Circuite Integrate Digitale

Electronică digitală 1 Introducere, definiţii Tehnologii Metrici si caracteristici Regimul static Regimul dinamic

1

Electronică digitală (ED)? • Digital = numeric, mai corect in limba română! • Pe scurt: sisteme in care semnalele sunt reprezentate prin benzi (intervale, plaje) discrete de tensiune, nu de un domeniu continuu • Acestor benzi, intervale, le sunt asociate, de cele mai multe ori, cele două cifre binare (0,1) sau cele două stări logice aferente • In primul rând aici vom avea de a face cu circuite integrate numerice/digitale! • Ele sunt “cărămizile” din care este construit orice sistem digital/numeric • O simplă poartă sau un inversor cât si un microcontroler sau microprocesor multicore sunt circuite integrate numerice si au multe 2 lucruri in comun!

Electronică digitală (ED)? Condiţii prealabile • Ce ar trebui să ştim deja (prerequisites): – Bazele electrotehnicii – Analiza si sinteza dispozitivelor numerice – Circuite electronice liniare

3

Definiţii • Circuit integrat – CI (monolitic) – un circuit electronic realizat pe o singură micro-plachetă de material semiconductor (Si – siliciu) • Reuneşte toate elementele necesare pentru realizarea unei funcţii determinate (integrated circuit IC, microcircuit): – Elementele necesare: active (tranzistoare, diode) si pasive (rezistori, capacitori) sunt realizate de domenii ale solidului semiconductor – Interconexiuni interne (circuitul propriu-zis) – Până aici este mai degrabă un cip (chip).. – Dacă este si încapsulat (packed) si prevăzut cu conexiuni externe, pini (pins) devine un adevărat circuit integrat 4

Definiţii • Circuit integrat numeric (digital): realizează una sau mai multe funcţii specifice (logice, aritmetice, memorare, etc.) asupra unor semnale binare; funcţionarea este descrisă si cu ajutorul aritmeticii booleene (digital integrated circuit) – Sunt circuite electronice neliniare!! • Mai există circuite integrate analogice (exemplul tipic este amplificatorul operaţional) si circuite de mod mixt (mixed mode) cu exemple tipice convertoarele analog-numerice sau numeric analogice) 5

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare mare

• Dispozitiv- nivelul descrierii geometrice a microcircuitului este cel mai apropiat de realizarea fizică propriu-zisă a elementelor descrise la nivelele superioare

DISPOZITIV G

S n+

mic Grad de abstractizare

D n+

6

Circuitul: in acest exemplu, un inversor CMOS Apar detalii ale circuitului electric, VDD avem o schemă electrică (electronică) cu componente, Tranzistor pMOS alimentări, etc. Vin

Vout CL

Vin – tensiune intrare Tranzistor nMOS Vout – tensiune ieşire VDD - borna alimentare Gnd - borna de masa Gnd Mărimile fizice de intrare si respectiv ieşire sunt de natura CL - capacitatea de sarcină (nu face parte din schemă, dar unei tensiuni electrice (V)! există întotdeauna) 7

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare mare

Circuit- nivelul schemelor electrice (electronice) CIRCUIT Vin

Vout

DISPOZITIV G

S n+

mic Grad de abstractizare

D n+

8

Poarta: deşi inversorul (inverter) nu este o chiar poartă (gate), diferenţa este, de cele mai multe ori, nesemnificativă

In Intrare

Out Iesire

O reprezentare simplificată, intrarea si ieşirea sunt mărimi binare, sunt stările logice, notate: “0” (L-Low) sau “1” (H- High) ! Mai simplu sau mai complicat funcţionarea poate fi descrisă cu ajutorul algebrei booleene. In reprezentarea simplificată nu apar/nu există borne de 9 alimentare!

