Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Circuito Invertitore (1) Implementazione della funzione NOT in logica positiva V(1) = 12 Volts.

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1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Circuito Invertitore (1) Implementazione della funzione NOT in logica positiva V(1) = 12 Volts V(0) = 0.2 Volts VR = -12 Volts

2 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Circuito Invertitore (2) Se lingresso v i è nello stato 0 (V=0 Volts) il transistor è in interdizione Infatti: v i – V E = 0 la giunzione BE è polarizzata inversa Inoltre: v i –I 1 R 1 –I 2 R 2 = V R ; I 1 =I 2 +I B Se I B = 0 I 2 =I 1 = (v i -V R )/(R 1 +R 2 ) = 12/115 A 0.1 A V B = v i -I 1 R 1 = 0-12/115*15 = 180/115 -1.5 Volts V B – V CC = -1.5 – 12 Volts = -13.5 Volts BC è polarizzata inversa I C = 0 v o = V CC = V(1)

3 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Circuito Invertitore (3) Se lingresso v i è nello stato 1 (V=12 Volts) il transistor è in saturazione Per verificare lipotesi se è vera, I B > I B (min) = I C /h FE In saturazione: V CE = 0.2 Volts,V BE = 0.8 Volts ; I C = (V CC -V CE (sat))/R C = 5.36 mA I B (min) = I C /h FE = 5.36/30 mA = 0.179 mA I 1 = (v i -V BE )/R 1 = 0.747 I 2 = (V BE – V R )/R 2 = 0.128 mA I B = I 1 -I 2 = 0.619 mA > 0.179 mA = I B (min) È verificata la saturazione v o = V CE = 0.2 =V(0)

4 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta NAND DTL Porta NAND realizzata in logica positiva con tecnologia DTL (Diode- Transistor-Logic) V(1) = 12 Volts V(0) = 0.2 Volts V R = -12 Volts

5 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Problemi tecnici del NAND DTL 1) Il capacitore C 1 necessario per migliorare il tempo di risposta dellinvertitore (aiuta a svuotare la base dai portatori minoritari di carica quando si passa da uno stato logico allaltro, cioè dalla saturazione allinterdizione. 2) È più facile integrare diodi e transistor che resistenze e capacità in un circuito integrato. 3) Sono necessarie due sorgenti di potenziale (+12 V e –12 V oltre al valore di riferimento 0 V) Importante modificare lo schema elettrico.

6 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 NAND DTL modificata (1) Porta NAND realizzata in logica positiva con tecnologia DTL (Diode- Transistor-Logic) modificata (diodi al posto di resistenza e capacità sullingresso al transistor) V(1) = 5.0 Volts V(0) = 0.2 Volts V CC = 5.0 Volts

7 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 NAND DTL modificata (2) a) Eliminato il condensatore C 1 a) Ridotti il numero delle resistenze ed il loro valore massimo (max 5 k contro i 100 k di prima c) Una sola sorgente di potenziale +5 V (minore delle precenti minore potenza dissipata)

8 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia DCTL La famiglia Direct-Coupled Transistor Logic ha le seguenti caratteristiche: 1) Assenza di diodi e di capacità; 2) Resistenze ridotte al minimo; 3) Necessaria una sola sorgente di potenziale.

9 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 DCTL NOR

10 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Vantaggi Famiglia DCTL È necessaria solo una sorgente V CC a basso voltaggio (anche 1.5 Volts possono bastare) Si possono usare transistor con bassi valori di tensione di rottura (Breakdown Voltage) Bassa potenza dissipata

11 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Problemi Famiglia DCTL (1) Tutte le correnti di saturazione inverse si sommano ed attraversano R C : può verificarsi un calo di tensione ai capi di R C che impedisce ai transistor Q 1, … Q n di entrare in saturazione. La corrente di base è circa uguale a quella di collettore [se V CC >> V CE (sat) e V CC >> V BE (sat) ] tempi lunghi per la rimozione delle cariche dalla regione di svuotamento durante un cambiamento dello stato del segnale.

12 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Problemi Famiglia DCTL (2) Bassi margini di rumore (0.6 volts tra livello alto e quello basso) Le basi dei transistor di fan out sono collegate assieme e poiché cè sempre una piccola differenza tra transistor anche della stessa famiglia (es. V CE (sat) = 0.74 - 0.76 Volts) la corrente può scegliere preferenzialmente una delle vie di fan-out piuttosto che ripartirsi equamente tra tutte (accaparramento della corrente)

13 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglia TTL La famiglia TTL (Transistor-Transistor-Logic) cerca di eliminare tutte le componenti che non siano transistor nella realizzazione delle porte logiche. Inoltre vuole aumentare la velocità di funzionamento di una singola porta.

14 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta NAND TTL Diodo

15 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Limiti delle porte DTL Velocità di funzionamento, cioè velocità di transizione tra livelli logici. Il maggior problema: Se T3 è in saturazione (ingresso V i = V(1)) e V i diventa = V(0), che T3 cerca di andare in interdizione. Tuttavia occorre rimuovere la carica nella base di T3 E questo può avvenire solo attraverso R b o correnti di ricombinazione. tempi di circa 100 ns.

16 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzionamento porte TTL (1) Idea di base: collegare alla base di T3 il transistor T1 rendendo possibile uno svuotamento molto più veloce delle cariche immagazzinate nella base di T3. Il meccanismo prevede che: V i = V(1) base-emettitore di T1 polarizzata inversamente base-collettore di T1 polarizzata direttamente Transistor T3 in saturazione. V i = V(0) base-emettitore di T1 polarizzato direttamente base-collettore di T1 polarizzato direttamente Transistor T3 in interdizione

17 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Funzionamento porte TTL (2) Porta DTL: se T3 è saturo V BE = 0.75 Volts La corrente di base se il diodo D è interdetto è: I v = V BE /R b = 0,75/2 K = 0,38 mA Porta TTL: se V i = V(0) I b1 = (V CC -V BE (sat))/R = 1,1 mA Inizialmente T1 è in regione attiva V CE1 = 0,75 Volts La corrente I = h FE I b1 = 30*1,1 mA = 33 mA Rapporto tra i tempi: 33/0,38 100 volte più veloce.

18 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta TTL di base

19 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Fabbricazione transistor a emettitore multiplo