Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

1

Circuito Invertitore (1)Implementazionedella funzioneNOT in logicapositiva

V(1) = 12 VoltsV(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 saturazionePer 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 mAI1 = (vi-VBE)/R1 = 0.747I2 = (VBE – VR)/R2 = 0.128 mAIB = 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

Porta NAND DTL Porta NAND realizzatain logica positiva con tecnologia DTL (Diode-Transistor-Logic)

V(1) = 12 VoltsV(0) = 0.2 Volts

VR = -12 Volts

Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

1

Problemi tecnici del NAND DTL1) 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 realizzatain logica positiva con tecnologia DTL (Diode-Transistor-Logic) modificata (diodi al posto di resistenza e capacità sull’ingressoal transistor)

V(1) = 5.0 VoltsV(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

a) Ridotti il numero delle resistenze ed il loro valore massimo (max 5 k contro i 100 kdi prima

c) Una sola sorgente di potenziale +5 V (minore delleprecenti minore potenza dissipata)

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

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 assiemee poiché c’è sempre una piccola differenza tra transistoranche 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 TTL

La famiglia TTL (Transistor-Transistor-Logic)cerca di eliminare tutte le componenti che non sianotransistor nella realizzazione delle porte logiche.

Inoltre vuole aumentare la velocità di funzionamentodi 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 andarein interdizione.Tuttavia occorre rimuovere la carica nella base di T3E 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 T1rendendo 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 VoltsLa corrente di base se il diodo D è interdetto è: Iv = VBE /Rb = 0,75/2 K = 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 VoltsLa 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