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare mare • Poarta- nivelul schemelor logice larg utilizat în descrierea funcţionării interne a blocurilor specificate la nivelele superioare

POARTA CIRCUIT Vin

Vout

DISPOZITIV G

S n+

mic Grad de abstractizare

D n+

10

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare mare SISTEM

MODUL + POARTA CIRCUIT Vin

Vout

DISPOZITIV G

S n+

mic Grad de abstractizare

D n+

11

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare-2 • Sistem- nivelul sistemic al blocurilor funcţionale presupune utilizarea unei scheme bloc în care sunt descrise (prezentate) principalele subcomponente ale unui sistem numeric • Modul- nivelul generic al transferului între registre-RTL (Register Transfer Level) constă în utilizarea de instrucţiuni analoage celor dintr-un limbaj de programare • Poarta- nivelul schemelor logice larg utilizat în descrierea funcţionării interne a blocurilor specificate la nivelele superioare • Circuit- nivelul schemelor electrice (electronice) • Dispozitiv- nivelul descrierii geometrice a microcircuitului este cel mai apropiat de realizarea fizică propriu-zisă a elementelor descrise la nivelele superioare 12

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare-2

• Această abordare a permis o „încapsulare” a nivelului respectiv, făcând posibilă dezvoltarea unor unelte software de proiectare asistată (CAD tools) specifice fiecărui nivel, mijloace de lucru foarte eficiente, unelte fără de care progresele semnificative din domeniu nu ar fi fost posibile 13

Tranzistorul si CI in tehnologie bipolară: cronologie • • • • •

Tranzistorul – Bardeen (Bell Labs) in 1947 Tranzistorul bipolar – Schockley in 1949 Prima poarta logică bipolară – Harris in 1956 Primul CI monolitic – Jack Kilby in 1959 Primele CI digitale comerciale – Fairchild 1960 • Familia (de CI digitale) TTL – din 1962 (TI Texas Instruments) până in anii 1990 • Familia ECL – din 1974 (Motorola) până in anii 1980 14

Tehnologia MOSFET: cronologie • MOSFET-ul - Lilienfeld (Canada) in 1925 si Heil (UK) in 1935, descoperă principiul dar nu au si tehnologia!!! • PMOS in anii 1960 (primele calculatoare de buzunar si primul uP de 4 biti 4004, in 1970) • NMOS in anii 1970 (primele uP de 8 biti: 8008, 8080) – viteză mai mare decata PMOS • Tehnologia CMOS (Complementary MOS) – 1968, RCA, familia CD4000. • CMOS in anii 1980 – devine tehnologia preferată datorită caracteristicilor de putere consumată si scăderii pretului de cost • BiCMOS(BipolarCMOS), Ga-As, Si-Ge • SOI (Silicon On Insulator), Copper-Low K, … 15

Familii de circuite integrate digitale: o mare diversitate, identificate de obicei printr-un prefix TEHNOLOGIE BIPOLARA 74………………TTL Cu roşu - familii care practic nu mai • 74L......................Low power există pe piaţa, demodate - obsolete 74S......................Schottky 74H......................High speed 74LS....................Low power - Schottky 74AS...................Advanced - Schottky 74ALS.................Advanced - Low power - Schottky 74F(AST).............Fast - (Advanced - Schottky)- TTL inputs TEHNOLOGIE UNIPOLARA (CMOS) • 74C......................CMOS....... Vcc level • 74HC (U).............High speed - CMOS (Unbuffered output) 74HCT.................High speed - CMOS - TTL inputs 74AHC.................Advanced - High speed - CMOS 74AHCT.............. Advanced - High speed - CMOS - TTL inputs 74FCT (-A,T,AT).Fast - CMOS - TTL inputs 74AC....................Advanced - CMOS 74ACT................. Advanced - CMOS - TTL inputs 74FACT................Fast AC, ACT (Q) series 74ACQ.................Advanced - CMOS - Quiet outputs 74ACTQ...............Advanced - CMOS - TTL inputs - Quiet outputs 74AVC...................Advanced Very Low voltage CMOS 74AUC...................Advanced Ultra-low voltage CMOS 74AUP...................Advanced Ultra-Low power

16

Ciclul de viată (life cycle) al familiilor de CI digitale

Cu excepţia seriei CD4000, toate familiile in declin sunt bipolare!

