Lezione 6

Circuito Invertitore (1)
Implementazione
della funzione
NOT in logica
positiva
V(1) = 12 Volts
V(0) = 0.2 Volts
VR = -12 Volts
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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)
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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)
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Simulazione invertitore BJT
Invertitore
-12
V2
2.2k
R3
Vout
1.5k
vi
V3
R1
100k
R2
Q2N2222
Q1
V1
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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
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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
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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.
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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
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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)
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Funzione AND Cablato
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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.
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NAND HTL (2)
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Funzione di trasferimento NAND HTL
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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.
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DCTL NOR
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Funzione di Trasferimento NOR DCTL
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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
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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.
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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)
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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.
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RTL NOR
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Funzione di Trasferimento NOR RTL (1)
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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
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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.
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Porta NAND TTL
Diodo
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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.
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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
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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.
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Porta TTL di base
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Fabbricazione transistor a emettitore multiplo
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Funzione di trasferimento NAND TTL
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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.
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Famiglia ECL (2)
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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.
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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.
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Porta OR-NOR ECL (1)
T1a
T1b
T1c
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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
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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)
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Porta OR-NOR ECL (4)
-0,76
-1,58 V = V(1)
V(0)
V(0)
V(1)
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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)
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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.
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Funzione di trasferimento OR-NOR ECL
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Simulazione OR-NOR ECL
OR prima
OR
Reference
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1
Es. di trasmissione segnale ECL
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