Circuiti integrati

CIRCUITI INTEGRATI DIGITALI
I circuiti logici sono stati i primi a subire il processo di integrazione su un unico chip (integrati monolitici) e sono
attualmente i circuiti su cui la miniaturizzazione ha raggiunto i limiti più avanzati. Un circuito integrato monolitico è
formato dunque da una sottile piastrina di silicio monocristallino o substrato detto comunemente chip, nel quale,
con opportuni processi produttivi, vengono ricavati e interconnessi tra loro migliaia di componenti elettronici, quali
resistenze, transistor, capacità, diodi etc… con la possibilità di utilizzarli per qualsiasi tipo di funzioni digitali o
binarie, sia in forma di circuiti combinatori o sequenziali.
Rispetto ad un circuito a componenti discreti si hanno i seguenti vantaggi:  riduzione di costi;
 maggiore affidabilità dovuta al minor numero di connessioni che si devono realizzare a parità di prestazioni;
 riduzione delle dimensioni e, pertanto, degli ingombri circuitali;
 possibilità di soluzioni circuitali non esistenti nella circuitistica discreta
 minore consumo di potenza e minori problemi legati allo smaltimento del calore (la potenza assorbita va da
pochi µW a qualche centinaio di mW)
La più grossa limitazione al disporre di un elevato numero di componenti elementari entro un singolo integrato sta
nella necessità di portare all'esterno i collegamenti elettrici.
I circuiti integrati sono realizzati per elaborare segnali sia analogici che digitali . I microcircuiti digitali possono
contenere un elevato numeri di componenti , in quanto ogni transistor può assumere solo due stadi funzionali:
conduzione (0) o interdizione (1). Nei microcircuiti analogici il segnale può assumere valori variabili nel tempo, per
cui viene amplificato con transistori non tutti identici (negli stadi finali occorrono transistori di potenza). Questi
integrati possono quindi contenere un numero di componenti elettronici più basso rispetto a quelli digitali.
Socket
La figura mostra alcuni integrati nel loro classico contenitore DIP (Dual In Line Package) o DIL, plastico
contraddistinto dalla lettera N o P, e ceramico contraddistinto con la lettera J Su un’unica piastrina di silicio (chip)
trovano sistemazione tutti i componenti del circuito.
La piastrina viene saldata su di un supporto collocato all’interno del contenitore provvisto di terminali (pin o
piedini).effettuati i collegamenti fra chip e terminali , la piastrina viene annegata in resina epossidica e incapsulata
ermeticamente nel contenitore.
Altri tipi di contenitore sono:
 SIL = Single In Line (con i piedini su di un solo lato)
 PLLC =Plastic Leaded Chip Carrier) (con i piedini su tutti e quattro i lati)
 FLAT = piatto
 SOP = Small Outline Package (per montaggio superficiale)
I primi circuiti integrati sono stati prodotti intorno al 1960 e da allora si sono sviluppate diverse famiglie logiche
alcune delle quali sono state ormai abbandonate.
LE SCALE DI INTEGRAZIONE
Il livello di integrazione dei circuiti cresce con la complessità della funzione logica e caratterizza la cosiddetta scala di
integrazione. In base al livello di integrazione si ricorda la seguente suddivisione:
 SSI – (Small Scale Integration = integrazione su piccola scala) comprende gli integrati che contengono fino a
una decina di porte digitali e sono normalmente gli operatori fondamentali: OR, AND, NOT, AND,FLIP,FLOP,
BUFFER ecc realizzati con poche decine di transistor
 MSI – (Medium Scale Integration = integrazione su scala media ) comprende gli integrati che che contengono
alcune decine di da 12 a 100 porte logiche e sono normalmente contatori, decodificatori, registri, multiplexer
ecc. realizzati con alcune centinaia di transistor
 LSI - (Large Scale Integration = integrazione su grande scala ) Dal centinaio a qualche migliaio di porte
elementari e realizza in genere una singola funzione logica di notevole complessità realizzati con migliaia di
transistor VLSI - (Very Large Scale Integration = integrazione su grandissima scala) Con un numero di molte
migliaia di porte elementari ; in questa scala si realizzano i microprocessori e le unita' di I/O ed altri apparati
accessori ai µp.
 VHSI - (Very High Scale Integration= scala di integrazione estremamente elevata) µp a 32 bit e circuiti di
grande complessità.
La LSI e la VLSI sono generalmente in tecnologia CMOS perché è l'unica che li rende attuabili.
LE FAMIGLIE LOGICHE
Con l’espressione famiglia logica si intende un insieme di circuiti integrati realizzati con la stessa tecnologia, ciascuno
dei quali implementa in forma semplice o multipla una ben determinata funzione logica.
