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Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica

Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria (EOLAB)

Porte Logiche

Modulo 3

A.A. 2013/2014 Elettronica M. Barbaro 2

Porte logiche

Una porta logica (gate) è un circuito elettronico

che implementa una determinata funzione

logica (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, etc.)

Una generica porta logica avrà quindi N ingressi

e 1 uscita

Le caratteristiche in base alle quali si giudica il

comportamento di una porta logica sono:

Funzionalità

Affidabilità (margini di rumore)

Area

Prestazioni (velocità, consumo di potenza)


L’inverter

La porta logica più semplice ed al tempo stesso più

significativa per giudicare le caratteristiche di una

determinata tecnologia è l’inverter.

A Z

Funzionalità: bisogna che il circuito implementi

veramente la funzione logica richiesta (la negazione)

Affidabilità: il circuito deve essere il più possibile

immune ai disturbi

Area: il circuito deve essere il più compatto possibile

Prestazioni: tempo di propagazione fra variazioni

dell’ingresso e dell’uscita e consumo di energia devono

essere minimizzati


Rappresentazione dei segnali

1 (HIGH)

0 (LOW)

V (volt)

VOL

VOH

VIH

VIL

Logica positiva: tensioni

alte (HIGH)

rappresentano il valore 1,

tensioni basse (LOW)

rappresentano lo 0

Logica negativa: tensioni

basse rappresentano il

valore 1, tensioni alte lo 0

In pratica, viene utilizzata

solo la logica positiva


Rappresentazione dei segnali

VOH (Voltage Output High): la tensione nominale che dovrebbe corrispondere ad un valore 1. Si vuole che sia la più alta possibile (quindi prossima alla tensione di alimentazione)

VIH(Voltage Input High): minima tensione che viene interpretata ancora come valore 1

VOL(Voltage Output Low): tensione nominale che dovrebbe corrispondere al valore 0. La si vuole più piccola possibile quindi prossima allo zero.

VIL(Voltage Input Low): massima tensione che viene ancora interpretata come 0

Il pedice O sta sempre per uscita (tensione nominale in uscita dalla

porta). Il pedice I sta invece per ingresso (è in ingresso ad una porta che

una tensione deve essere interpretata correttamente come alta o bassa)


Caratteristica ideale

La caratteristica ideale ingresso/uscita di un

inverter (che rappresenta la sua funzionalità)

deve essere fatta in modo che per tensioni

basse in ingresso l’uscita sia alta e viceversa

Vin

Vout

VOL

VOH VTC (Voltage-Transfer

Characteristic)


Caratteristica reale

La caratteristica reale, ovviamente, non sarà mai squadrata. Bisogna definire arbitrariamente quando l’uscita sta cambiando valore. Si stabilisce che i punti di commutazione siano quelli per cui la pendenza della curva è esattamente -1

Vin

Vout

VOL

VOH

Pendenza -1

VIH VIL


Margini di rumore

I margini di rumore misurano l’affidabilità di un

inverter, ossia la sua immunità ai disturbi.

Se fra l’uscita del primo inverter

e l’ingresso del secondo viene

iniettato del rumore pari a V il

sistema funzionerà ancora?

1 0 1

In uscita da I1 c’è

VOL. Il sistema

funzionerà ancora se

all’ingresso di I2 ci

sarà al massimo VIL .

I1 I2

V < VIL - VOL


Margini di rumore

Esistono due Margini di Rumore (Noise

Margins), uno per i segnali alti e uno per i bassi

NML = VIL - VOL

NMH = VOH - VIH

1 (HIGH)

0 (LOW)

V (volt)

VOL

VOH

VIH

VIL


Margini di rumore

In un inverter ideale i due margini di rumore

dovrebbero essere i più grandi possibile.

Per massimizzare entrambi i margini

contemporanemente bisogna che essi siano

uguali e pari a metà della tensione massima

(tensione di alimentazione)

Questo è quello che succede nel inverter ideale,

dove la VTC è perfettamente squadrata ed il

punto di commutazione (quindi anche il punto

dove la pendenza è –1) è posto al centro

dell’intervallo di tensioni disponibili


Proprietà rigenerativa

Perché si sceglie proprio un andamento come quello di sinistra e non come la figura di destra che è comunque invertente?

La VTC di sinistra ha la prerogativa della rigeneratività

Vin

Vout

VOL

VOH

VIH VIL

Vin

Vout

VOL

VOH

VIH VIL

Gate rigenerativo Gate non rigenerativo



Il vantaggio di questa VTC sta nel fatto che un segnale

sporcato dal rumore, attraversando livelli di logica, viene

riportato a valori nominali

XZ

Y

VOL

VOH

I1 I2 X Y Z

Z=Y’=(X’)’=X

La curva continua è la VTC del

primo inverter e la tratteggiata

quella del secondo (gli assi sono

invertiti per fare in modo che

l’ordinata della prima VTC coincida

con l’ascissa della seconda)

Anche se X è uno zero sporco (maggiore di VIL)

dopo 2 inversioni Z risulta uno 0 pieno



Il vantaggio di questa VTC sta nel fatto che un segnale

sporcato dal rumore, attraversando livelli di logica, viene

riportato a valori nominali

X,Y

Y,Z

VOL

VOH

I1 I2 X Y Z

Z=Y’=(X’)’=X

X (0 sporco) Z (0 pulito)

Attraverso I1 (da X a Y)

Attraverso I2 (da Y a Z)

1

2

3

4

5

6

7

8

Il passaggio 4 (l’arco) serve a

riportare l’uscita del primo inverter

(Y) sull’asse delle ascisse, per poi

utilizzare la stessa curva (che è

anche la VTC del secondo inverter)