17

Dispozitivul (de bază): tranzistorul MOS Sursa – contact metal (Alu)

Oxid de Si Alu sau Poly Si (SiO2) izolator Siliciu policristalin poartă Poarta/Grila

n+

Drena – contact metal (Alu)

n+

Câmp Oxid siliciu (SiO2)

substrat p

Blocaj p+ SECTIUNE TRANSVERSALA a unui tranzistor NMOS contact substrat (bulk)

Apar detalii, o reprezentare a geometriei dispozitivului activ; Trebuie sa stim cum functioneaza (macar in linii mari..)

18

Materii prime • Prin tehnologii specifice din siliciul monocristalin se pot obţine: – Semiconductori: p, p+ si n, n+ – Conductori: siliciul policristalin (Poly Si), un conductor prost dar nu întotdeauna e nevoie de conductori buni! – Izolatori: oxidul de siliciu (SiO2) • Se mai utilizează si conductori propriu-zişi (metale): – Aluminiu (Al): cel mai utilizat – Aur (Au): mai puţin utilizat – Cupru (Cu): cel mai greu/scump de utilizat deşi este cel mai bun metal conductor (la categoria lui de preţ)! Difuzează in siliciu ca apa in nisip, sunt necesare tehnologii speciale de “interfaţă” cu Si.. 19

Procesul de fabricaţie…este si foarte multă chimie

20

Materia primă de bază: siliciul (Si) monocristalin

Lingoul (ingot) este de fapt un monocristal de Si (Mono Si) uriaş si care ar trebui să fie (si este) aproape perfect (fără defecte de structură)!

Diametrul wafer-ului (feliile taiate din lingou) este si o si măsură a performantei procesului tehnologic utilizat! 21

Fotolitografia (optical photolitography): este o componentă/tehnologie esenţială a procesului de fabricaţie

Proiectarea (design)Realizarea măştilor (masks)

Expunerea wafer-ului 22

Fotolitografie

23

Fotolitografie

24

Fotolitografie

25

Plachetele / feliile: (Si) Wafer Die (fiecare este un potenţial viitor circuit integrat) Wafer = multe Die identice Cu cat mai multe cu atât mai bine…

From http://www.amd.com

Pentru ca plachetele să fie perfecte, lingoul trebuie să fie un cristal perfect Fiecare imperfecţiune înseamnă un viitor circuit integrat defect! Dar asta nu o să o vedem decât după ce este gata! 26

Încapsularea CI (packaging) – este strâns legată de tehnologia care va fi utilizată pentru montarea lor Variante de încapsulare - Pin Through (PT) sau Through Hole (TH) si Surface Mounted Technology (SMT)

SMT

PT

SMT

Capsulă = package

SMT

27

Ce este in interiorul capsulei?

Aici, suprafaţa exterioară a capsulei a fost polizată intenţionat! Există si circuite care au o “fereastră” realizată in alt scop decât cel didactic.

28

Exemple de variante de încapsulare moderne Ball Grid Array -BGA

Permite obţinerea celei mai mari “densităţi” de conexiuni externe (de “pini”, balls) 29 De până la ordinul x1000!

Tehnologii de montare a componentelor electronice: Pin Through (PT), Through Hole (TH) si Surface Mounted Technology (SMT) Funcţie de cum anume este montat (fixat prin sudură/lipire/ soldering) CI pe placheta de circuit imprimat (PCB)

SMT - Montarea la/pe suprafaţă, fără găuri de fixare pentru componente PT- montarea cu ajutorul găurilor de fixare, prin gaura de fixare; 30 Placheta trebuie găurita

Legea lui Moore • Există si clasificări funcţie de scara de integrare (integration scale) sau, crescator, de numărul echivalent de tranzistoare per circuit: SSI (Small Scale Integration), MSI, LSI, VLSI (Very Large Scale Integration, etc) – Ele au devenit cam demodate…de ce?

