Caratteristiche DC delle porte logiche

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Stesura preliminare

In questa pagina sono descritte le caratteristiche elettriche DC (nota 1) di una porta logica HCMOS cioè tensioni e correnti corrispondenti ai valori logici uno e zero. Le tabelle sono prese direttamente dai fogli tecnici forniti dal produttore insieme ai componenti.

Condizioni limite

La prima tabella illustra quali sono i valori superati i quali il produttore non garantisce più contro i guasti permanenti del componente. In genere sono indicati come Absolute Maximum Rating.

Tensioni, correnti e temperature massime

In particolare:

La cella verde (-0,5 V, tensione negativa) indica che non è ammesso alimentare il componente invertendo neppure per breve tempo VCC con GND
La cella rossa (+7 V) indica la massima tensione di alimentazione
Le due caselle colorate in giallo indicano l'intervallo di temperature di immagazzinamento, cioè a componente non operativo
Altre celle indicano i valori massimi della tensione di ingresso ed uscita

Condizioni operative raccomandate

Per utilizzare correttamente un circuito integrato digitale è necessario rispettare opportune condizioni operative, in particolare la tensione di alimentazione (V_CC) e la temperatura. Tali dati sono in genere contenuti in una tabella simile alla seguente:

Condizioni operative raccomandate

Per ciascuna caratteristica sono presenti a volte tra colonne: Min, Typ, Max (minimo, tipico e massimo), dall'ovvio significato. A volte una o più di queste caselle sono lasciate vuote perché non rilevanti (nota 2).

Tensioni in ingresso ed in uscita

Per utilizzare una porta logica occorre conoscere quali tensioni corrispondono allo zero logico e quali all'uno logico.

In prima approssimazione possiamo ritenere che (nota 5):

La tensione di uscita per HIGH sia pari alla tensione di alimentazione VCC (o VDD)
La tensione di uscita per LOW sia pari a 0 V (GND o VSS)

Quanto sopra scritto è però vero solo se la corrente di uscita è nulla, o quasi. Se è presente una corrente di uscita (per esempio per accendere un LED) la tensione per il livello HIGH tende a scendere, quella per il livello LOW tende a salire.

Possiamo inoltre ritenere che:

Una tensione di ingresso superiore alla metà della tensione di alimentazione sia HIGH: V_IN > ½ VCC → V_IN = HIGH
Una tensione di ingresso inferiore alla metà della tensione di alimentazione sia LOW: V_IN < ½ VCC → V_IN = LOW

In realtà la soglia tra HIGH e LOW non è esattamente metà della tensione di alimentazione, ma cambia con la temperatura e con il singolo esemplare di circuito integrato. Inoltre, cosa più importante, le porte logiche funzionano male se la tensione di ingresso è prossima a metà della tensione di alimentazione; in particolare cresce enormemente il consumo di corrente e quindi il riscaldamento della porta.

In genere le tensioni di ingresso ed uscita garantite dal costruttore sono raccolte in una tabella, in funzione della tensione di alimentazione e della temperatura.

Tensioni e correnti di ingresso e uscita

Vediamo di descrivere sommariamente il significato dei simboli presenti nella prima colonna:

V_IH (tensione di ingresso per il livello logico alto) è la tensione che applicata ad un ingresso viene interpretata da una porta logica come HIGH. La casella evidenziata (3.15 V) è la tensione minima: qualunque tensione compresa tra 3.15 V e 4.5 V sarà "interpretata" dalla porta come uno logico. Tale valore è valido per temperature tra -40 °C e 125 °C e per una tensione di alimentazione di 4.5V (nota 3)
V_IL (tensione di ingresso per il livello logico basso) è la tensione che applicata ad un ingresso viene interpretata da una porta logica come LOW. La casella evidenziata (1.35 V) è la tensione massima: qualunque tensione compresa tra 0 V e 1.35 V sarà "interpretata" come zero logico. Tale valore è valido per temperature tra -40 °C e 125 °C e per una tensione di alimentazione di 4.5 V (nota 3)
V_OH (tensione di uscita per il livello logico alto) è la tensione che in uscita è presente nel caso di valore logico alto. Il valore evidenziato (4.4 V) praticamente coincide con la tensione di alimentazione. Tale valore è valido per temperature tra -40 °C e 125 °C, per una tensione di alimentazione di 4.5 V e corrente di uscita molto piccola
V_OL (tensione di uscita per il livello logico basso) è la tensione che in uscita è presente nel caso di valore logico basso. Il valore evidenziato (0,1 V) praticamente coincide con la massa. Tale valore è valido per temperature tra -40 °C e 125 °C, per una tensione di alimentazione di 4.5 V e corrente di uscita molto piccola
I_I (corrente di ingresso) è la corrente che entra o esce dagli ingressi; praticamente è nulla (1 µA)
I_CC (corrente di alimentazione) è la corrente che serve al funzionamento dell'integrato, anch'essa piuttosto piccola (40 µA), ma tale valore aumenta significativamente quando gli ingressi assumono tensioni non corrette (nota 3) oppure commutano velocemente tra zero e uno.