Le famiglie logiche in base al tipo di transistor usato ,si distinguono in :
 bipolari (se hanno come elemento base il transistore BJT) con le serie DTL,TTL ed ECL (fine anni 60 - primi
anni 70)
 unipolari (se hanno come elemento base il transistore MOS) con le serie N-MOS, PMOS, CMOS (seconda
meta' anni 70) che ha consentito un aumento nel livello di integrazione ed un minor consumo di potenza;
La bipolare è impiegata per la fabbricazione di circuiti analogici e di circuiti logici che richiedono elevate velocità di
commutazione ma le unipolari , anche se molto meno veloci (escluse le famiglie HC e AC) dissipano meno potenza.
Le famiglie più importanti sono la TTL e la CMOS




La serie TTL (Transistor-Transistor-Logic) impiega come elementi fondamentali della commutazione i
transistori con livelli di integrazione MSI ed in alcuni casi anche LSI. Tale serie, nata dopo la DTL, ha permesso
di realizzare l'integrazione di funzioni binarie complesse, non ottenibili con la precedente. Una delle ragioni
per cui e' ancora usata e' l'elevata velocita' di commutazione anche se il consumo di potenza ,come
accennato,
e'
stato
migliorato
dalle
nuove
tecnologie.
Dalla famiglia standard STD sono derivate la :
o LS (Low Power-Schottky), che attualmente rappresenta la famiglia di riferimento. (basso consumo e
buona velocità)
o TTL S (Schottky) velocità molto elevata e pertanto usata per le alte frequenze
o TTL AS (Advanced Schotthy) che rappresenta la famiglia TTL più veloce
o TTL ALS (Advanced Low Power-Schotthy) che migliora le prestazioni della LS
o TTL L (Low Power) sempre meno usata - FAST della Fairchild.
La serie CMOS, grazie alla famiglia HC (High –speed CMOS), di elevata velocità e un basso consumo e per
velocità di commutazione e capacità di pilotaggio compatibile con la TTL, sta portando una serie concorrenza
alla serie TTL LS. Altre famiglie della CMOS sono:
o HCT,alimentata a 5V presenta livelli di ingresso di tipo TTL (la HC no perché viene alimentata da 2 a 6
V)
o AC e ACT presentano ulteriori miglioramenti
o CMOS 4000
o 74C della National compatibile con la TTL.
La serie ECL (Emiter-Coupled-Logic) si e' riusciti ad estendere il campo di utilizzazione dei CI digitali anche alle
alte frequenze superiori a20 30 Mhz, ottenendo velocita' di commutazione estremamente elevate. Sono
famiglie logiche di tipo bipolare non saturato in cui cioè i BJT non vengono commutati in saturazione, come
invece avviene per le TTL.
altra tecnologia di fabbricazione era la serie DTL (Diode- Transistor- Logic) dove si realizza l'integrazione
impiegando come elementi basilari per la commutazione diodi e transistori, con densità a livello di
integrazione SSI. E' stata una delle prime serie apparse negli anni 70 e praticamente non si utilizza piu' nelle
nuove progettazioni anche perchè questi componenti hanno una bassa velocità di risposta.
NOTA: I C.I. digitali lavorano in base ai due stati (livelli) 0 e 1 e pertanto e' evidente che vengano richieste
esigenze di notevole velocita' nel passaggio dallo stato 0 a 1 (dall' interdizione alla conduzione). Vi sono
componenti che effettuano anche una amplificazione di tensione o corrente tra il segnale di uscita e quello di
ingresso ed essi sono : il transistore bipolare (BJT) ed il transistore unipolare (MOS) che assieme al diodo
costituiscono esempi di componenti non lineari, in quanto la loro caratteristica elettrica e' funzione della
tensione o della corrente del circuito in cui il componente viene inserito (la caratteristica non e' indipendente
come nel caso di un resistore la cui resistenza non varia al variare di V o di I).
LE DIFFERENZE TRA LA TTL E LA CMOS
Tra le due principali tecnologie di fabbricazione dei Circuiti integrati (TTL e CMOS) esistono pertanto le seguenti
differenze fondamentali:
 I TTL assorbono corrente agli ingressi mentre i CMOS non ne assorbono in virtu' della modalita' di pilotaggio
dei componenti che richiedono due livelli di tensione con intensita' di correnti molto deboli.
 I TTL richiedono un solo valore dela tensione di alimentazione,Vcc=5V, mentre i CMOS possono essere
alimentati in un campo di tensioni Vdd= 3 % 15 V
 I TTL assorbono dall'alimentazione una potenza molto piu' elevata di quella dei CMOS, e pertanto dissipano
maggiore potenza
 I CMOS sono piu' lenti dei TTL nella commutazione da 0 a 1 e quindi anche le porte logiche CMOS, escluse le
famiglie HC e AC.
