Famiglie logiche
generalità
Con la microelettronica l'implementazione delle funzioni logiche ha avuto il
suo sviluppo più ampio e innovativo. Il motivo risiede nella quasi illimitata
possibilità di miniaturizzazione offerta dalle tecnologie dei circuiti integrati.
Intel 80486
1.200.000 transistor
Pentium
3.100.000 transistor
componenti elettronici base dei circuiti integrati digitali
bipolare
unipolare
BJT
veloci
veloci e
dimensioni
ridotte
MOSFET
Fino a qualche anno fa
oggi
dimensioni
ridotte
dimensioni
ridotte e veloci
Evoluzione delle famiglie logiche
I dispositivi digitali vengono suddivisi in famiglie logiche ciascuna delle
quali differisce dall’altra sia per quanto concerne il tipo di tecnologia
utilizzata, sia per la circuiteria elementare su cui si basano le porte
logiche.
Nell’ambito della stessa famiglia vi sono poi diverse serie intese a
migliorare alcune caratteristiche elettriche rispetto ad altre.
I dispositivi logici vengono oggi costruiti con la tecnologia dei circuiti
integrati monolitici che consente di ottenere su piccole piastrine di silicio
(chip) numerosi circuiti logici con elevata affidabilità di funzionamento ad
un costo relativamente basso.
Evoluzione delle famiglie logiche
Famiglie logiche
Bipolari
(BJT)
Unipolari
(MOS)
+veloce
RTL
DTL
HTL
di tutte
TTL
STD
s
t
a
n
d
a
r
d
L
S
AS
Alt
a
vel
oci
tà
I2L
ECL
LS
ALS
l
o
w
PMOS
NMOS
CMOS
HC/HCT
AC/ACT
Classificazione dei circuiti integrati
A seconda del numero di porte logiche equivalenti contenute in un singolo
chip, i circuiti integrati si classificano in:
1. Circuiti SSI (Small Scale Integration), i quali contengono un massimo di
dieci porte logiche.
2. Circuiti MSI (Medium Scale Integration), i quali contengono tipicamente
da dieci a cento porte logiche.
3. Circuiti LSI (Large Scale Integration), i quali contengono tipicamente da
cento a mille porte logiche.
4. Circuiti VLSI (Very Large Scale Integration), i quali contengono un
numero di porte logiche superiore a mille.
Sigle delle famiglie logiche
Gli integrati di una stessa famiglia sono contraddistinti da
una sigla comune, seguita da un numero progressivo che
identifica il componente.
Così ad esempio appartengono tutti alla famiglia TTL LS (sigla
74LSXX)
l'integrato 74LS00, contenente 4 porte NAND
il 74LS74, contenente due flip-flop
il 74LS193, contatore binario singolo.
Porta nand è la fondamentale
Appartengono alla famiglia CMOS 40XX
l'integrato 4001, quadruplo NOR,
l'integrato 4011, quadruplo NAND
il 4014, registro a scorrimento a 8 stadi.
Caratteristiche principali
e parametri di funzionamento
Tensione d’alimentazione VCC
È la tensione continua che si deve fornire all'integrato.
Corrente d’alimentazione ICC
È la corrente fornita dal terminale di alimentazione VCC.
Potenza dissipata Pd
È la potenza media dissipata per il funzionamento con onda quadra ad una
prefissata frequenza o quella dissipata in continua.
TTL
CMOS
VCC
4,5 – 5,5 V
3 – 18 V
ICC
10 mA
0 (in regime statico)
Pd in continua
10 mW
10 nW
Pd a 1 MHz
18 mW
1 mW
Caratteristiche principali
e parametri di funzionamento
Livelli di tensione di ingresso e di uscita
Sono le tensioni di ingresso e di uscita che consentono un corretto e non
ambiguo riconoscimento del livello logico basso e alto.
a) VILmax: Tensione d’ingresso massima sul livello basso.
b) VIHmìn: Tensione di ingresso minima sul livello alto.
Se la tensione di ingresso VI è compresa nell'intervallo VILmax ÷ VIHmin
non è garantito il riconoscimento del livello logico di entrata. Tale intervallo
viene denominato zona d’indeterminazione.
c) VOHmìn: Tensione minima d’uscita a livello alto nelle peggiori condizioni
di carico.
d) VOLmax: Tensione massima d’uscita al livello basso nelle peggiori
condizioni di carico.
Livelli di tensione di ingresso e uscita
TTL
CMOS
VILmax
0,8 V
VCC/3
VIHmìn
2V
2VCC/3
VOHmìn
2,4 V
VCC
VOLmax
0,4 V
0
Caratteristiche principali
e parametri di funzionamento
Livelli di corrente d’ingresso e di uscita
Per convenzione, le correnti sono indicate positive se entranti nei
morsetti di ingresso o di uscita, negative se uscenti; quelle entranti
sono dette correnti di sink, quelle uscenti correnti di source.
a) IILmax: Massima corrente uscente (source current) da un
terminale di ingresso quando è posto al livello basso con gli altri
a VCC.
b) IIHmax: Massima corrente assorbita da un ingresso (sink
current) quando è posto al livello alto con gli altri connessi a
massa.
c) IOLmax: massima corrente che una porta logica assorbe (sink
current) quando la sua uscita è al livello basso.
d) IOHmax: massima corrente che una porta logica eroga (source
current) quando la sua uscita è al livello alto.
Livelli di corrente di ingresso e uscita
TTL
CMOS
IILmax
1,6 mA
0,1 mA
IIHmax
40 mA
0,1 mA
IOLmax
16 mA
4 mA (VCC = +5V)
IOHmax
400 mA
4 mA (VCC = +5V)
FAN - OUT
Fan-out sul livello alto FOH
Rappresenta il numero massimo di ingressi che l'uscita di una
porta logica può pilotare correttamente sul livello alto.
Fan-out sul livello basso FOL
Rappresenta il numero massimo di ingressi che l'uscita di una
porta logica può pilotare correttamente sul livello basso.
TTL
CMOS
FOH
10
50 (teoricamente )
FOL
10
50 (teoricamente )
Tempi di commutazione
Sono definiti come i tempi necessari affinché l'uscita, nel
cambiare stato logico, si porti al livello di riconoscimento del
nuovo stato.
Tempi di commutazione
Tempo di discesa, tf, (fall time) del segnale d’uscita misurato tra il
90% e il 10% della tensione di uscita massima VOHM.
Tempo di salita, tr, (rise time) del segnale d’uscita, definito come il
tempo necessario affinché l'uscita vari tra il 10% e il 90% del valore
massimo VOHM.
Tempo di propagazione dal livello alto a quello basso, tpHL, che
viene misurato come intervallo tra il 50% di VIHM e il 50% di VOHM.
Tempo di propagazione del livello basso a quello alto, tpLH, che
viene misurato come intervallo tra il 50% di VIHM e il 50% di VOHM.
Tempi di commutazione
I tempi tpHL e tpLH sono in genere diversi e il costruttore fornisce
anche il ì loro valore medio indicato come tempo di ritardo di
propagazione tp.
tp
TTL
CMOS
10 ns
100 ns (VCC = +5 V)