 42
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Parametri dinamici
• I segnali di ingresso hanno fronti con pendenza finita
– il riconoscimento del nuovo stato logico avviene con ritardo
rispetto al momento in cui è iniziata la transizione
• All’interno del modulo analogico avvengono variazioni
di tensioni e correnti: non possono essere istantanee
– il passaggio di un segnale logico dall’ingresso all’uscita
avvene con ritardo
• La combinazione di questi parametri determina
– un ritardo nella propagazione dei segnali logici entro il
sistema
– un limite alla velocità operativa
7-Jan-04 - 43
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Parametri dinamici dei segnali
• Tempi di salita (rise) e di discesa (fall)
– definiti tra 10% e 90% della variazione
VO
VH
VL
100
90
10
0
tf
7-Jan-04 - 44
tr
t
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Parametri dinamici dei moduli
• Ritardi e tempi di propagazione
– definiti con riferimento al 50% della variazione
– ritardi effettivi da valutare dalla Vo(t) e VT
VI
(VOH + VOL)/2
VOH
t
VOL
VO
tPLH
tPHL
VOH
t
VOL
7-Jan-04 - 45
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Dai data sheet (CMOS)
• tr e tf sono indicati come tT (tempi di transizione)
• viene indicato esplicitamente il verso della transizione
7-Jan-04 - 46
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Modello per l’analisi dei tT
uscita
Rete Thevenin
(VA, RO) per l’uscita
VA
Gruppo RI CI
per l’ingresso
RO
ingresso
B
VB
RI
CI
La tensione VB è
un esponenziale
E’ possibile calcolare il
tempi di salita e discesa.
90%
(generalmente le transizioni
sono governate da
fenomeni nonlineari)
10%
VA
VOH
VB
VOL
tTLH
t
7-Jan-04 - 47
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Modello per l’analisi dei ritardi
Rete Thevenin
(VA, RO) per l’uscita
Gruppo RI CI
per l’ingresso
uscita
VA
RO
B
ingresso
VB
CI
RI
La tensione VB è
un esponenziale
La variazione di stato
(L > H) viene
riconosciuta quando
VB attraversa VT
(ritardo tDLH)
VAL
VOH
VOL
VA
VT
VB
tDLH
7-Jan-04 - 48
t
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Page 24
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Andamento della tensione di uscita
• Modello lineare con cella RC
– La variazione di stato è vista come un gradino sul generatore
interno VA (tensione a vuoto)
» Transizione H-L
» VB(0) = VOL, V(∞) = VOL
» VB(t) =
» Transizione L-H
» VB(0) = VOH, V(∞) = VOH
» VB(t) =
7-Jan-04 - 49
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Calcolo dei ritardi
• Ritardi
– calcolabili dalla V(t) e dai parametri elettrici statici
– variabili in base a C, VT, e altri parametri
– nelle specifiche sono definiti come valore massimo per un
determinato valore di C di carico
V
VOH
VT1
VT2
VOL
tPLH1/2
7-Jan-04 - 50
t
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Ritardi e fan out
• I ritardi di propagazione dipendono da:
– ripidità dei fronti di ingresso
» fronti lenti aggiungono ulteriori ritardi
– livello di soglia
» la variazione di stato è rilevata quando VI attraversa VT
» VT è tra VIL e VIH; il ritardo non è esattamente definito
– Ro e Ci (modello lineare); per ridurre i ritardi
» driver a bassa Ro
» limitare la capacità vista da ciascuna uscita (bassa Ci)
– Nei circuiti attuali il carico capacitivo accettabile determina il
numero di componenti che possono essere collegati a
ciascuna uscita (fan out)
7-Jan-04 - 51
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Contenuti di questa lezione (D1)
• Caratteristiche elettriche dei dispositivi digitali
–
–
–
–
codifica in tensione degli stati logici, compatibilità
margini di rumore, ripristino dei segnali digitali
trascaratteristica
correnti in uscita
• Comportamento dinamico
– definizioni
– modello lineare
• Consumo di potenza
– statico,
– dinamico
7-Jan-04 - 52
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1/7/2004
Potenza consumata
• Il funzionamento di qualunque modulo richiede
energia
– parte dell’energia è usata per il funzionamento interno del
modulo
– parte dell’energia viene usata per i segnali
– parte dell’energia viene trasformata in calore
