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2003 DDC 1
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7-Jan-04 - 1 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Ingegneria dell’Informazione
Modulo
SISTEMI ELETTRONICI
D - Versione IVREA - AA 2003-04D2 - Interfacciamento elettrico e famiglie logiche
- stadi di uscita
- famiglie logiche
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2003 DDC 2
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7-Jan-04 - 2 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Obiettivi del gruppo di lezioni D
• Moduli digitali– Caratteristiche elettriche di un circuito digitale
(alimentazione, tensioni e correnti di ingresso e uscita)– Comportamento dinamico dei dispositivi logici
(tempi di salita e discesa, tempi di propagazione)– Interfaccia tra dispositivi logici di diverso tipo
(stadi di uscita, compatibilità, fan-out)– Famiglie logiche
• Interfacciamento tra mondo analogico e digitale– Da segnale analogico a digitale (a singolo bit)– Comparatori di soglia senza e con isteresi
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2003 DDC 3
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7-Jan-04 - 3 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Contenuti di questa 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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2003 DDC 4
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Circuito di uscita
• L’uscita di un circuito logicobinario può essere vistacome un deviatoretra VAL e massa.
• Stato H:– tensione di uscita
prossima a VAL
• Stato L:– tensione di uscita
prossima a GND
VO
VAL
GND
circuito equivalente semplificato
H
L
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2003 DDC 5
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Circuito equivalente Totem Pole
• Il deviatore è realizzatocon due interruttoria comando complementare
• Stato H– SWH chiuso, SWL aperto
• Stato L– SWL chiuso, SWH aperto
GND
circuito equivalente semplificato
VO
VAL
SWH
SWL
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7-Jan-04 - 6 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Parametri elettrici di uscita Totem Pole
• Già definiti nella D1 per una uscita logica:– tensioni: VOL, VOH, correnti: IOL, IOH
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2003 DDC 7
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7-Jan-04 - 7 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
VO
VAL
GND
Collegamento tra più uscite
• Se le due uscite sono in statiopposti, scorre corrente traVal e GND
• Le Ro sono basse
• La corrente può essereanche alta !
• COLLISIONE
• Distruzione del dispositivo per eccessiva dissipazione
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2003 DDC 8
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7-Jan-04 - 8 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
STADI DI USCITA 4
Perché si devono collegare più uscitelogiche insieme?
Per realizzare funzioni logiche “cablate” senzausare dispositivi fisici (WIRED - OR logic)
Per avere sistemi modulari in cui non è noto apriori il numero di dispositivi logici connessi (adesempio il numero di schede collegate sul bus di unPC)
OCCORRE USARE STADI DI USCITACHE PERMETTANO LA CONNESSIONE
DIRETTA DELLE USCITE
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2003 DDC 9
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7-Jan-04 - 9 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
STADI DI USCITA 5
STADIO DI USCITA THREE-STATE
Concettualmente è simile al TOTEM-POLE, solo che il deviatore è a treposizioni, permettendo anche laconnessione ad un terzo morsetto nonconnesso
Val
Gnd
OutÈ il cosiddetto TERZO STATO o stato diALTA IMPEDENZA (Z) in cui ildispositivo NON pilota l’uscita mapresenta un’impedenza d’uscitaELEVATISSIMA (HIGH Z)
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2003 DDC 10
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7-Jan-04 - 10 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Circuito equivalente Three-State
• L’uscita a tre stati puòessere vista come undeviatore a tre posizioni
VO
VAL
GND GNDNella posizione Z lo stato dell’uscita dipende dal circuito esterno.
