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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.
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 (VCC) e la temperatura. Tali dati sono in genere
contenuti in una tabella simile alla seguente:
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 genere tali valori sono
raccolti in una tabella, in funzione della tensione di alimentazione e della
temperatura.
Vediamo di descrivere sommariamente il significato dei simboli presenti
nella prima colonna:
- VIH (tensione di
ingresso per il livello logico alto) è la tensione che applicata ad un
ingresso viene interpretata da una porta logica come uno logico. 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)
- VIL (tensione di
ingresso per il livello logico basso) è la tensione che applicata ad un
ingresso viene interpretata da una porta logica come zero logico. 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)
- VOH (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
- VOL (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
- II (corrente di ingresso) è la corrente
che entra o esce dagli ingressi; praticamente è nulla (1 µA)
- ICC (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.
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
- Grafico di destra, relativo all'uscita alta ed applicabile al
seguente schema quando B=0. La tensione di uscita vale
poco meno di 3.25 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
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 3.3 V oppure 5 V, 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 tollerant)
Per convertire i livelli un tipico circuito 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:
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)
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
- I dettagli dipendono dai modello specifico di PIC18 e dalla tensione
di alimentazione
Pagina creata nell'ottobre 2020
Ultima modifica: 17 maggio 2021
