Circuito Invertitore (1) Implementazione della funzione NOT in logica positiva V(1) = 12 Volts V(0) = 0.2 Volts VR = -12 Volts Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Circuito Invertitore (2) Se l’ingresso vi è nello stato 0 (V=0 Volts) il transistor è in interdizione Infatti: vi – VE = 0 la giunzione BE è polarizzata inversa Inoltre: vi –I1R1 –I2R2 = VR ; I1=I2+IB Se IB = 0 I2=I1 = (vi-VR)/(R1+R2) = 12/115 A ≅ 0.1 A VB = vi-I1R1 = 0-12/115*15 = 180/115 ≅ -1.5 Volts VB – VCC = -1.5 – 12 Volts = -13.5 Volts BC è polarizzata inversa IC = 0 vo = VCC = V(1) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Circuito Invertitore (3) Se l’ingresso vi è nello stato 1 (V=12 Volts) il transistor è in saturazione Per verificare l’ipotesi se è vera, IB > IB(min) = IC/hFE In saturazione: VCE= 0.2 Volts,VBE = 0.8 Volts ; IC = (VCC-VCE(sat))/RC = 5.36 mA IB(min) = IC/hFE = 5.36/30 mA = 0.179 mA I1 = (vi-VBE)/R1 = 0.747 I2 = (VBE – VR)/R2 = 0.128 mA IB = I1-I2 = 0.619 mA > 0.179 mA = IB(min) È verificata la saturazione vo = VCE = 0.2 =V(0) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Simulazione invertitore BJT Invertitore -12 V2 2.2k R3 Vout 1.5k vi V3 R1 100k R2 Q2N2222 Q1 V1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta NAND DTL Porta NAND realizzata in logica positiva con tecnologia DTL (DiodeTransistor-Logic) V(1) = 12 Volts V(0) = 0.2 Volts VR = -12 Volts Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Simulazione NAND DTL (1) -12 V6 Vand Va R1 V3 Vb 10 R2 V1 Vc V2 10 10 R4 2.2k R3 D1N4148 D3 D1N4148 D1 D1N4148 Vout 15k R6 100k R7 Q2N2222 Q1 D2 15k R5 12 V5 12 V4 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Problemi tecnici del NAND DTL 1) Il capacitore C1 necessario per migliorare il tempo di risposta dell’invertitore (aiuta a svuotare la base dai portatori minoritari di carica quando si passa da uno stato logico all’altro, cioè dalla saturazione all’interdizione. 2) È più facile integrare diodi e transistor che resistenze e capacità in un circuito integrato. 3) Sono necessarie due sorgenti di potenziale (+12 V e –12 V oltre al valore di riferimento 0 V) Importante modificare lo schema elettrico. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 NAND DTL modificata (1) Porta NAND realizzata in logica positiva con tecnologia DTL (DiodeTransistor-Logic) modificata (diodi al posto di resistenza e capacità sull’ingresso al transistor) V(1) = 5.0 Volts V(0) = 0.2 Volts VCC = 5.0 Volts Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 NAND DTL modificata (2) a) Eliminato il condensatore C1 c) Ridotti il numero delle resistenze ed il loro valore massimo (max 5 kΩ contro i 100 kΩ di prima) c) Una sola sorgente di potenziale +5 V (minore delle precenti minore potenza dissipata) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzione AND Cablato Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia HTL (1) La famiglia High Threshold Logic ha le seguenti caratteristiche: ● Tensione di alimentazione maggiore (VCC = 15 V) (per aumentare il margine di rumore a 7 Volts) ● Valori delle resistenze più elevati (per mantenere costante la corrente, ossia la dissipazione di potenza) ● Diodo D2 sostituito con Diodo Zener (per sostenere una d.d.p. più elevata) ● Tempi di propagazione di circa 100 ns (a causa delle resistenze più elevate) ● Maggiore stabilità in funzione della temperatura. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 NAND HTL (2) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzione di trasferimento NAND HTL Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia DCTL La famiglia Direct-Coupled Transistor Logic ha le seguenti caratteristiche: 1) Assenza di diodi e di capacità; 2) Resistenze ridotte al minimo; 3) Necessaria una sola sorgente di potenziale. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 DCTL NOR Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzione di Trasferimento NOR DCTL Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Vantaggi Famiglia DCTL •È necessaria solo una sorgente VCC a basso voltaggio (anche 1.5 Volts possono bastare) •Si possono usare transistor con bassi valori di tensione di rottura (Breakdown Voltage) •Bassa potenza dissipata Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Problemi Famiglia DCTL (1) • Tutte le correnti di saturazione inverse si sommano ed attraversano RC: può verificarsi un calo di tensione ai capi di RC che impedisce ai transistor Q1, … Qn di entrare in saturazione. • La corrente di base è circa uguale a quella di collettore [se VCC >> VCE(sat) e VCC >> VBE (sat) ] tempi lunghi per la rimozione delle cariche dalla regione di svuotamento durante un cambiamento dello stato del segnale. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Problemi Famiglia DCTL (2) •Bassi margini di rumore (0.6 volts tra livello alto e quello basso) •Le basi dei transistor di fan out sono collegate assieme e poiché c’è sempre una piccola differenza tra transistor anche della stessa famiglia (es. VCE(sat) = 0.74 - 0.76 Volts) la corrente può scegliere preferenzialmente una delle vie di fan-out piuttosto che ripartirsi equamente tra tutte (accaparramento della corrente) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia RTL Per superare alcuni dei problemi della famiglia DCTL la famiglia Resistor-Transistor Logic adotta l’accorgimento di inserire resistenze tra le basi ed i segnali; È possibile aumentare la tensione di alimentazione con la conseguenza di aumentare la tolleranza al rumore e di diminuire l’importanza dell’omogeneità dei transistor, al prezzo di aumentare la potenza dissipata. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 RTL NOR Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzione di Trasferimento NOR RTL (1) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzione di Trasferimento NOR RTL (2) Dipendenza dalla temperatura: -55 °C = limite inferiore di funzionamento + 25°C = temperatura ambiente +125°C = limite superiore di funzionamento Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia TTL La famiglia TTL (Transistor-Transistor-Logic) cerca di eliminare tutte le componenti che non siano transistor nella realizzazione delle porte logiche. Inoltre vuole aumentare la velocità di funzionamento di una singola porta. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta NAND TTL Diodo Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Limiti delle porte DTL Velocità di funzionamento, cioè velocità di transizione tra livelli logici. Il maggior problema: Se T3 è in saturazione (ingresso Vi = V(1)) e Vi diventa = V(0), che T3 cerca di andare in interdizione. Tuttavia occorre rimuovere la carica nella base di T3 E questo può avvenire solo attraverso Rb o correnti di ricombinazione. tempi di circa 100 ns. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzionamento porte TTL (1) Idea di base: collegare alla base di T3 il transistor T1 rendendo possibile uno svuotamento molto più veloce delle cariche immagazzinate nella base di T3. Il meccanismo prevede che: Vi = V(1) base-emettitore di T1 polarizzata inversamente base-collettore di T1 polarizzata direttamente Transistor T3 in saturazione. Vi = V(0) base-emettitore di T1 polarizzato direttamente base-collettore di T1 polarizzato direttamente Transistor T3 in interdizione Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzionamento porte TTL (2) Porta DTL: se T3 è saturo VBE = 0.75 Volts La corrente di base se il diodo D è interdetto è: Iv = VBE /Rb = 0,75/2 KΩ = 0,38 mA Porta TTL: se Vi = V(0) Ib1 = (VCC-VBE(sat))/R = 1,1 mA Inizialmente T1 è in regione attiva VCE1 = 0,75 Volts La corrente I = hFEIb1 = 30*1,1 mA = 33 mA Rapporto tra i tempi: 33/0,38 100 volte più veloce. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta TTL di base Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Fabbricazione transistor a emettitore multiplo Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzione di trasferimento NAND TTL Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia ECL (1) La famiglia ECL (Emitter Coupled Logic) viene introdotta per aumentare ulteriormente la velocità di funzionamento. Tutte le famiglie viste finora usano dei transistor che lavorano nella regione di saturazione (RTL, DTL, TTL). È possibile disegnare un dispositivo che invece usi la zona attiva e l’interdizione? Problema fondamentale: L’intervallo di valori che copre la regione attiva è molto limitato (alcuni decimi di volt) e basta poco per sbilanciare il dispositivo e farlo uscire dalla regione attiva. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia ECL (2) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia ECL (3) Soluzione: Cellula base: Coppia Differenziale con gli emettitori dei due transistor Q1 e Q2 collegati assieme Principio di funzionamento: La base di Q2 viene mantenuta ad una tensione di riferimento fissa VR, mentre alla base di Q1 si applica il segnale di ingresso Vi. Se Vi < VR, T1 è interdetto e la corrente passa per Q2. Se Vi > VR, T2 è interdetto e la corrente passa per Q1. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Caratteristiche porte ECL Differenza tra i due stati logici: 0,8 V. Larghezza regione di transizione: 0,150 V. Margine di rumore: 0,34 V. Fan-out tipico: > 25 (anche 250). Velocità di funzionamento: 0.75 - 2 ns + carico capacitivo. Dipendenza dalla temperatura: molto bassa a causa della simmetria del circuito. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta OR-NOR ECL (1) T1a T1b T1c Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta OR-NOR ECL (2) T2 = transistor di riferimento T1a, T1b, T1c = linee di ingresso dei segnali T3 e T4 : transistor di uscita per l’adattamento del livello del segnale di uscita a quello di ingresso. VCC = 0 Volts VEE = - 5,2 Volts = tensione di alimentazione VR = -1,175 Volts = tensione di riferimento Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta OR-NOR ECL (3) Le tensioni che definiscono i vari modi di funzionamento di un transistor tipico per una porta ECL sono (a temperatura ambiente): Vγ = 0,70 Volts: VBE (attiva) = 0,75 Volts: VBE (sat) = 0,80 Volts: tensione di soglia regione attiva saturazione La variazione di tensione necessaria per passare da uno stato all’altro è molto piccola (0,1 Volts) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta OR-NOR ECL (4) -0,76 -1,58 V = V(1) V(0) V(0) V(1) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta OR-NOR ECL (5) Se VB1a è nello stato V(1), allora T1 è ON e T2 è OFF. VC2 = VB4 = 0 Volts = V(0) Se VBE4 = - 0,75 Volts, IE4 = (VBE4 –VEE )/1,5 kΩ = 3 mA Poichè hFE = 100 per transistor in famiglie ECL IB4 = IE4/(hFE +1) = 0,03 mA. VC2= VB4/RC2= - 0,01 V Vo2 = - 0,75 - 0,01 = - 0,76 Volts = livello alto = V(1) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta OR-NOR ECL (6) Se VB1a diminuisce per tendere a V(0), allora T1 è OFF e T2 ON VE = VRc - VBE2 (attiva) = -1,925 Volts Vo2= VB4–VBE4(attiva) = -1,58 Volts = livello basso =V(0) È verificata la funzione OR. Se prendiamo invece il potenziale Vo1 abbiamo che si può fare una analisi simile da cui si ricava che: Se VB1a = V(0) Vo1= V(1) ; se VB1a = V(1) Vo1= V(0) che verifica la funzione NOR. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzione di trasferimento OR-NOR ECL Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Simulazione OR-NOR ECL OR prima OR Reference Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Es. di trasmissione segnale ECL Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1