Modello a interruttori con comandi indipendenti
VO
VAL
SWH
SWL
HZL
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7-Jan-04 - 11 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Altro modello per 3-S
• Stadio TP + interruttore di abilitazione in seriesull’uscita
• Questo modello evidenzia il comando diabilitazione o ENABLE
– SWL comanda lo stato logico dell’uscita (se abilitata)– SWE abilita/disabilita l’uscita
VO
VAL
GND
SWL
SWE
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7-Jan-04 - 12 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Parametri elettrici di uscita 3-stati
• Abilitata:– come per Totem pole:
tensioni: VOL, VOH, correnti: IOL, IOH
• Non abilitata (HiZ, Open)– solo corrente di perdita: IOZ
– generalmente molto più piccola delle IO– stesso ordine di grandezza delle II
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7-Jan-04 - 13 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Esempio di uscita 3-S
• Invertitore logico con uscita a tre stati
– Comando di abilitazione attivo allo stato L– Simbolo grafico per uscita 3-S
HLL
Hi-ZH-
LLH
OutOEIn
OE
In Out
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7-Jan-04 - 14 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Collegamento tra più uscite
L’uscita 3-S permette di collegarepiù uscite allo stesso nodo: deveessere abilitato un solo stadio diuscita per volta (un solo segnaleOE può essere attivo)
ATTENZIONE!!!!Se si abilitano due uscitecontemporaneamente si ha lostesso problema dello stadiototem-pole: collisione
OE1
In1
OE2
In2
OE3
In3
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7-Jan-04 - 15 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Uso delle uscite tre-stati
• Per usare uscite 3-S occorreun modulo di controllo, chegenera le abilitazioni in modoesclusivo (una sola per volta)
– bisogna sapere a prioriquale uscita abilitare
• Esempi:– lettura di memorie o registri– multiplexer
• Non usabile se non è possibileuna selezione a priori
– interrupt
In1
In2
In3
Controlloabilitazioni
OEi
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7-Jan-04 - 16 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Uscita Open Collector (Open Drain)
Gnd
Out
SW dLo stadio di uscita è realizzatosemplicemente con un interruttore versouna tensione di riferimento (Gndnell’esempio)
Se l’interruttore è chiuso, Out vieneforzato a Gnd; se è aperto lo stadio sicomporta come lo stadio three-state inalta impedenza.
Non si può avere collisioneIn Ou
t
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2003 DDC 17
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7-Jan-04 - 17 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Parametri elettrici di uscita OC
• Stato basso:– come per Totem pole, solo stato basso:
tensione: VOL, corrente: IOL
• Aperta (HiZ, Open)– come per tre-stati disabilitata: solo corrente di perdita: IOH
– molto più piccola delle IO , stesso ordine di grandezza delle II
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2003 DDC 18
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7-Jan-04 - 18 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Wired AND con O.C.
Per funzionare è necessaria una resistenza (resistenzadi Pull-Up) per “tirare su” la tensione quando lo stadioopen-collector non pilota l’uscita (SW aperto)
Rpu
Val
Gnd
SW d1
Gnd
SW d2 Basta che uno SW siachiuso perché la linea vadaa livello basso
Esempio: linee di richiestadi interruzione IRQ
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2003 DDC 19
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7-Jan-04 - 19 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Operazioni logiche con O.C.
• Collegando assieme più uscite OC (con resistenza dipull-up) è possibile realizzare
– AND tra variabili H» il nodo comune va nello stato H solo se tutte le uscite
(operatore AND) sono aperte (Stato H)» WIRED AND
– OR tra variabili L» il nodo comune va nello stato L quando anche una sola uscita
(operatore OR) è chiusa verso massa (Stato L)» WIRED OR
• Permettono di ottenere porte logiche modulari, in cuiè possibile variare il numero di ingressi.