Se la VTC avesse l’altro andamento un piccolo errore

verrebbe amplificato attraverso le diverse porte fino a

portare ad un risultato logicamente sbagliato

XZ

Y

VOL

VOH

I1 I2 X Y Z

Z=Y’=(X’)’=X

La curva continua è la VTC del

primo inverter e la tratteggiata

quella del secondo (gli assi sono

invertiti per fare in modo che

l’ordinata della prima VTC coincida

con l’ascissa della seconda)

Se X è uno zero valido (minore di VIL) dopo 2

inversioni Z tende a diventare un 1 sporco



Lo svantaggio di questa VTC sta nel fatto che un

segnale, attraversando livelli di logica, viene

ulteriormente degradato

X,Y

Y,Z

VOL

VOH

I1 I2 X Y Z

Z=Y’=(X’)’=X

X (0 pulito) Z (0 sporco)

Attraverso I1 (da X a Y)

Attraverso I2 (da Y a Z)

1

2

3

4

5

6

7

8



Matematicamente la proprietà rigenerativa corrisponde

ad una VTC che abbia un guadagno molto piccolo (<<1)

per tensioni di ingresso basse ed alte ed un guadagno

molto grande (>>1) per le tensioni di ingresso al centro

dell’intervallo (fra VIL e VIH)

Vin

Vout

VOL

VOH

VIH VIL

Guadagno << 1

Guadagno >> 1


Soglia logica

La proprietà rigenerativa permette di definire il concetto di soglia logica.

La soglia logica è il punto della VTC per cui Vout = Vin

Grazie alla rigenerazione, i segnali al di sotto della soglia logica, attraverso una cascata di inverter, saranno interpretati come 0 e quelli al di sopra come 1

Vin

Vout

VOL

VOH

VM

Retta a pendenza unitaria

VM


Proprietà Rigenerativa

L’esempio migliore per fare comprendere i

vantaggi della proprietà rigenerativa è quello

della musica digitale

Perché le case discografiche si oppongono con

tanta forza alle copie di CD quando per tanti

anni si sono copiate musicassette senza

problemi?

Perché la centesima copia di un CD avrà ancora

la qualità del CD originale mentre la centesima

copia di una musicassetta avrà qualità

enormemente degradata


Fan-In e Fan-Out

Il Fan-In è il numero di ingressi ad una determinata porta logica (nel

caso dell’inverter è sempre 1). Determina ovviamente la complessità

della porta stessa.

Il Fan-Out è il numero di porte connesse all’uscita di una

determinata porta logica (anche nel caso dell’inverter può essere

1). In alcune tecnologie esiste un numero massimo di porte

collegabili in uscita. In tecnologia CMOS il numero di porte in uscita

influenza solo le caratteristiche dinamiche (la velocità) della porta,

non le sue caratteristiche statiche

N M

Fan-In N Fan-Out M


Comportamento dinamico

Il comportamento dinamico dell’inverter è caratterizzato da 3 parametri fondamentali: Tempo di Propagazione (tp): il tempo medio

necessario perché una transizione in ingresso si propaghi in uscita

Tempo di salita (tr): il tempo che impiega il segnale in uscita per andare da basso a alto

Tempo di discesa (tf): il tempo che impiega il segnale in uscita per andare da alto a basso


Comportamento dinamico

t

Vin

t

Vout

50%

50%

90%

10%

tpHL tpLH

tf tr

tpHL/tpLH= tempo fra

una variazione del

50% dell’ingresso ed

una del 50% dell’uscita

tp=(tpHL+tpLH)/2

tr= tempo di variazione

dell’uscita dal 10% del

valore nominale alto al

90%

tf= tempo di variazione

dal 90% del valore

nominale alto al 10%


Consumo di potenza

Il consumo di potenza è un parametro fondamentale per misurare le caratteristiche di una tecnologia, in particolar modo nei sistemi moderni contenenti milioni di gate, dove la potenza (ed il conseguente riscaldamento del dispositivo) diventano un parametro critico

In genere la potenza dissipata da una porta logica si divide in 2 componenti: Statica (consumata in situazione di stabilità dell’uscita)

Dinamica (consumata in commutazione dell’uscita)

La potenza media è definita come:

T

ply

ply

T

plyplyavdti

T

VdtVi

TP

0

sup

sup

0

supsup

1


Serie 7400

Per realizzare piccoli circuiti digitali in

laboratorio si possono utilizzare i componenti

della serie 7400

I componenti della serie 7400 sono circuiti

integrati a piccola scala d’integrazione che

contengono poche porte logiche (tutte delle

stesso tipo)

Esistono vari componenti che si differenziano

per porte logiche implementate, tecnologia

realizzativa (TTL, CMOS), consumo di potenza,

etc.


Datasheet - 7400

Informazioni presenti in un datasheet:

Funzionalità implementata

Pin-out (i segnali associati ai diversi piedini)

Tensione di alimentazione

VOH, VOL, VIH, VIL

Consumo di potenza

Forma del chip


Serie 7400

Il nome del chip specifico contiene informazioni

sul tipo di funzione e tecnologia:

74xxAA

Serie (Cifre) Funzionalità (Lettere)

Tecnologia

74AAxx


Serie 7400 - Esempio

I numeri xx:

7400: 4 Porte NAND

7401: 4 Porte NAND con uscita open-collector

7402: 4 Porte NOR

7404: 6 Porte NOT

Le lettere AA:

LS: Basso consumo di potenza

S: Basse tensioni nominali (ma alta potenza)

ALS: LS ad Alte prestazioni

C, HC: CMOS

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