conoscere diverse forme di stadi di uscita di dispositivi logici saper

D2x - Presentazione della lezione D2
1/1- Obiettivi
! conoscere diverse forme di stadi di uscita di
dispositivi logici
! saper calcolare resistori di pull-up per open
collector
! saper eseguire calcoli di fanout
! conoscere la connessione differenziale
D2a – STADI DI USCITA
1/13- wired-or
Dal punto di vista delle interconnessioni, lo stadio d’uscita
deve soddisfare due esigenze:
• poter pilotare più ingressi di porte della stessa famiglia
(fan-out)
• poter tollerare il parallelo con altri stadi d’uscita della
stessa famiglia
Perche’ si devono collegare piu’ uscite logiche insieme?
• Per realizzare funzioni logiche “cablate” senza usare
dispositivi fisici (WIRED - OR logic)
• Per avere sistemi modulari in cui non e’ noto a priori il
numero di dispositivi logici con uscite connesse allo
stesso punto (ad esempio il numero di schede collegate
sul bus di un PC)
D2a – STADI DI USCITA
2/13- tipi di stadi d’uscita
I tipi di stadi d’uscita che saranno presentati sono:
• totem-pole
• three-state
• open-collector (open-drain)
D2a – STADI DI USCITA
3/13- totem pole ideale
Il totem pole è lo stadio d’uscita già modellato come esempio
di inverter la lezione scorsa, nel quale l’uscita è collegata
attraverso un deviatore o a Val o a Gnd
Val
Vout
Gnd (0)
nella realtà il deviatore è
realizzato con due
interruttori, (a loro volta
ottenuti con transistori).
Essi, aperti, presentano
una resistenza che si può
ritenere infinita, chiusi, una
resistenza che non può
ritenersi nulla.
D2a – STADI DI USCITA
4/13- totem pole reale
Il totem pole reale è modellabile con il seguente circuito
Val
Un interruttore (SWu o SWd) e’ sempre
chiuso mentre l’altro e’ sempre aperto.
Out e’ quindi sempre collegato o alla Val o
a Gnd tramite una resistenza Rpu o Rpd,
che definisce anche la resistenza di uscita
Out all’uno o allo zero logico.
Se Rpu e Rpd sono diverse, anche le
costanti di tempo di carica e scarica della
capacita’ di uscita differiranno.
SWu = SWitch-up SWd= SWitch-down
Rpu = R-pull-up Rpd= R-pull-down
Rpu
SWu
SWd
Rpd
Gnd
D2a – STADI DI USCITA
5/13- totem pole e wired-or
Non si possono intercollegare le uscite di due totem pole
Val
Rpu1
Rpu2
SWu1
SWu2
ISC
SWd1
Rpd1
ISC
SWd2
Se i due dispositivi
forzano in uscita
valori logici diversi,
si crea un percorso
conduttivo a bassa
resistenza tra
alimentazione e
massa!!!!
Rpd2
Gnd
D2a – STADI DI USCITA
6/13- three-state ideale
Val
Il THREE-STATE è concettualmente uguale
al TOTEM-POLE, ma il deviatore e’ a tre
posizioni, e permette anche la connessione
ad un terzo morsetto non connesso.
Out
E’ il cosiddetto TERZO STATO
(o stato di ALTA IMPEDENZA) (HIGH Z)
in cui il dispositivo non pilota l’uscita, e
presenta un’ impedenza d’uscita elevata
Gnd
D2a – STADI DI USCITA
7/13- three-state reale
Val
E’ realizzato come il TOTEM-POLE, ma
e’ anche possibile tenere aperti
entrambi gli interruttori SWu e SWd
Rpu
SWu
Out
SWd
Rpd
Gnd
E’ quindi necessario, oltre
all’ingresso che comanda gli SW in
modo complementare, un ingresso
di controllo per aprire entrambi gli
SW, cioè per disabilitare l’uscita
(OUTPUT ENABLE - OE)
D2a – STADI DI USCITA
8/13- three-state inverter
In
In
Out
OE
OE Out
0
0
1
1
0
0
0
1
Z
ATTENZIONE!
E’ indispensabile abilitare una sola uscita per volta, per evitare lo
stesso problema dello stadio totem-pole
D2a – STADI DI USCITA
9/13- three-state inverter
In1
OE1
In2
OE2
In3
OE3
ATTENZIONE!
E’ indispensabile abilitare
una sola porta per volta, per
evitare lo stesso problema
dello stadio totem-pole
D2a – STADI DI USCITA
10/13- open-collector ideale
Out
SWd
Gnd
In
Lo stadio di uscita open-collector (-drain)
e’ realizzato semplicemente con un
interruttore verso la tensione di
riferimento (Gnd) .
Se l’interruttore e’ chiuso,
Out viene forzato a Gnd,
se e’ aperto lo stadio si comporta come il
three-state, quando disabilitato.
Per l’inverter vale la tabella
Out
In
1
0
Out
0
Z
D2a – STADI DI USCITA
11/13- resistore di pull-up
L’open-collector richiede un resistore (di Pull-Up) per “tirare
su” la tensione quando lo SW è aperto. Lo schema e la
tabella dell’inverter diventano:
Val
Rpu
In
Out
In
1
0
Out
0
1
D2a – STADI DI USCITA
12/13- wired-or con open-collector
Val
Rpu
SWd1
Basta che uno SW sia chiuso
perche’ la linea vada a 0 :
wired-or.