I valori delle tensioni in ingresso ed uscita a volte sono rappresentati su un grafico come il seguente: in rosso ed in blu le tensioni nominali per i livello logici 1 e 0, in giallo le tensioni che non dovrebbero mai essere presenti. Esso mostrando come uno zero o un uno in uscita sia abbondantemente incluso in quello che è l'intervallo valido per gli ingressi. Questo significa che, anche se un'uscita di una porta supera i valori normalmente previsti, eventuali ingressi collegati continuano ad interpretare correttamente il livello logico:

La differenza tra la tensione massima di uscita e di ingresso per il livello logico zero è chiamato margine di rumore per il livello logico basso (noise margin)
La differenza tra la tensione minima di uscita e di ingresso per il livello logico uno è chiamato margine di rumore per il livello logico alto (noise margin)

In genere i due margini di rumore sono simili.

Margine di rumore

Tensione e corrente

La tensione all'uscita di una porta dipende dalla corrente, per esempio assorbita da un LED.

Tale legame è spesso rappresentato sotto forma di due grafici, uno per il livello logico alto (corrente che esce dall'uscita della porta logica) ed uno per il livello logico basso (corrente che entra dall'uscita della porta logica).

Esaminiamo i grafici nel caso esemplificativo di alimentazione di 4.5 V e corrente di uscita di 20 mA.

Grafico di sinistra, relativo all'uscita bassa ed applicabile al seguente schema quando A=1. La tensione di uscita vale circa 0,8 V, come evidenziato dal punto verde. Tale valore è correttamente interpretato come zero logico in quanto inferiore ai 1.35 V della tabella precedente

LED acceso basso

Grafico di destra, relativo all'uscita alta ed applicabile al seguente schema quando B=0. La tensione di uscita vale poco meno di 3.5 V, come evidenziato dal punto rosso. Tale valore è correttamente interpretato come uno logico in quanto (di poco) superiore ai 3.15 V della tabella precedente

LED acceso alto

Traslatori di livello

Spesso, in un circuito complesso, sono presenti dispositivi i cui livelli logici sono diversi. Tipicamente il livello logico zero corrisponde a 0 V, il livello logico uno corrisponde a 5 V, a 3,3 V o anche meno, valore in genere coincidente con la tensione di alimentazione. Normalmente tali livelli non sono compatibili e spesso possono creare anche guasti.

Per esempio:

Raspberry Pi ha tutti i propri pin funzionanti esclusivamente a 3.3 V. Tensioni più elevate causano danni permanenti, tensioni inferiori potrebbero generare errori casuali o potrebbero anche non funzionare affatto
Arduino ha tutti i propri pin funzionanti a 5 V. Se collegati a tensioni inferiori potrebbero generare errori casuali o potrebbero anche non funzionare affatto
PIC18 può funzionare a tensioni comprese tra 1,8 V e 5 V (nota 4) e non si guasta se gli ingressi valgono 5 V qualunque sia la sua tensione di alimentazione (5 V tolerant)

Per convertire i livelli un circuito esemplificativo è costituito da LC-04, convertitore bidirezionale di livello. I piedini sono i seguenti:

LV, la tensione di alimentazione inferiore, per esempio 3.3 V
HV, la tensione di alimentazione superiore, per esempio 5 V
GND, la massa, comune all'intero circuito
LVx con x compreso tra 1 e 4, segnale digitale a bassa tensione, per esempio un ingresso oppure un'uscita di un Raspberry Pi (0-3.3 V)
HVx con x compreso tra 1 e 4, segnale digitale ad alta tensione, per esempio un ingresso oppure un'uscita di Arduino (0-5 V)

Consideriamo il seguente circuito esemplificativo realizzato su breadboard:

LC-04

Il diagramma temporale seguente mostra, dall'alto:

[Blu] Uscita di Arduino, collegata a HV1 ("automaticamente" utilizzato come ingresso)
[Verde] LV1 (("automaticamente" utilizzato come uscita). Tale pin è collegato direttamente ad LV2 ("automaticamente" utilizzato come ingresso)
[Arancione] HV2 ("automaticamente" utilizzato come uscita)

Traslazione di livello

Un'alternativa integrata è costituita da TXS0108E.

Note

Molti dei dati presenti in questa pagina sono validi solo quando ingressi ed uscite variano molto lentamente (DC, DIrect Current, corrente continua)
Una parte della tabella riguarda la famiglia HCT, progettata per funzionare con integrati di vecchie generazioni (tecnicamente TTL compatibile)
Tensioni tra 1.35 V e 3.15 V non sono quindi né zero, né uno, ma una sorta di "zona proibita". Tipicamente tali tensioni sono indice di malfunzionamenti e fonte di problemi, primo tra tutti un eccessivo consumo di corrente
I dettagli dipendono dai modello specifico di PIC18 e dalla tensione di alimentazione
Quanto di seguito indicato fa riferimento a porte in una generica tecnologia CMOS, le uniche attualmente utilizzate

Pagina creata nell'ottobre 2020
Ultima modifica: 17 maggio 2021