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2003 DDC 20
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7-Jan-04 - 20 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Interruttori elettronici
• Un interruttore elettronico ha due stati
– chiuso ON» modello ideale: corto circuito» modello reale: resistenza Ron
– aperto OFF» modello ideale: circuito aperto» modello reale: corrente di perdita Ioff
(segno non noto)
Ron
Ioff
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2003 DDC 21
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7-Jan-04 - 21 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Modello lineare di stadio di uscita
• Nell’uscita Totem Pole idue interruttori hannocomando complementare
– H: SWH chiuso/SWL aperto– L: SWH aperto/SWL chiuso
• Nell’uscita Tre Stati icomandi sono indipendenti
– (Hi)Z: SWH e SWL aperti
• Nell’uscita Open Collectorè presente solo SWL
– L: SWL chiuso
GND
VO
VAL
ROH
ROL
SWH
SWL
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2003 DDC 22
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7-Jan-04 - 22 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
STADI DI USCITA 11
STADIO OPEN_COLLECTOR (OPEN_DRAIN) REALE
Per il corretto funzionamento deve essere Rpu >> Rol
I valori di Rpu e Rol determinano i ritardi di commutazione
τr = Rpu C τf = Rol C
Rpu
Val
Gnd
Rol SW d1
Gnd
RolSW d2
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2003 DDC 23
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7-Jan-04 - 23 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
STADI DI USCITA 12
STADIO DI USCITA OPEN_COLLECTOR (OPEN-DRAIN)
Calcolo della Rpu
Rpu
Val
1
m
n
1
2
In generale ci saranno m driver e n ricevitori(per semplicità supponiamo dello stesso tipo)
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2003 DDC 24
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7-Jan-04 - 24 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
STADI DI USCITA 13
Rpu
Val
1
m
n
1
2
“H” :Nessun driver pilota la linea lacorrente in Rpu deve sostenere tutte leIOH e le IIH garantendo la VOH
IR = (Val – VH) / Rpu > m IOH + n IIH
IR
mIOH
n IIH
Nel caso peggiore:
(Val min – VH) / Rpu max > m IOH + n IIH
Calcolo della Rpu
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2003 DDC 25
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7-Jan-04 - 25 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
STADI DI USCITA 14
Rpu
Val
1
m
n
1
2“L” :Supponiamo un solo driver che pilota lalinea a L la corrente in Rpu e le IIL nondevono superare la massima IOL(garantendo così la VOL)
IR + n IIL = (Val – VIL) / Rpu + n IIL < IOL
IR
IOL n IIL
Nel caso peggiore:
(Val max– VIL) / Rpu min < IOL - n IIL
Calcolo della Rpu
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2003 DDC 26
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7-Jan-04 - 26 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
STADI DI USCITA 15
Si ottiene un intervallo di valori di Rpuvalidi:
Rmin < Rpu < Rmax
Rpu
Val
1
m
n
1
2
Calcolo della Rpu
Piccole R Maggior velocità
Grandi R Minor Potenza dissipata
Che criterio si usa per la scelta?
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2003 DDC 27
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7-Jan-04 - 27 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
CALCOLO DI Rpu
VOL = 0.5 V
VOH = 3.76 V
VIL = 0.8V
VIH = 3.15 V
IOH = 100 µAIOL = 8 mAIIL = - 1 µAIIH = 1 µA
Nell’ipotesi di pilotare una C di 50pF, come risulta il tempo disalita sulla linea?
Negli O.C. la IOH
entra dentro il dispositivo degradando
il livello alto!!!!!
Calcolare la Rpu per una linea con 3 driver O.C. e 4 ricevitori conle caratteristiche sotto riportate ( Val = 5 V +- 5%)
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2003 DDC 28
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7-Jan-04 - 28 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
ESERCIZIO: FAN OUT
Rpu 1 KΩ
Val = 5V
Gnd
LSHCT
? (LS)Rpd10 KΩ
QUANTE PORTE DI TIPOTTL LS SI POSSONOPILOTARE?
