Porte speciali

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Stesura preliminare

Alcune porte hanno un comportamento che, da un punto di vista elettrico, è diverso da quello delle comuni porte logiche. Da un punto di vista logico il comportamento è invece identico a quello delle porte logiche ordinarie.

Buffer

Un buffer è una porta che permette di avere in uscita una corrente maggiore dell'ordinario, almeno il doppio.

Il simbolo IEC è un triangolo con la punta verso l'uscita (nota 2); non esiste un segno per i simboli MIL/ANSI.

Uscita open drain

Un'uscita open drain può assumere due stati:

Valore logico basso, corrispondente ad una tensione di 0 V. Se è presente un resistore tra Vcc e l'uscita, vi è una corrente di uscita... entrante
Stato HZ o anche Z (High Z, alta impedenza), corrispondente a un non collegamento elettrico. Tale valore prende il posto dell'uno logico nelle tabelle di verità. La corrente di uscita è sempre nulla.

Un'uscita di questo tipo è indicata negli schemi con:

Un * (simboli MIL/ANSI)
La scritta OC (nota 1) oppure OD (simboli MIL/ANSI)
Il simbolo (simboli IES e a volte anche MIL/ANSI)

Per esempio una porta contenuta nell'integrato 74HC03 (2-input NAND gate with open-drain output) può essere descritta dalla seguente tabella e dal seguente simbolo:

A	B	Q
0	0	HZ
0	1	HZ
1	0	HZ
1	1	0

gate open drain - simbolo

Per rendere compatibile l'uso di una porta open drain con le normali porte è necessario collegare un elemento che "tira su" la tensione a V_CC. In genere è una resistenza chiamata, appunto, di Pull Up (R_PU) dal valore di qualche kΩ, collegata tra l'uscita e V_CC:

Le porte open drain permettono di collegare le uscite di due o più porte logiche: se almeno una porta forza lo zero, l'uscita complessiva sarà zero, formando quindi una sorta di AND senza l'uso di ulteriori porte logiche. Per indicare il fatto che basta un'uscita a zero per avere uno zero su tutte le uscite si usano spesso i termini zero dominante oppure weak pull up.

L'uso di componenti a open drain, un tempo popolare, oggi è rimasto praticamente in una sola applicazione importante: il bus I2C.

Uscita 3-state

Una porta 3-state (three state oppure tri-state) presenta tre stati in uscita:

0 dall'usuale significato
1 dall'usuale significato
Stato HZ o anche Z (High Z, alta impedenza), corrispondente a un non collegamento elettrico; elettricamente ha lo stesso significato già visto per le porte open drain

Lo stato HZ è comandato da un ingresso specifico, indicato come Output Enable (OE) oppure semplicemente Enable (E oppure EN). Di seguito la tabella di verità riferita ad un 74HC126, buffer non invertente con uscita tri-state.

A	OE	Q
0	0	HZ
0	1	0
1	0	HZ
1	1	1

Un'uscita 3-state nei simbolo IEC è evidenziata da un triangolo con la punta verso il basso (nota 2); non esiste un segno grafico specifico per i simboli MIL/ANSI.

Le uscite delle porte tri-state possono essere collegate insieme a condizione che tutte tranne una abbiano l'uscita pari ad HZ. Di seguito un esempio:

3 state

Per il funzionamento corretto è necessario che una sola delle tre uscite tra di loro collegate sia attiva; quindi uno solo dei tre ingressi Ex deve essere alto, nell'esempio mostrato EA.

Ingresso a trigger di Schmitt

Una porta ordinaria riconosce come HIGH una tensione in ingresso superiore a VIH_min, come LOW una tensione inferiore a VIL_MAX; tensioni intermedie non sono ammesse come valori corretti.

Consideriamo come esempio una porta NOT il cui ingresso ha un andamento triangolare (segnale blu nel grafico seguente); in verde è indicata l'uscita. In corrispondenza delle aree evidenziate in giallo il valore dell'uscita non è definito e vi è un consumo molto elevato di corrente: tale comportamento potrebbe essere causa di fenomeni imprevedibili e a volte gravi.

Le porte con ingresso a trigger di Schmitt possiedono anche loro due soglie, spesso indicate come VT+ (voltage threshold plus) e VT- (voltage threshold minus), ma il comportamento è differente. Consideriamo sempre una porta NOT con ingresso triangolare:

Tensioni di ingresso superiori a VT+ sono considerate HIGH e quindi l'uscita dell'inverter è LOW
Tensioni di ingresso inferiori a VT- sono considerate LOW e quindi l'uscita dell'inverter è HIGH
Tensioni di ingresso comprese tra VT+ e VT- sono considerate:
- LOW se l'uscita è HIGH
- HIGH se l'uscita è LOW

Possiamo immaginare che la tensione di ingresso debba superare entrambi i "confini" costituiti da VT+ e VT- per far si che l'uscita possa cambiare, avendo comportamenti diversi nei due versi di percorrenza (isteresi).

La tecnologia con cui è realizzata una porta con ingresso a trigger di Schmitt non ha particolari controindicazioni nel caso di tensioni di ingresso diverse da Vcc e massa.

Quello seguente è un estratto dei fogli tecnici di una porta NOT con ingressi a trigger di Schmitt. Sono evidenziati i valori tipici di VT+ e VT-:

Il simbolo è quello della porta logica di riferimento integrato da un simbolo che indica l'isteresi (⎎):

Un circuito digitale ben progettato richiede che ogni qualvolta le tensioni non siano ben definite sia obbligatorio usare porte con ingresso a trigger di Schmitt. Questo è sempre vero per i circuiti utilizzati come Input/Output (I/O).

Note

OC (Open Collector) era il termine utilizzato con le tecnologie TTL, ora obsolete. Il termine è comunque ancora a volte utilizzato anche in tecnologie più moderne
Quello riportato è il simbolo parziale di un 74HC126, buffer non invertente con uscita tristate
Nelle porte logiche reali tensioni lontane da 0 V e da Vcc sono non raccomandate in quanto la linea C2 tende a cambiare posizione a seconda della porta utilizzata e della temperatura. Soprattutto, il consumo di corrente diventa molto elevato, con il rischio di danni alla porta logica

Pagina creata nell'ottobre 2020
Ultima modifica: 8 aprile 2023