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Un circuito digitale è un circuito di tipo elettronico che può essere descritto in 2 modi:
- mediante la realizzazione grafica con porte logiche
- mediante una tavola di verità che mostra i valori delle uscite in funzione di tutti i possibili casi degli ingressi
Ingressi e uscite sono variabili di tipo booleano, associati a due livelli di tensione (livelli logici) che rappresentano, in logica positiva, il valore alto (H) = 1 e il valore basso (L) = 0.
I circuiti digitali possono implementare sia una logica combinatoria che una logica sequenziale.
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Le porte logiche sono elementi basilari coi quali vengono costruiti i dispositivi digitali.
Possono avere uno o più ingressi e un'uscita; la relazione tra lo stato dell'uscita e lo stato degli ingressi implementa una funzione logica che viene espressa mediante la tavola di verità o da una relazione algebrica.
Le porte logiche sono circuiti combinatori, poiché il valore dell'uscita viene ottenuto solamente dalla combinazione dei valori degli ingressi in quel dato momento. Il valore di ingressi e uscita viene detto livello logico o stato e associato a 1 o 0 oppure livello alto (H) e livello basso (L). Questa associazione viene detta logica positiva.
Vengono alloggiate in un circuito integrato che può contenerne un certo numero. Possono effettuare operazioni logiche specifiche.
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Col termine famiglia logica si intende un insieme di circuiti integrati digitali che utilizzano la stessa tecnologia costruttiva ed in grado di implementare singolarmente o con più elementi una determinata funzione logica.
Le famiglie logiche di integrati sono identificate da una sigla e da un numero progressivo.
Ad esempio l'integrato 74LS00 contiene 4 porte NAND.
Classificazione
Le famiglie logiche sono un insieme di tecniche di progettazione di circuiti digitali che utilizzano diversi tipi di tecnologie di base per realizzare circuiti logici.
Esistono diverse famiglie logiche, tra cui le più comuni sono:
TTL (Transistor-Transistor Logic): utilizza transistor bipolari e resistenze per realizzare circuiti logici. È caratterizzata da una bassa velocità di commutazione e da un consumo energetico relativamente alto, ma è molto robusta e resistente ai disturbi elettrici.
CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): utilizza transistor MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) e porta logiche NAND e NOR per realizzare circuiti logici. È caratterizzata da una bassa potenza di consumo, da una elevata velocità di commutazione e da una scarsa sensibilità ai disturbi elettrici.
ECL (Emitter-Coupled Logic): utilizza transistor bipolari in configurazione differenziale per realizzare circuiti logici. È caratterizzata da una elevata velocità di commutazione e da una bassa sensibilità ai disturbi elettrici, ma richiede un consumo energetico relativamente elevato.
RTL (Resistor-Transistor Logic): utilizza transistor bipolari e resistenze per realizzare circuiti logici. È caratterizzata da una bassa velocità di commutazione e da un consumo energetico relativamente elevato, ma è molto semplice e facile da realizzare.
ECLT (Emitter-Coupled Logic with Tunnelling): utilizza transistor a effetto tunnel per realizzare circuiti logici. È caratterizzata da una elevata velocità di commutazione e da un basso consumo energetico, ma richiede una realizzazione molto precisa e costosa.
Le famiglie logiche vengono scelte in base alle esigenze specifiche del progetto e alle prestazioni richieste dal circuito. La scelta della famiglia logica influisce sulle caratteristiche del circuito, come la velocità di commutazione, la potenza consumata, la sensibilità ai disturbi elettrici e il costo di realizzazione.
TTL
La famiglia logica TTL (Transistor-Transistor Logic) è una delle più antiche e comuni famiglie logiche utilizzate per la progettazione di circuiti digitali. È stata introdotta negli anni '60 ed è ancora utilizzata oggi in molti circuiti integrati elettronici.
La famiglia logica TTL utilizza transistor bipolari e resistenze per realizzare circuiti logici. I circuiti TTL sono caratterizzati da una bassa velocità di commutazione e da un consumo energetico relativamente alto rispetto alle tecnologie più recenti come la CMOS, ma sono molto robusti e resistenti ai disturbi elettrici.