LS
VOL = 0.5 V
VOH = 2.7 V
VIL = 0.8V
VIH = 3.15 V
IOH = - 400 µAIOL = 8 mAIIL = - 0.4 mAIIH = 20 µA
HCT
VOL = 0.5 V
VOH = 3.76 V
VIL = 0.8V
VIH = 2.0 V
IOH = - 100 µAIOL = 8 mAIIL = - 1 µAIIH = 1 µA
ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA
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2003 DDC 29
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7-Jan-04 - 29 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
ESERCIZIO: FAN OUT
Rpu 1 kΩ
Val = 5V
Gnd
LSHCT
? (LS)Rpd 10 kΩ
“L”IPU
IPD
LA CORRENTE DISPONIBILE A LIVELLO L VALE:
IOL – IPU = (8 –4.5) mA = 3.5 mA
IPD = VOL / RPD = 0.5V / 10 kΩ = 50 µA (TRASCURABILE)
LA IIL DELLA FAMIGLIA HCT È 1 µA, DUNQUE TRASCURABILE
DATO CHE A LIVELLO L LE PORTE LS HANNO BISOGNO DI 400µA
FAN-OUT LS0 = 3.5mA /400µA = 8 PORTE
A LIVELLO L È VERIFICATA LA COMPATIBILITÀ DELLE TENSIONI
ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA
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2003 DDC 30
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7-Jan-04 - 30 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
ESERCIZIO: FAN OUT
“H”
LA CORRENTE A LIVELLO ALTO VALE:
IOH + IPU – IPD = 0.4 + (5 – 2.7)/1 – (2.7/10) mA
= 2.43 mA SI NOTI CHE LA CORRENTE È MAGGIORE RISPETTO A IOH !!LA IIH DELLA FAMIGLIA HCT È 1 µA, DUNQUE TRASCURABILE
DATO CHE A LIVELLO ALTO LE LS PORTE HANNO BISOGNO DI 20 µA
FAN-OUT LS1 = 2.43mA /20µA = 121 PORTE
A LIVELLO ALTO È VERIFICATA LA COMPATIBILITÀ DELLE TENSIONI
IN DEFINITIVA IL NUMERO DI PORTE DI TIPO LS PILOTABILI È PARI A 8
Rpu 1 kΩ
Val = 5V
Gnd
LSHCT
? (LS)Rpd 10 kΩ
IPU
IPD
ESERCIZIO B1 DISPENSE DIPLOMA
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2003 DDC 31
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7-Jan-04 - 31 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
SEGNALE DIFFERENZIALE 1
ALCUNI DISPOSITIVI (SOLITAMENTE PER ALTA VELOCITÀ)HANNO STADI DI USCITA CHE FORNISCONO OLTRE ALSEGNALE DI USCITA ANCHE IL SUO COMPLEMENTARE.
IN QUESTI CASI ANCHE GLI STADI DI INGRESSO RICHIEDONOSEGNALI COMPLEMENTARI PER POTER AGIRE AL MASSIMODELLA VELOCITÀ
LINEA DIFFERENZIALE
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2003 DDC 32
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7-Jan-04 - 32 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
SEGNALE DIFFERENZIALE 2
LA TRASMISSIONE DIFFERENZIALE PRESENTANOTEVOLI VANTAGGI:
MAGGIORE IMMUNITÀ AL RUMORE (CONVERTITO INMODO COMUNE)
MINORE DINAMICA DEI SEGNALI (E QUINDI MAGGIORVELOCITÀ)
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2003 DDC 33
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7-Jan-04 - 33 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Segnali logici differenziali
• LVDS– Low Voltage Differential Signalling
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. ## - //
Famiglia logica
• Appartengono ad una stessa famiglia logicacircuiti elettricamente compatibili, realizzatiin una stessa tecnologia
• Principali famiglie attualmente in uso:
bipolari: TTL
MOS: CMOS
altre di uso specifico (ECL, BiCMOS, ..)
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2003 DDC 34
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7-Jan-04 - 34 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Contenuti di questa 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
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2003 DDC 35
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Le porte CMOS non hanno problemi di consumo (statico), per cuile evoluzioni più significative si sono avute nella velocità operativae nella capacità di pilotare carichi elevati.
I circuiti della famiglia BC-MOS o BiCMOS integrano componentiMOS e bipolari; questo permette di ottenre correnti di uscita piúalte.
La famiglia LV (Low Voltage) consente una diminuzione delconsumo sia statico che dinamico, grazie alla riduzione dellatensione di alimentazione e dello swing logico (escursione dellatensione di uscita).
La versione “T” delle famiglie MOS é elettricamente compatibilecon le famiglie TTL.
7-Jan-04 - 35 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Famiglie logiche
• Gli interruttori possono essere realizzati concomponenti MOS o bipolari
• I circuiti logici sono raggruppati in famiglie
• Famiglie C-MOS (esempi)– alta velocita’ HC– avanzata AC– bassa tensione LV– TTL compatibile HCT ACT BCT LVT
• Famiglie bipolari (esempi TTL)– low power Shottky LS– Fast F
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2003 DDC 36
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Queste differenze si ricavano dall’analisi dei data sheet delle variefamiglie.
Per l’uscita, la principale differenza é nella VOH: nei CMOS éprossima alla tensione di alimentazione; nella TTL é alquanto piúbassa.