E’ sufficiente una sola Rpu
per tutta la linea di Out
SWd2
Gnd
D2a – STADI DI USCITA
13/13- open-collector reale
Val
Rpu
SWd1
Rpd1
Gnd
SWd2
Rpd2
I valori di resistenza
(solitamente Rpu >> Rpd)
incidono sui ritardi di
commutazione.
Le costanti di tempo
relative sono
τf = Rpd*C
τr = Rpu*C
D2b – CALCOLO DI Rpu
1/5- impostazione
Val
Rpu
1
1
m
Il calcolo deve tener conto di
quanti Tx sono connessi in
wired-or (m) e di quanti Rx
sono pilotati (n).
Per semplicita’ supponiamo
tutte le porte dello stesso tipo.
2
n
Gnd
D2b – CALCOLO DI Rpu
2/5- condizioni per stato logico “1”
Val
IR
Rpu
1
1
m IOH
n IIH
2
m
“1” :
Nessun Tx pilota la linea: la corrente in Rpu
deve sostenere tutte le IOH e le IIH
,garantendo la VOH
n
IR = (Val – VOH) / Rpu > m IOH + n IIH
Nel caso peggiore, tenendo conto delle tolleranze di Val, si ricava Rpumax :
IRmin = (Valmin – VOH) / Rpumax > m IOH + n IIH
D2b – CALCOLO DI Rpu
3/5- condizioni per stato logico “0”
Val
IR
Rpu
1
1
IOL
n IIL
2
m
“0” :
Un solo Tx pilota la linea: la corrente in Rpu
e le IIL non devono superare IOL,
garantendo la VOL
n
IR+nIIL = (Val – VIL) / Rpu +nIIL< IOL
Nel caso peggiore, tenendo conto delle tolleranze di Val, si ricava Rpumin :
IRmax+nIIL = (Valmax – VIL) / Rpumin +nIIL< IOL
D2b – CALCOLO DI Rpu
4/5- conclusioni
Si ottiene un intervallo di valori di Rpu validi:
Rpumin < Rpu < Rpumax
Che criterio usare per la scelta?
Rpu piccola " circuito più veloce, assorbe più potenza
Rpu grande " circuito più lento, assorbe meno potenza
D2b – CALCOLO DI Rpu
5/5- esercizio numerico
Calcolare la Rpu per una linea con 3 driver O.C. e 4 ricevitori con le
caratteristiche sotto riportate ( Val = 5 V +- 5%)
VOL = 0.5 V
VOH = 3.76 V
VIL = 0.8V
VIH = 3.15 V
IOH
IOL
IIL
IIH
= 100 uA
= 8 mA
= - 1 uA
= 1 uA
Negli open-collector
la IOH è entrante e può
degradare il livello dell’
uno logico
Nell’ipotesi di pilotare una C di 1pF, come risulta il tempo di
salita sulla linea?
D2c – CALCOLO DI FAN-OUT
1/3- enunciato
Val = 5V
LS
Rpu
1 kΩ
Rpd
10 kΩ
Gnd
VOL
VOH
VIL
VIH
(V)
(V)
(V)
(V)
LS
HCT
0.50
0.50
oltre alla porta
tipo HCT, quante
2.70
3.76
porte 0.80
di tipo LS
puo’ pilotare ?
0.80
3.15
2.00
HCT
? (LS)
IOL
IOH
IIL
IIH
(mA)
(mA)
(mA)
(mA)
8.00
-0.40
-0.40
0.02
8.00
- 0.10
-10-3
10-3
D2c – CALCOLO DI FAN-OUT
2/3- analisi stato logico “0”
Val = 5V
“0”
LS
Rpu
1 kΩ
IIL
HCT
Ipu
IOL
Rpd
10 kΩ
VOL
Ipd
Gnd
n*IIL
? (LS)
compatibilita’ delle tensioni: VOL < VIL 0.5 < 0.8
equazione delle correnti nel nodo :
IOL+ Ipd = Ipu + IIL+ n*IIL Ipu = (Val- VOL)/1kΩ = 4.5mA
Ipd = VOL/10kΩ = 0.05mA
8 +0.05= 4.5 + 0.001 + n*0.4 n = (8.05- 4.5) / 0.4 = 8 porte
D2c – CALCOLO DI FAN-OUT
3/3- analisi stato logico “1”
Val = 5V
“1”
LS
Rpu
1 kΩ
IIH
HCT
Ipu
IOH
Gnd
Rpd
10 kΩ
VOH
Ipd
n*IIH
compatibilita’ delle tensioni: VOH > VIH 2.7 > 2
? (LS)
equazione delle correnti nel nodo :
IOH + Ipu = Ipd + IIH+ n*IIH Ipu = (Val- VOH)/1kΩ = 2.3mA
Ipd = VOH/10kΩ = 0.27mA
0.4+2.3=0.27+0.001+n*0.02 n = (2.7- 0.27) / 0.02 = 121 porte
D2d – MODO DIFFERENZIALE
1/2- segnale differenziale
Alcuni dispositivi (solitamente per alta velocita’) hanno stadi
di uscita che forniscono, oltre al segnale diretto, anche il suo
complementare.
In questi casi anche gli stadi di ingresso devono accettare
segnali complementari, per poter agire al massimo della
velocita’ .
LINEA DIFFERENZIALE
D2d – MODO DIFFERENZIALE
2/2- segnale differenziale
la trasmissione differenziale presenta notevoli vantaggi:
"maggiore immunita’ al rumore (convertito in modo comune)
"minore dinamica dei segnali singoli (e quindi maggior velocita’)