APPUNTI PORTE LOGICHE

APPUNTI PORTE LOGICHE - CLASE 3BET
Parametri
CARATTERISTICHE STATICHE DELLE PORTE LOGICHE
NOMENCLATURA:
1) Livelli logici alti
Dove Ioh è detta corrente di Source
2) Livelli logici bassi
Dove Iol è detta corrente di Sink.
Vcc
TTLLS
5v
TTLSTD
5v
CMOS4000B 5v
CMOS HC
5v
Vihmin
2v
2v
3,5v
3,15v
Vilmax
0,8v
0,8v
1,5v
0,9v
Vohmin
2,7v
2,4v
4,95v
4,4v
Volmax
0,5v
0,4v
0,05v
0,1v
Iih
20µA
40µA
0,1µA
0,1µA
-Iil
0,4mA
1,6mA
0,1µA
0,1µA
-Ioh
400µA
400µA
440µA
4mA
Iol
8mA
16mA
440µA
4mA
Le sottofamiglie TTL
Dalla TTL standard(STD) hanno preso origine nel tempo numerose sottofamiglie, di cui le più
usate attualmente sono quelle contraddistinte dalle sigle LS, S, ALS e AS. I vari
integrati conservano gli stessi numeri dei corrispondenti della serie STD, con l'aggiunta della sigla
tipica di ogni serie. Gli integrati 74LS00 e 74ALS00 contengono, ad esempio, ciascuno quattro
porte NAND a due ingressi della serie TTL LS e TTL ALS rispettivamente.
Serie TTL LS. E' attualmente la serie più diffusa per impieghi di tipo generale (general purpose).
Viene definita TTL a bassa dissipazione (low-power Schottky). Per ridurre il consumo sono
state impiegate resistenze interne più elevate. Ciò comporta per un ritardo maggiore nella risposta
dell'uscita. Per ovviare all'inconveniente si è fatto ricorso all'uso di transistor Schottky che
presentano tempi di commutazione notevolmente inferiori rispetto ai normali BJT. Grazie all'uso
di questi transistor ed ai miglioramenti circuitali si è riusciti a mantenere il ritardo di
propagazione della TTL LS nei limiti di quello della TTL STD (10ns), ma con una P dissipata
notevolmente inferiore (2mW).
I livelli di tensione sono leggermente diversi da quelli della TTL STD (verificabili sui data sheet
del costruttore).
Serie TTL S. La serie TTL Schottky impiega nella struttura delle porte il transistor Schottky e
resistenze di valore più basso rispetto alle TTL LS. Raggiunge così ritardi di propagazione
molto bassi (3ns), anche se ha un consumo di potenza piuttosto elevato.
Serie TTL avanzate. Le TTL avanzate ALS e AS sono le serie più recenti della famiglia e
presentano notevoli miglioramenti rispetto alle precedenti. Oltre ad utilizzare i transistor Schottky,
impiegano soluzioni circuitali ottimizzate e processi tecnologici che consentono di ridurre
notevolmente le dimensioni dei componenti e di conseguenza le capacità parassite. I tempi di
propagazione risultano così decisamente ridotti.
La serie TTL ALS (advanced LS) presenta consumi ridottissimi. La serie TTL AS (advanced
Schottky) è quella che ha il minor ritardo di propagazione (1.5ns).
TTL: norme di impiego
Come è noto, gli integrati TTL vanno alimentati con tensione Vcc=5V; più precisamente per gli
integrati delle serie commerciali 74STD, LS e S la tolleranza sull'alimentazione è del 5%
(Vcc=4,75 - 5,25V), mentre per le serie militari 54 e le serie ALS e AS è del 10%.
Per fornire la tensione di alimentazione è adatto, ad esempio, il regolatore 7805, in grado di fornire
una tensione stabilizzata di 5V con una corrente fino a 1,5A.
La temperatura dell'ambiente di lavoro deve essere compresa tra 0 e 70°C per la serie commerciale
74 e tra -55 e +125°C per la serie militare 54.
Gli ingressi inutilizzati non devono mai essere lasciati scollegati perchè, per una questione
costruttiva tipica dei TTL, in questo caso è come se a tali ingressi fosse applicato un livello alto.
Se misuriamo la tensione presente ad un ingresso libero vedremo che essa vale circa 1,2V,
mentre il valore tipico di Vil(max) è di 0,8V. Per garantire un corretto funzionamento questi
ingressi andranno collegati a massa per le porte OR e NOR e all'alimentazione Vcc per le porte
AND e NAND. Nella serie LS gli ingressi non utilizzati possono essere collegati direttamente a
Vcc. Conviene che le porte non usate di un integrato siano lasciate nello stato con uscita alta. Dai
valori di Icch e Iccl si vede infatti che con uscita alta il consumo è minore.