I circuiti TTL sono divisi in diverse sottocategorie in base alle specifiche caratteristiche del circuito. Alcuni esempi di sottocategorie della famiglia logica TTL sono:
TTL standard: la sottocategoria più comune di circuiti TTL, utilizza transistor bipolari e resistenze per realizzare circuiti logici. È caratterizzata da una bassa velocità di commutazione e da un consumo energetico relativamente alto, ma è molto robusta e resistente ai disturbi elettrici.
TTL a bassa potenza (LPTTL): utilizza transistor bipolari e resistenze di valore inferiore rispetto ai circuiti TTL standard per ridurre il consumo di energia. È caratterizzata da una velocità di commutazione leggermente superiore rispetto ai circuiti TTL standard, ma con una maggiore sensibilità ai disturbi elettrici.
TTL avanzata (ACTTL): utilizza transistor bipolari e resistenze di valore inferiore rispetto ai circuiti TTL standard per aumentare la velocità di commutazione. È caratterizzata da una velocità di commutazione più elevata rispetto ai circuiti TTL standard, ma con una maggiore sensibilità ai disturbi elettrici.
TTL ad alta velocità (HCTTL): utilizza transistor bipolari e resistenze di valore inferiore rispetto ai circuiti TTL standard per aumentare la velocità di commutazione. È caratterizzata da una velocità di commutazione molto elevata rispetto ai circuiti TTL standard, ma con una maggiore sensibilità ai disturbi elettrici.
La famiglia logica TTL è ancora utilizzata oggi in molte applicazioni, come ad esempio nei circuiti di interfaccia, nei driver di display, nei convertitori di livello logico e nei circuiti di memoria. Tuttavia, a causa del loro consumo energetico relativamente elevato e della bassa velocità di commutazione rispetto alle tecnologie più recenti come la CMOS, i circuiti TTL stanno diventando sempre più rari nelle nuove applicazioni.
CMOS
La famiglia logica CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) è una delle tecnologie di circuiti integrati digitali più comunemente utilizzate. Questa famiglia logica è caratterizzata da un basso consumo energetico e una buona velocità di commutazione, ed è utilizzata in molte applicazioni, come ad esempio nei computer, nei dispositivi mobili, nei sensori e nelle telecomunicazioni.
I circuiti CMOS sono composti da transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) di tipo N e P, che sono combinati in modo complementare per creare circuiti logici. Il consumo energetico dei circuiti CMOS è molto basso grazie alla loro configurazione a bassa potenza, in cui il consumo energetico è presente solo quando avviene la commutazione del segnale. Ciò li rende particolarmente adatti per applicazioni mobili e alimentate a batteria.
La famiglia logica CMOS è divisa in diverse sottocategorie in base alle specifiche caratteristiche del circuito. Alcuni esempi di sottocategorie della famiglia logica CMOS sono:
CMOS standard: la sottocategoria più comune di circuiti CMOS, utilizza transistor MOSFET di tipo N e P per creare circuiti logici. È caratterizzata da un consumo energetico molto basso e da una buona velocità di commutazione.
CMOS ad alta velocità (HCMOS): utilizza transistor MOSFET di tipo N e P di dimensioni ridotte per aumentare la velocità di commutazione del segnale. È caratterizzata da una velocità di commutazione molto elevata rispetto ai circuiti CMOS standard.
CMOS a bassa potenza (LPCMO): utilizza transistor MOSFET di tipo N e P di dimensioni maggiori rispetto ai circuiti CMOS standard, ma con una capacità di carico inferiore per ridurre il consumo energetico. È caratterizzata da una bassa potenza di esercizio e da una buona velocità di commutazione.
CMOS avanzata (ACCMOS): utilizza transistor MOSFET di tipo N e P di dimensioni ridotte e con bassa resistenza per aumentare la velocità di commutazione del segnale. È caratterizzata da una velocità di commutazione molto elevata rispetto ai circuiti CMOS standard.
La famiglia logica CMOS è oggi la tecnologia di circuiti integrati più utilizzata grazie al loro basso consumo energetico, alla buona velocità di commutazione e alla loro alta affidabilità.