INVERTITORE RESISTOR-TRANSISTOR LOGIC (RTL)

INVERTITORE RESISTOR-TRANSISTOR LOGIC (RTL)
FIG. 1. Resistor-Transistor Logic (RTL) inverter.
Vediamo un esempio di realizzazione di un invertitore (Figura 1).
Assumiamo inizialmente che il fan-out dell’inverter sia zero e usiamo per il transistor
BJT un modello a soglia. Proponiamoci di determinare la caratteristica di trasferimento statica.
In un transistor BJT è possibile identificare tre regione di funzionamento:
Regione di cut-off : Vin ≤ Von
BE .
Il transistor Q1 rimane nella regione di cut-off finché Vin = Von
BE . La corrente di
collettore IC è nulla e l’uscita coincide, nel caso di fan-out nullo, con la tensione di
alimentazione VCC e dunque
Vout = VOH = VCC = 5 V
on
VIL = VBE
= 0.7 V
Regione di attiva: Vin ≥ Von
BE .
1
Corso di Circuiti Elettronici Digitali LA
2
on
Vin − VBE
,
RB
= βF IB ,
IB =
IC
Vout = VCC − βF IB RC = VCC − βF
RC
on
(Vin − VBE
)
RB
La tensione di uscita Vout decresce linearmente all’aumentare di Vin finché il transistor rimane nella regione attiva. Aumentando ulteriormente la corrente di base IB ,
il transistor raggiunge la
Regione di saturazione:VCE = Vsat
CE
La tensione che è neccessario applicare all’ingresso per mandare il transistor in
saturazione la si può calcolare nel modo seguente. Quando Q1 è sul bordo della
saturazione
sat
VCC − VCE
IC =
RC
ma è anche sul bordo della regione attiva diretta
IB =
sat
Vinsat − VBE
RB
segue che
sat
RB VCC − VCE
sat
sat
Vinsat = RB IB + VBE
+ VBE
=
=
RC
βF
10KΩ 5 − 0.1
=
+ 0.8 = 1.5 V
1KΩ
70
sat
Vout = VOH = VCE
Riassumendo In Figura 2 è rappresentata la caratteristica dell’invertitore RTL.
A.A. 2006/2007
VIL
VIH
VOL
VOH
Von
BE
Vsat
in
Vsat
CE
VCC
0.7 V
1.5 V
0.1 V
5V
Corso di Circuiti Elettronici Digitali LA
3
NMH =VOH -VIH
3.5 V
NML =VOL -VIL
0.6 V
SW = VOH -VOL
4.9 V
Vout
VOH = VCC
Vin
soglia logica
Regione
Attiva
sat
VOL=VCE
on
VIL = VBE
Cutoff
sat
VIH = Vin
Vin
Saturazione
FIG. 2. Caratteristica di uscita statica dell’invertitore RTL.
POTENZA STATICA DISSIPATA
La potenza statica dissipata Pd si calcola mediante l’espressione
Pd = VIN IB + VDD IC
Dato che la corrente di base è tipicamente piccola rispetto a quella di collettore, la
dissipazione di potenza dovuta a IB può essere trascurabile.
Nel caso di uscita a livello logico alto, essendo nulla la corrente di collettore, nel
resistore RC non passa corrente e dunque la potenza statica è nulla
PdH = 0
Nel caso di uscita bassa, ovvero Vout = Vce = 0.1 V, la corrente richiesta al generatore
VCC è pari a
sat
VDD − VCE
5V − 0.1V
IC =
=
= 4.9 mA
RC
1KΩ
per cui la potenza statica dissipata è pari a:
PdL = VDD · IC = 24.5 mW
A.A. 2006/2007
Corso di Circuiti Elettronici Digitali LA
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EFFETTO DEL FAN-OUT SULL’INVERTITORE RTL
FIG. 3. Rete logica con FA = 1
Il Fan-Out indica il numero massimo di circuiti di carico del medesimo tipo che
è possibile collegare all’uscita di porta logica.
Per un fan-out nullo si è ottenuto che
VOH = 5V
N MH
= 3.5V
Vediamo ora qual è l’effetto del fan-out su VOH . Il transistor Q2 lavora nella regione
di saturazione, per cui VBE (Q2 )=Vsat
BE , e dunque
RB
sat
(VCC − VBE
)=
RB + RC
10KΩ
= 0.8 +
(5 − 0.8) = 4.6 V
1KΩ + 10KΩ
L’applicazione di un gate all’uscita ha provocato una riduzione della tensione di
uscita da 5 V a 4.6 V e quindi
sat
VOH = VBE
+
N MH = VOH − VIH = 4.6 V − 1.5 V = 3.1 V
Supponiamo ora di collegare due porte logiche in uscita. In questo caso l’espressione
della corrente di base IB (si veda la Figura 4) è
sat
IB = VDD − VBE
RC + RB /2
mentre l’espressione della tensione di uscita del primo inverter è data da:
sat
VOH = VBE
+
RB
sat
(VCC − VBE
) = 4.3 V
RB /2 + RC
In questo caso il Margine di Immunità ai disturbi alto (NMH) si è ridotto a
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FIG. 4. Rete logica con FA = 2
N MH = VOH − VIH = 4.3 V − 1.5 V = 2.8 V
Riassumendo:
FA=0
FA=1
FA=2
VOH
5V
4.6 V
4.3 V
MHH
3.5 V
3.1 V
2.8 V
Il numero massimo N di porte logiche che è possibile collegare in uscita si ha
quando il margine di immunità NMH = 0 e quindi
VOH = VIH
Quando Q1 è spento e sono presenti N gate in uscita, si ha il parallelo delle resistenze
di base RB (si veda la figura 5 e quindi si ha
sat
VBE
+ RB /N
sat
sat
VCC − VBE
RB VCC − VCE
=
RB /N + RC
RC
βF
Risolvendo in N si trova
N
N
sat
VCC − VBE
RB
sat − R
VCC − VCE
C
5.0 − 0.8 10
≤ 70
−
= 50
5.0 − 0.1
1
≤ βF
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FIG. 5. Rete logica con FA = N
N = 0
N = 1
5
N = 2
3
V
OUT
(V)
4
2
1
0
0
1
2
3
V
IN
4
5
(V)
FIG. 6. Caratteristica statica con Fan Out non nullo.
La figura 6 mostra l’andamento della caratteristica statica in funzione del Fan-out.
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ESERCIZIO
Che funzione realizza il circuito in figura 7?
FIG. 7.
Vi1
Vi2
Vout
L
L
H
L
H
L
H
L
L
H
K
L
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