4A - Le famiglie logiche

Il capitolo tratta in maniera approfondita l'argomento delle famiglie logiche e introduce i componenti discreti fondamentali transistor e diodo. Qui vediamo solo una sintesi sulle famiglie logiche¹⁾.

Un integrato (IC, integrated circuit) è un componente elettronico complesso che contiene un intero circuito al suo interno, realizzato direttamente sul silicio (chip). Un integrato può essere anche molto complesso (si va dalla porta logica alla CPU di un computer) e realizza, in un unico componente compatto, efficiente ed economico, le funzioni svolte da circuiti con molti componenti discreti.

Gli integrati si classificano, in base alla loro complessità, in:

• SSI, piccola scala di integrazione (ad esempio le porte logiche)
• MSI, media scala di integrazione (ad esempio un decoder per dislpay a 7 segmenti)
• LSI, VLSI, ULSI alta scala di integrazione (ad esempio una CPU, con miliardi di transistor in un singolo chip)

Gli integrati digitali sono realizzati in diverse famiglie logiche; le più comuni sono la famiglia logica TTL, realizzata con transistor bipolari (BJT), e quella CMOS, realizzata con transistor ad effetto di campo (MOS).

La famiglia logica TTL è precedente alla CMOS e oggi è sempre meno utilizzata. GLi integrati TTL sono prodotti nella serie commerciale (la sigla inizia con 74) e militare (la sigla inizia con 54), che ha caratteristiche superiori. Le due serie si dividono in sottofamiglie, realizzate con tecnologie diverse, che si differenziano principalmente per velocità (frequenza massima) e consumo (potenza dissipata). La sottofamiglia più diffusa è la LS (a basso consumo e velocità intermedia). Gli integrati TTL richiedono un'alimentazione di 5 Volt. La sigla di un integrato TTL è allora composta da:

• due cifre per indicare la serie 74 o 54
• eventualmente una sigla per indicare la sottofamiglia
• altre cifre per indicare il tipo di integrato (ad esempio 00 per porte NAND, 08 per porte AND, ecc.)²⁾

La famiglia CMOS è quella più utilizzata perché abbina consumi ridotti e, volendo, correnti elevate a velocità simili a quelle della TTL. La serie CMOS principale è la 4000, disponibile nella versione B (buffered) con correnti di uscita più elevate, o UB (unbuffered) più veloce. La serie 4000 può essere alimentata con tensioni tra 3 e 18 Volt³⁾ e livelli logici corrispondenti e non compatibili con quelli degli IC TTL. La serie CMOS 74HC invece mantiene la stessa piedinatura e le stesse sigle degli IC TTL con tensione di alimentazione e livelli logici compatibili.

• in laboratorio usiamo prevalentemente integrati della serie 74xx, sia LS (quindi TTL) che HC (CMOS compatibili TTL)
• negli integrati TTL i piedini non utilizzati si comportano come se fossero al livello alto e possono essere scollegati
• negli integrati CMOS i piedini non utilizzati andrebbero comunque collegati a massa o all'alimentazione

Le caratteristiche degli integrati sono riportate nei datasheet. Tra queste assumono particolare importanza quelle nella sezione maximum ratings, che indicano i valori massimi sopportabili dal componente e quelle nella sezione recommended operating conditions, con i valori consigliati. Oltre alla tensione di alimentazione assumono particolare importanza i valori che definiscono la caratteristica di trasferimento (figura 1), cioè:

• V_IHmin, valore minimo della tensione in ingresso interpretato come livello alto
• V_ILmax, valore massimo della tensione in ingresso interpretato come livello basso
• V_OHmin, valore minimo della tensione in uscita al livello alto
• V_OLmax, valore massimo della tensione in uscita al livello basso

Questi valori sono importanti per realizzare un corretto interfacciamento tra integrati; in particolare va sempre evitata la zona di transizione compresa tra V_ILmax e V_IHmin.

Nell'interfacciamento degli integrati è importante considerare anche:

• la corrente massima di source, erogata quando all'uscita è presente il livello alto di tensione
• la corrente massima di sink, assorbita dall'integrato quando all'uscita è presente il livello basso di tensione
• il fan-out, ovvero il numero massimo di ingressi collegabili ad una singola uscita
• il margine di rumore (noise margin), cioè la massima tensione che sovrapposta al segnale permette comunque di interpretare correttamente il livello logico (analiticamente vale V_ILmax-V_OLmax per il livello basso e V_OHmin-V_IHmin per quello alto)

Altre caratteristiche interessanti sono:

• la potenza dissipata (I_CCV_CC per i TTL, praticamente nulla in condizioni statiche e crescente con la frequenza dei segnali per i CMOS)
• il tempo di propagazione t_p che impiega il segnale ad attraversare una porta (vedi figura 4)

Considerando le caratteristiche elencate fin qui gli integrati CMOS hanno prestazioni superiori: alimentazione “flessibile”, margine di rumore e fan-out maggiore, consumo minore e tempi di propagazione simili a quelli delle TTL.

Argomento trattato in TPA.

E' importante riconoscere i seguenti termini, riferiti ai circuiti integrati:

• buffer: dispositivo in grado di erogare una corrente più elevata
• driver: dispositivo capace di pilotare componenti che richiedono correnti o tensioni più elevate
• uscita 3-state: prevede oltre al livello L e H uno stato ad alta impedenza Z che scollega l'uscita del componente
• open-collector (se TTL altrimenti open-drain se CMOS): terminale di uscita scollegato dall'alimentazione nello stato H (ma collegato a massa nello stato L); utile per fissare il livello alto di tensione ad un valore diverso utilizzando una resistenza di pull-up

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