Segnali digitali: quando una tensione rappresenta 0 o 1

Che cosa dovrete saper costruire al termine del corso

Il corso presenta rapidamente la progettazione logica digitale a livello universitario introduttivo e verifica i concetti direttamente nei circuiti. Per iniziare basta l'algebra delle scuole superiori; per le esercitazioni RTL è utile una conoscenza di base della programmazione. Collegheremo prima porte → circuiti combinatori → elementi di memoria → macchine a stati. Gli approfondimenti facoltativi estendono poi il percorso ai datapath e alle interfacce.

L'obiettivo di questa lezione va oltre ricordare che «una tensione alta vale 1». Dovrete spiegare in quale intervallo e a partire da quale istante è garantito il valore logico corretto.

Un valore logico è un'interpretazione della tensione

I circuiti logici calcolano con $0$ e $1$, ma sui fili la tensione varia in modo continuo. Si specifica che un ingresso fino a $V_{IL}$ incluso vale 0 e uno da $V_{IH}$ in su vale 1. Nell'intervallo fra le soglie non è garantita nessuna delle due interpretazioni. Il campo di tensione ammesso e le soglie effettive sono definiti dal datasheet del componente.

Consideriamo un circuito didattico a 3.3 V. I valori seguenti non sono la specifica di un prodotto particolare.

1.4 V non è un «terzo valore logico»: l'ingresso non rispetta le condizioni di garanzia del modello digitale. Una transizione da 0 a 1 attraversa questo intervallo, quindi serve anche un istante di osservazione dell'uscita.

Il margine fra i limiti di uscita e di ingresso

Supponendo per il trasmettitore un'uscita low massima $V_{OL}=0.2\,\mathrm V$ e un'uscita high minima $V_{OH}=2.8\,\mathrm V$, il margine di rumore^{iMargine di rumore Margine fra tensione d’uscita garantita dal trasmettitore e soglia del ricevitore, calcolato come differenza delle specifiche statiche di tensione.} è:

Anche aggiungendo +0.4 V di rumore all'uscita low, si ottengono 0.6 V, ancora nel campo d'ingresso low. È un margine statico che presuppone il rispetto delle specifiche di tensione e carico. Da solo non permette di valutare impulsi brevi o riflessioni sulle interconnessioni.

Considerare insieme funzione e condizioni temporali

Con ingressi 11 una porta AND produce 1. Ciò non garantisce però che l'uscita valga già 1 nell'istante in cui si cambiano gli ingressi. Sommate i ritardi massimi delle porte su ciascun cammino e scegliete la somma maggiore come limite superiore. Due porte in serie da al massimo 2 ns e 3 ns richiedono, in questo modello, fino a 5 ns dopo la stabilizzazione degli ingressi.

Lasciare un ingresso scollegato non equivale ad applicare 0. Nel simulatore X rappresenta un valore sconosciuto e Z uno stato di pilotaggio ad alta impedenza; nessuno dei due corrisponde a un'unica tensione fisica. Le esercitazioni con pulsanti del corso usano un modello di valori 0/1 stabili.

Per approfondire: MIT OpenCourseWare — The Digital Abstraction

Laboratorio · Superare il limite del margine di rumore

1. Selezionate la trasmissione di 0. L'uscita è fissata al valore low peggiore, 0.20 V. Con +0.60 V di rumore, il ricevitore vede 0.80 V e garantisce ancora 0.
2. Con la freccia destra aumentate il rumore di 10 mV. A 0.81 V la classificazione diventa «non garantita». Non significa che il valore diventi subito 1.
3. Trasmettendo 1, sottraete rumore dall'uscita a 2.80 V. Fino a −0.80 V è garantita la ricezione di 1; a −0.81 V non lo è più.
4. Un disturbo maggiore può raggiungere la regione valida opposta. Il ricevitore può allora riconoscere un valore logico valido, ma il dato trasmesso può essere errato. Tensione valida e dato corretto sono condizioni diverse.

Gli ingressi esterni all'intervallo 0–VDD del laboratorio non vengono forzati entro una regione valida. L'intervallo d'ingresso ammesso, la corrente di clamp e le condizioni per gli impulsi transitori vanno verificati separatamente nel datasheet reale. Qui non si prevedono danni né la risposta dinamica di uno specifico componente.