Se un ingresso di una porta TTL deve essere commutato fra i due livelli logici mediante un
pulsante o un interruttore, si collegherà tale ingresso a massa attraverso una resistenza di pull
down di valore opportuno (vedi schemi sottoriportati) così calcolato per TTL STD:
R=Vil(max):Iil(max) cioè R=0,8V:0,4mA=2K, per garantire il buon funzionamento della porta si
sceglie un valore più basso, tipicamente R=1K. Lo stesso lo si può ottenere con un collegamento
con R di pull-up sempre dello stesso valore. La resistenza viene inserita per non creare un corto
circuito fra Vcc e GND al momento della chiusura dell'interruttore e per garantire il livello basso
quando l’interruttore è aperto.
N.B. Per le porte TTL è bene non utilizzare il primo schema perché quando viene chiuso
l’interruttore scorre una corrente sulla R pari a circa 5v/1K = 5 mA corrente eccesiva che potrebe
creare problemi di dissipazione di potenza. Inoltre essendo con R=1K la Vil pari a 0,4v si abbassa
anche l’immunità al rumore della porta.
Nell’altro schema invece la R può assumere un valore molto più elevato pari a:
R=Vcc-Vih/Iih=3v/20A= 0,15 MK
Di solito si prende una R=10Kinfatti più la Vih èalta e meglio è.
La corrente sarà pertanto molto più bassa. (come è anche il caso delle porte CMOS).
Pilotare un LED con una porta logica
Per pilotare un LED con porte logiche occorre tenere presente i livelli delle correnti di uscita di
source e di sink forniti dal costruttore.
Il collegamento corretto per porte TTL è quello in figura.
Infatti l'uscita di una porta TTL LS può assorbire una
IOL=8mA che è sufficiente per garantire l'accensione del LED.
In questo caso, naturalmente, il LED si accende sul livello
basso: la corrente può scorrere da Vcc verso la porta e andare a
massa.
Calcolo della resistenza:
R= (Vcc- V- VOL)/I OL= (5-2-0.4)V/8mA = 330
La corrente di uscita di una TTL LS a livello alto è dell'ordine
di 0,4mA, valore insufficiente a pilotare direttamente un LED
(il LED potrebbe anche accendersi ma il livello min. di
VOH=2,7V non sarebbe più garantito).
Per carichi più elevati, o se si desidera che un carico venga
pilotato dall'uscita a livello alto, si può usare un BJT come
buffer.
Considerando la corrente di base di 0,4mA (IOH) e un
hFEmin=100 si possono pilotare carichi che assorbono fino a
40mA.
Calcolo delle resistenze:
Supponiamo una Ic di almeno 10mA per l’accensione del led
pertanto:
RC= (Vcc- V- - VCEsat)/I c= (5-2 -0.2)V/10mA = 330
VOH = RB IB+ VBEsat
RB = (VOH- VBEsat)/ IB= (2,7-0,8)/0,3 mA = 6,8 K
Calcolo di IB
IB IC/ hFEmin  0,1
mA prendo il triplo
IB=0,3mA Corrente che
la porta è in grado di
erogare infatti
IOH MAX= 0,4 mA
Potenza dissipata:
Nei fogli tecnici si trovano i due parametri Icch e Iccl che indicano le correnti assorbite
dall'alimentazione dell'integrato con le uscite delle porte rispettivamente a livello alto e a livello
basso. Per avere la potenza dissipata dall'integrato basta moltiplicare questi valori per 5V. Ad
esempio per il 7400 si legge Icch=4mA e Iccl=12mA. Supponendo che le porte lavorino con un
duty cycle del 50%, cioè che le uscite siano alte per la metà del tempo e basse per l'altra metà, si
ottiene una corrente media assorbita di 8mA. La potenza media dissipata dall'integrato vale
Pd=Icc*Vcc=8*5=40mW. Essendo quattro le porte contenute nel 7400, ciascuna dissipa il valore
tipico di 10mW.
Per la porta 7400:
Icch = 4mA Iccl = 12 mA
con  = 50%
Imedia = 8 mA per cui
-3
Pd = 8 * 10 * 5 = 40 mW
NORME PER LA PRODUZIONE DI CIRCUITI STAMPATI
In una scheda con I.C. digitali occorre prestare particolare cura ai collegamenti di alimentazione e
di massa onde ridurre, per quanto possibile, gli spike (picchi) di tensione dovuti alle
commutazioni degli integrati logici. Conviene, a tale scopo, inserire, fra le piste di alimentazione
e di massa, condensatori per radiofrequenza (ad esempio ceramici da 100nF) in ragione di uno
ogni I.C..Si deve aggiungere anche un condensatore elettrolitico al tantalio fra le piste di
alimentazione di valore da 22uF per ogni scheda utili come riserva di energia per i condensatori
ceramici.