• L’energia necessaria viene fornita attraverso la
tensione di alimentazione (Val)
– l’alimentazione avviene per lo più a tensione costante
(5 V, 3,3 V, 2,5 V, …)
– l’indicatore del “consumo” è la corrente assorbita
dall’alimentazione
7-Jan-04 - 53
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Potenza statica
• Potenza statica Ps
– potenza assorbita da Val in assenza di commutazione
– legata ad una corrente continua (Icc) tra Val e Gnd
Val
IN
OUT
Icc
Gnd
7-Jan-04 - 54
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1/7/2004
Potenza dinamica
• Potenza dinamica Pd
– Potenza assorbita dall’alimentazione per
eseguire una commutazione (H->L o L->H)
» corrente (IL) che carica (o scarica) la capacità in uscita
» corrente (Isc) che scorre tra Val e Gnd durante la
commutazione
Val
IL
IN
OUT
Isc
Gnd
7-Jan-04 - 55
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Consumo statico e dinamico
• La Potenza statica dipende dalla tecnologia del
dispositivo
– strutture a bassa dissipazione (Low Power): consumo
praticamente nullo in assenza di commutazione
• La Potenza dinamica dipende dalla tecnologia, e
soprattutto dal carico
• Dispositivi integrati a bassa potenza
– prevale la potenza statica
• Dispositivi integrati ad alta velocità
– prevale la potenza dinamica
7-Jan-04 - 56
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1/7/2004
Potenza dinamica
• Carica in un condensatore: Q = C*V
• Corrente I = carica spostata in 1”
– Se il condensatore viene caricato e scaricato F volte al
secondo scorre una corrente F*Q = F*C*V
• Potenza Pd = V*I
– cambiare la tensione V su un condensatore C F volte al
secondo richiede una potenza
Val
Pd = V*I = F*V*V*C
Pd = F C
IL
V2
Out
In
(indipendente dalla tecnologia)
Isc
C
Gnd Gnd
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Perchè ridurre la potenza ?
Pd = F C V2
• Problemi legati a una elevata richiesta di potenza :
• Alimentatore più potente
– peso, ingombro, costo
– minor autonomia delle batterie
• Maggior calore da disperdere
– limite alla densità di integrazione
– sistemi di packaging e di raffreddamento particolari
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Come ridurre la potenza ?
• Ridurre la frequenza di commutazione F
– operazioni più lente
– inutile in termini di energia totale
» operazioni più lente, che richiedono più tempo
– usare algoritmi che richiedono minor numero di
commutazioni (operazioni logiche elementari)
• Ridurre la capacità C
– miglioramenti della tecnologia
• Ridurre l’escursione di tensione VH – VL
– dipendenza quadratica, effetto marcato
– ridurre ∆V , ma mantenere i margini di rumore (logiche LV)
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Prodotto potenza*ritardo
• Circuito logico ideale:
– Potenza dissipata nulla:
– Ritardo nullo:
Pd = 0
Tp = 0
• Circuiti logico reale:
– potenza e ritardo quanto più bassi possibile
• Pd e tp dipendono dalle capacità e dalle correnti
• Il reale fattore di merito della tecnologia è il
prodotto potenza*ritardo
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(Pd*Tp)
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Prodotto Pd x Tp e tecnologia
• Per una data tecnologia
– il prodotto Pd*Tp (di una singola porta) è costante
– C è fisso, I può essere variato
» Correnti elevate:
» Correnti deboli:
alta velocità e forte dissipazione
bassa velocità e bassa dissipazione
• Migliorando la tecnologia
– si riduce C
– si riduce ∆V (senza intaccare il margine di rumore)
– minor dissipazione
– minore ritardo
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Sommario di questa lezione (D1)
• Parametri di interfaccia statici di un modulo digitale
(tensioni e correnti in ingresso e uscita)
–
–
–
–
–
Mappatura stati - tensioni
Trascaratteristica
Margine di rumore, riprisitino dei segnali digitali
Correnti in uscita
Criteri di interfacciamento statico
• Parametri che definiscono il comportamento dinamico
– tempi di transizione
– ritardi
• Esempi di famiglie logiche
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Prerequisiti 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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