famiglie logiche

Si definisce famiglia logica un insieme di porte logiche direttamente interfacciabili tra loro senza problematiche di tipo elettrico o informativo.

Le porte logiche collegate all'uscita di altre porte della stessa famiglia devono interpretare correttamente le informazioni.

Ogni famiglia offre prestazioni ben definite e spesso comprende sottofamiglie che esaltano alcuni parametri a scapito di altri (ad es. la velocità di commutazione rispetto alla dissipazione..) o che migliorano le prestazioni complessive delle sottofamiglie più datate pur mantenendone la compatibilità.

Le famiglie più conosciute sono TTL e CMOS ma ne esistono tante altre.

In rete si trovano facilmente i datasheet relativi; ad es. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74ls00.pdf

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/74HC_HCT00.pdf

I parametri principali che caratterizzano una famiglia logica sono:

• tensione di alimentazione

• ritardo di propagazione

• potenza dissipata ad una determinata frequenza

• campi di tensione associati ai livelli logici e margine di rumore

• curva caratteristica Vo@Vi

• fan out

TENSIONE DI ALIMENTAZIONE

Per TTL è fissa a 5+-5%; per CMOS è variabile ad es. da 3 a 15V

Le nuove famiglie logiche funzionano a tensioni sempre più basse per limitare la dissipazione di potenza

RITARDO DI PROPAGAZIONE

Una transizione in ingresso da uno stato logico all'altro comporta effetti in uscita solo dopo un ritardo temporale, per diversi motivi.

Inoltre i fronti di variazione dei segnali non possono essere perfettamente verticali, per fenomeni capacitivi.

Per valutare il ritardo tra in e out si fa riferimento alla porta NOT e si calcola l'intervallo tra il 50% del fronte di transizione in ingresso e il corrispondente 50% in uscita; tipicamente unità o decine di ns.

Questo parametro è importante perchè limita la massima frequenza di funzionamento del sistema digitale in cui è inserita la porta; ad es. i GHz dei PC o i MHz di alcuni micro: se la porta non ha risposto al comando non e' possibile applicarne un altro.

POTENZA DISSIPATA AD UNA DATA FREQUENZA

La potenza dissipata dipende dalle condizioni di funzionamento della porta e spesso è maggiore in condizione di transizione rispetto alla condizione statica; tipicamente unità o decine di mW @ 1MHz

CAMPI DI TENSIONE E MARGINE DI RUMORE

I segnali digitali binari rispetto ai segnali analogici possono risultare immuni al rumore perchè i due valori logici (L e H) sono associati a due campi di tensione: se il rumore non fa uscire il livello di tensione dal suo campo l'informazione non è alterata.

E' importante osservare che:

1. I due campi di tensione H e L non possono essere contigui. Non è conveniente associare allo stato basso il campo da 0V a 2,5V e allo stato H da 2,5V a 5V , perchè quando il segnale si trova in prossimità della soglia di transizione (2,5V) un piccolo rumore provoca una importante alterazione informativa. Quindi i due campi devono essere separati e questo intervallo di separazione si chiama campo di indeterminazione. Se si applica all'ingresso di una porta una tensione interna al campo di indeterminazione il costruttore (datasheet) non fornisce informazioni sul valore assunto dall'uscita, mentre se alla porta in ingresso sono applicati i corretti valori di tensione ( fuori dal campo di indeterminazione) a sua volta l'uscita non andra' in indeterminazione.

2. Una buona porta logica deve essere sensibile in ingresso ad un grande campo di tensione per ogni stato logico, invece in uscita deve fornire il più possibile valori prossimi a Vcc per lo stato alto e a 0V per lo stato basso. Quest'ultima condizione può essere resa difficoltosa a causa della resistenza interna della porta che degrada la tensione di uscita dai livelli ottimali. In ogni caso i due campi di tensione in uscita devono essere ridotti rispetto ai corrispondenti campi in ingresso. L'esempio seguente chiarisce questi concetti e definisce il margine di rumore.

In definitiva il costruttore assicura che per la porta NOT, nel rispetto dei valori di IoH e IoL (caricando correttamente la porta):

• se in ingresso applichiamo una tensione tra 0 e ViL, in uscita avremo un valore compreso tra VoH e Vcc

• se in ingresso applichiamo una tensione tra ViH e Vcc, in uscita avremo un valore compreso tra 0 e VoL

Si definisce:

ViL: massima tensione applicabile in ingresso allo stato basso;

ViH: minima tensione applicabile in ingresso allo stato alto

VoL: massima tensione che la porta può generare in uscita allo stato basso (se comandata correttamente in ingresso)

VoH: minima tensione che la porta può generare in uscita allo stato alto (se comandata correttamente in ingresso)

Per le famiglie TTL e CMOS si ha:

Visti i livelli di uscita e l'ampiezza del margine di rumore (30%Vdd) sembra che la famiglia CMOS si comporti in maniera ideale.

CARATTERISTICA

E' la rappresentazione grafica di Vo in funzione di Vi per la porta NOT della famiglia.

Non è riportata sui datasheet di tutte le famiglie.

Può essere utile per comprendere il comportamento nel campo di indeterminazione.

Ad es. la CMOS rispetto alla TTL presenta una transizione quasi verticale: l'uscita difficilmente permane nello stato intermedio tra 0V e Vcc.

FAN OUT

E' un parametro che indica quante porte si possono collegare alla stessa uscita.

Teoricamente è dato dai rapporti IoH/IiH e IoL/IiL, rapporti che dovrebbero essere uguali.

Per la TTL risulta 10; per la CMOS si assume praticamente qualche decina dato che le correnti di ingresso sono piccolissime e il rapporto non è facilmente calcolabile e dipende molto dal comportamento dinamico della porta.

Si ricorda che IoH, IiH, IoL, IiL sono valori massimi.