 L'ingombro dei CMOS (nei circuiti integrati monolitici) e' assai minore di quello dei bipolari pertanto i CMOS
comprendono appunto nello stesso CHIP un numero di porte logiche piu' elevato dei TTL.
 I CMOS sono piu' delicati e sensibili alle cariche elettrostatiche, ma presentano un numero di vantaggi
superiore e si tende ad utilizzarli in sostituzione dei TTL.
Se si sceglie la TTL, si trovera' la maggior parte dei modelli precedenti compresi in una famiglia o serie denominata
74 ( 0° - 70° C) seguita da due o piu' cifre che completano l'identificazione di ogni singolo tipo.La serie militare viene
invece contraddistinto dalle prime due cifre 54 con temperature di lavoro che variano da –55° a +125°C. Se si tratta
della tecnologia CMOS esiste la cosiddetta serie 4000 i cui elementi sono identificabili in quanto nella prima o
seconda parte della loro denominazione presentano sempre il numero 4.
Circuiti integrati
Le porte logiche non sono commercializzate come singoli componenti, ma sotto forma di circuiti
integrati. Un circuito integrato in generale è un circuito elettronico complesso (contenente a volte
molte migliaia di componenti singoli, quali transistor, diodi, resistenze etc.) interamente realizzato su
un'unica piastrina (chip) di materiale semiconduttore (di solito silicio).
Per garantire l'isolamento elettrico e il corretto collegamento del circuito, il chip viene incapsulato in un
contenitore, di solito di materiale plastico, detto package. Dal package spuntano i terminali metallici
(piedini o pin) di connessione del circuito. Il tipo di package più usato per le porte logiche e i circuiti
digitali più semplici è il DIP (Dual In-Line Package), il quale presenta 14 pin suddivisi in due file di 7
sui due lati del contenitore. La figura 1 mostra un chip di silicio montato all'interno di un DIP:
Fig. 1
Fig. 2
In un unico circuito integrato sono contenute più porte logiche. Per esempio la figura 2 mostra
la piedinatura (pin-out) di un 7404, un integrato contenente al proprio interno sei porte NOT:
Si noti che oltre ai terminali di ingresso e di uscita delle porte NOT, l'integrato presenta anche un
terminale di alimentazione Vcc e un terminale di massa GND.
Famiglie logiche
Una famiglia logica (logic family) è un gruppo di integrati digitali realizzati con le stesse tecnologie e
compatibili elettricamente fra loro. In pratica tutti i componenti appartenenti alla stessa famiglia logica
possono essere collegati l'uno con l'altro (un po' come succede ai mattoncini dei LEGO, che possono
essere incastrati l'uno con l'altro, essendo compatibili fra loro).
Una famiglia logica non è una particolare "marca" di componenti digitali (come per esempio invece
sono Nationals, Motorola, Fairchild, Philips etc.), così come le denominazioni "diesel", "turbodiesel" o "a
benzina" non corrispondono a marche di autoveicoli, ma a tipologie generali.
TTL e CMOS
Le due famiglie logiche più diffuse sono la TTL (Transistor Transistor Logic), a sua volta suddivisa nelle
sottofamiglie Low-power TTL, High-speed TTL, Schottky TTL, Low-power Schottky e altre ancora, e
la CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). I componenti TTL non sono in generale
compatibili con i CMOS e viceversa, a meno di utilizzare opportuni circuiti di interfacciamento. Vi sono
però alcune sottofamiglie CMOS dette TTL compatibili, cioè progettate apposta per essere
elettricamente compatibili con i TTL.
Gli integrati della famiglia TTL sono contraddistinti dalla sigla 74
(o 54 per la serie militare) seguita da altre due cifre che identificano
il tipo di integrato. La tabella seguente mostra le sigle
corrispondenti alle principali porte logiche elementari:
Nella sigla sono a volte presenti lettere aggiuntive che identificano
la sottofamiglia logica (L =Low Power, H = High Speed, S =
Schottky, LS = Low Power Schottky etc.). Per esempio 74LS08
indica un quadruplo AND appartenente famiglia TTL Low Power
Schottky.
Gli integrati della famiglia CMOS sono invece contraddistinti
dalla sigla 40 seguita dalle cifre che identificano il tipo di integrato.
La tabella seguente mostra le sigle di alcuni integrati CMOS (si noti
che i numeri non coincidono con quelli delle porte TTL
corrispondenti):
Occorre anche sapere che le sottofamiglie CMOS compatibili con i
TTL usano invece le stesse sigle dei TTL e sono contraddistinte dalle
sigle C, HC o HCT (es. 74HC08).