• In 1965, inginerul Gordon Moore a prezis ca numărul de tranzistoare care pot fi integrate pe un chip (die) se va dubla la fiecare 12 pana la 24 luni (adică va creste exponenţial in timp). • Vizionar!! Moore’s Law este verificată in practică destul de bine pana acum (2011)! bariera de un milion de tranzistoare (MT) per chip a fost depăşită in anii 1980. – – – – –

2300 T, ceas 1 MHz (Intel 4004) - 1971 16 MT (Ultra Sparc III) 42 MT, ceas 2 GHz (Intel P4) - 2001 140 MT (HP PA-8500) > 1000MT (10 core Xeon, etc) -2011

M= milioane

31

Legea lui Moore aplicată la microprocesoare 1000

Creste 2X in 1.96 ani!

Tranzistoare (MT)

100 10

486

1 386 286

0.1 0.01

P6 Pentium® proc

8086 8080 8008 4004

8085

0.001 1970

1980

1990 An

2000

2010 32

Primul microprocesor, de 4 biţi: Intel 4004 (1970, tehnologie pMOS)

33

Un microprocesor ceva mai nou: Intel Pentium IV

34

Metrici (măsuri) fundamentale pentru circuitele integrate digitale • Funcţionalitate • Fiabilitate, robusteţe – Imunitatea la zgomotul electromagnetic • Descrisa si prin marginile de zgomot de curent continuu (DC Noise margins) – Imunitatea la acţiunea (variaţia) unor factori de influentă externi: temperatură, tensiunea de alimentare, timp (îmbătrânire), dar mai există si alţii! • Performanţe – Viteza (descrisa prin întârzierea intrare-iesire sau timpul de propagare – propagation delay) – Puterea consumata/ disipata (energia) 35

Fiabilitate si robusteţe: de ce ? • In primul rând discutăm despre efectul zgomotului electromagnetic (electromagnetic noise) asupra funcţionării corecte a circuitele integrate digitale • Zgomot – variaţii nedorite ale tensiunilor si curenţilor in nodurile unui circuit, in cazul nostru, digital (numeric) • Pe scurt: • Două fire (conductoare) alăturate prezintă: – Cuplaje capacitive (parazite) • Modificarea tensiunii (dv/dt) intr-un fir poate influenţa semnalul intr-un fir vecin • Diafonia (cross talk)

v(t)

i(t)

– Cuplaje inductive (parazite) • Modificarea curentului (di/dt) intr-un fir poate influenţa semnalul in firul vecin

36

Fiabilitate si robusteţe: de ce? • Mai există si un zgomot provenind din liniile de alimentare (Vdd) si din liniile de masă (Gnd) – Poate influenţa nivelul semnalelor la nivelul porţii (modul in care sunt interpretate nivelele logice), deoarece semnalele de intrare si ieşire se raportează la masă (se definesc faţă de borna de masă a circuitului) – Semnalele de ieşire depind in mod tipic si de tensiunea de alimentare a circuitului VDD

37

Fiabilitate si robusteţe: semnale numerice afectate de zgomot Vp - tensiunea de prag Semnal robust Eroare!

Vp - tensiunea de prag

Semnal afectat de zgomot

38

Metrici si noţiuni esenţiale • Se regăsesc in 2 mari categorii (ca la orice sistem..) • Regimul static (DC, CC) – Tensiuni, curenţi, rezistente, – Caracteristica statică de transfer (tensiune-tensiune, V-V) – Caracteristici de intrare si ieşire (caracteristici curenttensiune, I-V) – In regim static NU există dimensiunea timp!

• Regimul dinamic (AC, CA – deşi nu este vorba de curent alternativ, ci de un regim tranzitoriu!) – Tensiuni, curenţi, impedanţe, DAR NE INTERESEAZA cum se modifică ele in timp! – Ne interesează si viteza de variaţie (rate), care ne arată cat de repede se modifică mărimea respectivă in timp, dx/dt

39

Regimul static (CC sau DC) • Unei variabile logice i se asociază o plajă de tensiune la intrare si o plajă de tensiune la iesire pentru fiecare stare logică (logic state): – La intrare: 1 ⇔ [VIH, VDD] si 0 ⇔ [0, VIL] – La iesire: 1 ⇔ [VOH, VDD] si 0 ⇔ [0, VOL] – Foarte important: VIH < VOH , VIL > VOL V(x) ∈[ 0, VIL ] V(x)

