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Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria (EOLAB)
Porte Logiche
Modulo 3
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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)
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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Proprietà rigenerativa
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
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Proprietà rigenerativa
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)
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Proprietà rigenerativa
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
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Proprietà rigenerativa
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
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Proprietà rigenerativa
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
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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
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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
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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
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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
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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%
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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
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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.
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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
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Serie 7400
Il nome del chip specifico contiene informazioni
sul tipo di funzione e tecnologia:
74xxAA
Serie (Cifre) Funzionalità (Lettere)
Tecnologia
74AAxx
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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