Sigla
Integrato
7402
4 NOR a 2 ingressi
7400
7404
7408
7432
74386
4 NAND a 2 ingressi
6 NOT
4 AND a 2 ingressi
4 OR a 2 ingressi
4 XOR a 2 ingressi
Sigla
Integrato
4011
4 NAND a 2 ingressi
4001
4049
4081
4071
4070
4 NOR a 2 ingressi
6 NOT
4 AND a 2 ingressi
4 OR a 2 ingressi
4 XOR a 2 ingressi
La tabella seguente confronta fra loro le caratteristiche elettriche delle principali sottofamiglie TTL e
CMOS:
Famiglia Sottofamiglia
TTL
TTL
-
L
TTL
H
TTL
TTL
1
5 (4.75-5.25)
10
10
2
F
3.5
AC/ACT
AS
CMOS
33
10
LS
S
TTL
CMOS
Intervalo tipico di
alimentazione V
22
ALS
CMOS
Potenza dissipata per
singola porta a 1 MHz
(mW)
6
TTL
TTL
Ritardo di
propagazione (ns)
HC/HCT
4000B/74C
3
19
4
1.3
2
8
5 (4.75-5.25)
5 (4.75-5.25)
5 (4.75-5.25)
5 (4.75-5.25)
5 (4.5-5.5)
5.4
5 (4.75-5.25)
3
0.5
3.3 o 5 (2-6 o 4.5-5.5)
30
1.2
10V (3-18)
9
0.5
5 (4.5-5.5)
5 (2-6 o 4.5-5.5)
Le due famiglie differiscono fra loro anche per quanto riguarda i livelli di tensione considerati come
basso (L) e alto (H). Nei TTL i due livelli sono 0 V e 5 V (entrambi con una fascia di tolleranza). Nei
CMOS invece il livello basso è sempre 0 V, mentre il livello alto corrisponde alla tensione di
alimentazione, che può assumere valori diversi.
Per quanto riguarda le prestazioni, in generale i CMOS dissipano meno potenza dei TTL, ma la potenza
dissipata cresce all'aumentare della frequenza dei segnali; i CMOS sono più delicati e si danneggiano
più facilmente dei TTL; i CMOS presentano una migliore immunità al rumore rispetto ai TTL.
I livelli di tensione e i relativi limiti corrispondenti ai valori L (low) e H (High) per le diverse famiglie
logiche sono mostrati nella figura seguente:
PULL UP e PULL DOWN
Assumendo per semplicità che il livello alto corrisponda a +5V e il livello basso a 0 V, vale la pena di
discutere brevemente le modalità con le quali è possibile fornire tali due livelli a una porta logica. Si
considerino i seguenti esempi:
Quando lo switch è chiuso, l'ingresso del NOT è
cortocircuitato a massa e dunque il proprio livello
è basso. Quando invece lo switch è aperto non c'è
nessun riferimento di tensione sull'ingresso: esso,
come si dice, è appeso (o floating). In generale
lasciare appeso un ingresso di un circuito non è
mai una buona idea poiché la tensione ai suoi capi
può assumere qualsiasi valore.
Come possiamo fare dunque per far sì che il
nostro interruttore consenta di cambiare il livello
di ingresso da L a H? La soluzione mostrata nella
figura seguente, per quanto semplice e attraente,
è sbagliata!
Infatti quando si chiude lo switch il generatore
Vcc viene cortocircuitato a massa: un ottimo
sistema per danneggiare un generatore!
Una soluzione che invece funziona è questa: R1 è
un resistore detto di pull-up (cioè che "tira su"),
il quale, quando il tasto è aperto, tira su la
tensione dell'ingresso fino a Vcc. Quando invece il
tasto è chiuso, il resistore garantisce la protezione
del generatore Vcc che non viene cortocircuitato a
massa.
Una soluzione alternativa, ugualmente valida, è la
seguente:
In questo caso il resistore viene detto di pulldown in quanto la sua funzione è quella di tirare
giù la tensione verso zero (massa) quando lo
switch è aperto.
9.2 Pull-Up Pull-Down
Gli ingressi di un circuito logico digitale, devono sempre trovarsi ad livello definito (zero o uno logico) non
devono mai essere "appesi" ovvero senza nessun riferimento.
I collegamenti possibili sono sostanzialmente di due tipi:
Resistenza di Pull-Up
Resistenza di Pull-Down
ON (chiuso) = Ingresso logico 0
ON = Ingresso logico 1
OFF (aperto) = Ingresso logico 1
OFF = Ingresso logico 0
E' consigliabile, onde evitare malfunzionamenti a causa delle correnti interne alla porte logiche, utilizzare
resistori inferiori a 1 Kohm per connessioni pull-down, maggiori di 1Kohm per connessioni pull-up.
Come interruttori per fornire gli
ingressi opportuni alle porte logiche
si ricorre spesso all'uso di micro
interruttori integrati (Dip-Switch)
Multisim:
Master Database
Basic
SWITCH
DSWPK_X
Come resistori per realizzare il pulldown possono essere utilizzate le
reti resistive:
Multisim:
Master Database
Basic
RPACK