⇒ V(y) ∈[VOH , VDD]

V(y)

V(x) ∈[VIH , VDD] ⇒ V(y) ∈[ 0, VOL ]

• Diferenţa intre VOH si VOL este ecartul / amplitudinea logic(ă) sau de semnal (logic swing). • Parametrii de regim static ai unei porţi – regimul static ne arată si cat de robust este circuitul la perturbaţiile induse de zgomot precum si la variaţiile inerente ale 40 procesului de fabricaţie

Regimul static:

caracteristica statică de transfer (CST,

VTC-Voltage Transfer Characteristic)

a inversorului

Reprezentarea grafică a tensiunii de ieşire V(y) funcţie (f) de tensiunea de intrare V(x) V(y)

V(x)

V(y)

VOH = f (VIL) f

V(y)=V(x)

Tensiunea de prag (threshold) a inversorului / portii

VP VOL = f (VIH) VIL

VP

VIH

V(x) 41

Compatibilitatea nivelelor logice (compatible logic levels) Iesirea unei porti este intrarea altei porti! Ieşire poartă (driver)

Intrare poartă (receiver)

42

Compatibilitatea nivelelor logice • Pentru ca o familie de circuite integrate numerice să fie utilă trebuie in primul ca nivelele logice de ieșire Vo să fie compatibile cu nivelele logice de intrare Vi: adică un “0”(L) la ieșire să fie interpretat corect ca un “0”(L) la intrare, iar un “1”(H) la ieșire să fie interpretat corect ca un “1”(H) la intrare. V(y)

VOH = f (VIL) f

Din acest motiv este absolut obligatoriu ca VIH≤VOH si VIL ≥ VOL.

VOL = f (VIH) VIL

VP

VIH

V(x)

43

Compatibilitatea nivelelor logice • Din acest motiv este absolut obligatoriu ca VIH≤VOH si VIL ≥ VOL. • Dacă nu este așa, cum e cazul in care trebuie să interfatăm intre ele familii de circuite numerice diferite, trebuie utilizate circuite speciale pentru a asigura această compatibilitate. • Conditiile de mai sus sunt necesare dar nu si suficiente, deorece intervine si zgomotul. • In prezenta zgomotului trebuie ca VIH ≤ VOH ± Uzg si VIL ≥ VOL ± Uzg

44

Asignarea nivelelor logice in domeniul tensiunii Regiunile tensiunilor acceptabile pentru “1” (High) si “0” (Low) la intrare sunt delimitate de VIH si VIL care reprezintă punctele unde curba CST are câştigul (amplificarea) ∆V(y)/∆V(x)= ∆Vo/∆Vi= -1 VDD ‘1’

V(y)

VOH VIH

VOH

Panta(amplificare) = -1

Zona nedefinita VIL ‘0’

VOL

panta = -1 VOL

VIL VIH V(x) 0V O tensiune aflată aici nu înseamnă nimic din punct de 45 vedere logic (nu este un nivel logic valid!)

Marginile de zgomot (noise margins) •

Pentru a avea si un circuit robust (dpdv al zgomotului electric) dorim ca intervalele corespunzătoare lui “0” si “1” să fie cât mai largi posibile VDD

VDD

VOH

"1" MZH = VOH - VIH

Margine de zgomot H

VIH

Margine de zgomot L

VIL

VOL

Regiune nedefinita

MZL = VIL - VOL "0"

Gnd Ieşire poartă (driver)

Gnd (Masa) Intrare poartă (receiver)

Margini de zgomot cat mai mari sunt de dorit, dar nu sunt 46 suficiente.. .