Il consumo dei CMOS é prevalentemente di tipo dinamico. Cresceall’aumentare della frequenza operativa, fino a diventare in alcunicasi superiore a quello di un componenti TTL con funzionianaloghe.
Le diversità nel circuito interno verranno esaminatesuccessivamente.
7-Jan-04 - 36 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Differenze tra TTL e C-MOS
• Corrente di ingresso:– praticamente nulla per circuiti MOS e CMOS– non nulla e asimmetrica per TTL
• Stadio di uscita:– simmetrico per CMOS– asimmetrico per TTL
• Consumo:– prevalentemente dinamico per circuiti CMOS
(legato alla frequenza di funzionamento)– anche statico per TTL
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2003 DDC 37
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La maggior parte dei componenti standard attuali appartiene allaserie ‘74/54, che comprende componenti sia in tecnologia TTL siaCMOS.
I componenti della serie 54 XX NNN sono in grado di sopportarecondizioni operative meno favorevoli (campo di temperatura piúesteso). A pari funzione sono piú costosi dell’equivalente “74”.
XX --> é un codice di due lettere che identifica la famiglia e sotto-famiglia.NNN --> é un numero di 2,3 o 4 cifre che identifica la funzionelogica.
7-Jan-04 - 37 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Componenti della serie 74/54
• Componenti SSI … MSI (funzioni semplici)
• Sigle del tipo 74 XX NNN oppure 54 XX NNN
– 74 XX NNN indica campo di temperatura standard(0 - 85 C, uso corrente, applicazioni “ufficio”)
– 54 XX NNN indica campo di temperatura esteso(-55 - 125 C, applicazioni per auto e spazio)
XX identifica la sottofamiglia (LS, F, C, ...)
NNN identifica la funzione (OR, NAND, registro, …)
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2003 DDC 38
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Questi sono alcuni esempi di componenti della serie ‘74.
I due componenti 74xx245 hanno identica funzionalita’ epiedinatura, ma caratteristiche elettriche e di temporizzazionediverse (legate alla faglia di appartenenza, rispettivamente ACT(Advanced CMOS, TTL compatibile) e F (Fast).
7-Jan-04 - 38 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Esempi di componenti serie 74
• 74f00– famiglia TTL fast,
quattro porte NAND a due ingressi
• 54LS04– famiglia TTL-LS,
sei invertitori, campo di temperatura esteso
• 74ACT245– famiglia C-MOS ACT,
otto buffer bidirezionali
• 74F245– come sopra, famiglia Fast
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo B - 7 n. ## - //
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2003 DDC 39
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I circuiti CMOS hanno un campo di alimentazioni più ampio.
La compatibilità elettrica totale con la TTL si ha solo per le famiglieCMOS del tipo xT. Gli ingressi delle famiglie CMOS “senza T” nonsono compatibili con uscite TTL.
7-Jan-04 - 39 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Data sheet
• Caratteristiche elettriche:
• 74HCxxx
• 74LSxxx
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2003 DDC 40
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I circuiti CMOS hanno un campo di alimentazioni più ampio.
La compatibilità elettrica totale con la TTL si ha solo per le famiglieCMOS del tipo xT. Gli ingressi delle famiglie CMOS “senza T” nonsono compatibili con uscite TTL.
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Esempio: calcolo corrente Io
• calcolo corrente di uscita con carico a LED
• verifica di compatibilità
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2003 DDC 41
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I circuiti CMOS hanno un campo di alimentazioni più ampio.
La compatibilità elettrica totale con la TTL si ha solo per le famiglieCMOS del tipo xT. Gli ingressi delle famiglie CMOS “senza T” nonsono compatibili con uscite TTL.
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Esempio: verifica di compatibilità
• calcolo corrente di uscita con carico CMOS• verifica di compatibilità• considearzioni su altri effetti; non è questo il limite
• altro calcolo con margine di rumore assegnato
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2003 DDC 42
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7-Jan-04 - 42 SisElnD2bis - 2003 DDC-MZ
Sommario di questa lezione (D2)
• Struttura degli stadi di uscita
• Parametri elettrici degli stadi di uscita
• Esempi di famiglie logiche