Nivele logice pentru familiile standardizate: o mare diversitate

Familia generica

47

Exemplu: marginile de zgomot la familia CMOS VIL =1,3V VOL=0,2V MZL = VIL – VOL = 1,3 – 0,2=1,1V VOH = 4,7 VIH = 3,7 MZH = VOH – VIH= 4,7 – 3,7=1V

48

Mai este necesară si o proprietate de regenerare a nivelelor logice O poartă cu capacitatea de regenerare a nivelelor logice ne asigură ca un semnal logic perturbat (având nivele logice degradate) este readus la un nivel logic nominal vv00

v1

v2

v3

v5

6

8

v6

v2

5 V (volts)

v4

v0

3

v1

1 -1 0

2

4 t (nsec)

10 49

Condiţiile pentru regenerarea semnalului logic v0

v1

v2

v1 = f(v0) v3

v3

v4

v2 = f(v1)

v5

v6

v3 = f(v2)…….

f(v) v1

v1

v3 v2

f(v)

v2 v2

v0

v1

CST pt o poartă cu regenerare

v0

v2

v1

CST pt o poartă fără regenerare

Pentru a avea capacitatea de regenerare CST trebui să aibă o zonă tranzitorie in care câştigul să fie mai mare ca 1 (in valoare absolută) mărginita de două zone in care câştigul este mai mic ca 1: poarta trebuie să aibă si amplificare! O astfel de poartă va avea două puncte (statice) stabile de funcţionare, unul in “0” si unul in “1”

50

Imunitatea la zgomot • Marginea de zgomot (noise margin) descrie capacitatea circuitului de “anihila” efectul unor surse de zgomot – Surse de zgomot: zgomot pe alimentare, diafonia, interferente

• Valoarea absolută a marginilor de zgomot nu spune totul! – De exemplu, un nod flotant (in gol) sau comandat de o sursă de tensiune de impedanță (rezistență) mare este mai uşor de perturbat decât unul care este comandat de o sursă (de tensiune) cu o impedanţa scăzută!

• Imunitatea la zgomot descrie capacitatea sistemului de a procesa si transmite corect informaţia numerică in prezenţa zgomotului

51

Directivitatea • O poartă trebuie să fie unidirecţională: modificările nivelelor de ieşire nu trebuie să se regăsească in nici un nivel de intrare al aceluiaşi circuit (intrări presupuse staţionare!) – Pentru circuitele reale directivitatea totală este o iluzie! Exemplu: efectele datorate cuplajelor capacitive parazite intre intrări si ieşiri (zgomotul)

• Metrici esenţiale: rezistenţa de ieşire (poarta care comandă - driver) si rezistenţa de intrare (poarta comandată - receiver) – ideal, rezistenţa de ieşire trebuie sa fie zero – ideal, rezistenţa de intrare trebuie sa fie infinită – In realitate doar cea de intrare se poate apropia de ideal (pentru 52 CMOS), dar ambele sunt si mărimi neliniare!

Fan-In si Fan-Out Fan-out – N numărul de intrări comandate de ieşirea porţii care comandă (un factor extern!) Porţile cu un fan-out mare sunt mai lente (dar mai există si alte probleme de utilizare!)

Fan-in – M numărul de intrări al unei porţi (un factor intern!)

N

M

Porţile CMOS cu un fan-in mare sunt mai “mari” (ca microcircuit) si mai lente 53

Inversorul ideal (regimul static) • O poartă ideală ar trebui să aibă: – Un ecart logic egal cu tensiunea de alimentare (0..VDD) – “rail to rail” logical swing – Câştig (amplificare A) infinit in regiunea tranzitorie – O tensiune de prag la jumătatea ecartului logic – Margini de zgomot egale cu jumătate din ecartul logic – Rezistenta de intrare infinită si rezistenţa de ieşire nulă Vout

VDD

Ri = ∞ Ro = 0

A=-∞

Fan-out = ∞ MZH = MZL = VDD/2

0 VDD /2

Vin

54

Regimul static: aşa apare descris in foile de catalog, depinde si de ce firmă este autorul foii de catalog

55

Regimul dinamic (CA, AC) • Ce ne-a interesa: – Timpul de propagare (propagation delay) – Timpi de front, de tranziţie (rise, fall, transition time) – Vitezele de variaţie a tensiunii si curenţilor (slew rate) – Perioada (cycle, period), lăţimea impulsurilor (pulse width), factorul de umplere (duty factor, duty cycle), pentru o formă de undă periodică – Puterea si energia disipată de un circuit 56

Forme de undă numerice (digital waveforms): periodice, neperiodice (pulsed, impulse)

O reprezentare rectangulară este una foarte idealizată!

Reprezentarea trapezoidală a unei forme de undă numerice este mult mai aproape de realitate, dar si ea este una idealizată!

57

Frecvenţa si perioada • Frecventa f (frequency) reprezintă numărul de perioade dintr-o secundă si este exprimată in Hertz (Hz) si multiplii • Perioada T (cycle time, period) este exprimată in secunde (s, sec) si in submultiplii • f = 1/T si T = 1/f ! 58

Lăţimea impulsului (pulse width) si factorul de umplere (duty cycle) “1” “0” Pentru o formă de undă numerică idealizată: tW =tH este lăţimea impulsului (in “1”) (T – tW)=tL este lăţimea impulsului in “0” T este perioada - FU = tW / T ; FU[%] = FU*100 % este factorul de umplere exprimat adimensional sau procentual Dacă forma de undă este reprezentată trapezoidal, lăţimile 59 impulsurilor se măsoară la 50% din amplitudine!

Definirea întârzierii intrare-ieşire (pt. o formă de undă trapezoidală) Vin

Vout

Inversor sau poartă cu caracter inversor

Vin Forma de undă intrare

Întârziere? De unde, pana unde se măsoară?

t Vout Forma de undă ieşire

Fronturi semnal? De unde se măsoară?

t 60

Definirea întârzierii intrare-ieşire Vin

Vout

Repetor sau poarta cu caracter ne- inversor

Vin Forma de undă intrare

Întârziere? De unde se măsoară?

t Vout Forma de undă ieşire

Fronturi semnal? De unde se măsoară?

t 61

Definirea întârzierii intrare-ieşire Vin

Indexarea HL sau LH se face după tranziţia ieşirii, din H in L sau din L in H!

Vout

Vin

Timpul de propagare intrare

50%

tpd = (tpHL + tpLH)/2

Lăţime impuls (tW)

t

tpLH

tpHL Vout

90%

ieşire

Timpi de front

50% 10%

tf timp cădere - tf

tr timp creştere - tr

t 62

Mai aproape de realitatea fizică, de ce si forma trapezoidală este si ea idealizată; tipic există si regimuri tranzitorii asociate comutărilor din “0” in “1” si invers OvershootSupracreştere pozitivă Ringing Droop

“1”, H 90% Amplitude

tW

50%

Pulse width

Oscilaţie amortizată

10%

Ringing

“0”, L Base line

Undershoot

tr

tf

Rise time

Fall time

Supracreştere negativă

Valorile sunt de 10%, 90% sau 50% deoarece încercăm să ne “îndepărtăm” 63 pe cat posibil de eventualele regimurile tranzitorii

Regimul dinamic: aşa apare in foile de catalog

tpLH si tpHL in acest exemplu sunt egali (= tpd) Sunt specificaţi pentru o anumită: capacitate de sarcină, tensiune de alimentare, temperatură de lucru

64

Modelarea timpului de întârziere/propagare • Ca pentru un circuit RC de ordinul 1 (integrator, FTJ) • La intrare se aplică o treaptă de tensiune de amplitudine V vout (t) = (1 – e–t/τ)V unde τ = RC

R C

vout

Timpul necesar pt a ajunge la 50% este: t = ln(2) τ = 0.69 τ

vin

Vin

Vout CL

Timpul necesar pt a ajunge la 90% este: t = ln(9) τ = 2.2 τ

• Modelează idealizat timpul de propagare pentru un inversor cu sarcină capacitivă, unde R este rezistența de ieşire a inversorului/porţii si C sarcina capacitivă (dată in primul rând de capacitatea de sarcină CL) • Evoluția semnalului pe durata timpilor de front (creștere/cădere) este una exponențială!

65