1

Electronică digitală1

Introducere, definiţiiTehnologii

Metrici si caracteristiciRegimul static

Regimul dinamic

2

Electronic ă digital ă (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 lucruri in comun!

3

Electronic ă digital ă (ED)? Condi ţii prealabile

• Ce ar trebui să ştim deja (prerequisites):– Bazele electrotehnicii– Analiza si sinteza dispozitivelor numerice– Circuite electronice liniare

4

Defini ţii• 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

5

Defini ţii• 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 tipiceconvertoarele analog-numerice sau numeric analogice)

6

DISPOZITIV

n+S D

n+

G

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare

Grad de abstractizaremic

mare

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

7

Circuitul: in acest exemplu, un inversor CMOS

VDD

Vout

CL

Vin

Vin – tensiune intrareVout – tensiune ieşireVDD - borna alimentareGnd - borna de masaCL - capacitatea de sarcină (nu face parte din schemă, darexistă întotdeauna)

Mărimile fizice de intrare si respectiv ieşire sunt de naturaunei tensiuni electrice (V) !

Tranzistor pMOS

Tranzistor nMOS

Apar detalii alecircuitului electric, avem o schemă electrică(electronică) cu componente,alimentări, etc.

Gnd

8

CIRCUIT

VoutVin

DISPOZITIV

n+S D

n+

G

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare

Grad de abstractizaremic

mare

Circuit- nivelul schemelor electrice (electronice )

9

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

mai multe ori, nesemnificativă

OutIesire

InIntrare

O reprezentare simplificat ă, 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 alimentare!

10

POARTA

CIRCUIT

VoutVin

DISPOZITIV

n+S D

n+

G

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare

Grad de abstractizaremic

mare

• Poarta- nivelul schemelor logice larg utilizat în descrierea funcţionării interne a blocurilor specificate la nivelele superioare

11

SISTEM

POARTA

CIRCUIT

VoutVin

MODUL

+

DISPOZITIV

n+S D

n+

G

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare

Grad de abstractizaremic

mare

12

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare-2• Sistem - nivelul sistemic al blocurilor func ţionale

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-unlimbaj 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

13

• Această abordare a permis o „încapsulare” a nivelului respectiv, făcând posibilă dezvoltarea unor uneltesoftware 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

Nivele de abstractizare utilizate in proiectare-2

14

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

15

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, …

16

TEHNOLOGIE BIPOLARA74………………TTL • 74L......................Low power

74S......................Schottky74H......................High speed74LS....................Low power - Schottky74AS...................Advanced - Schottky74ALS .................Advanced - Low power - Schottky74F(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 inputs74AHC.................Advanced - High speed - CMOS74AHCT.............. Advanced - High speed - CMOS - TTL inputs74FCT (-A,T,AT) .Fast - CMOS - TTL inputs74AC....................Advanced - CMOS74ACT................. Advanced - CMOS - TTL inputs74FACT................Fast AC, ACT (Q) series74ACQ.................Advanced - CMOS - Quiet outputs74ACTQ...............Advanced - CMOS - TTL inputs - Quiet outputs74AVC...................Advanced Very Low voltage CMOS74AUC...................Advanced Ultra-low voltage CMOS74AUP...................Advanced Ultra-Low power

Familii de circuite integrate digitale : o mare diversitate, identificate de obicei printr-un prefix

Cu roşu - familii care practic nu maiexistă pe piaţa, demodate - obsolete

17

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

Cu excep ţia serieiCD4000, toate familiilein declin sunt bipolare!

18

Dispozitivul (de bază): tranzistorul MOS

Oxid de Si (SiO2) izolator poartă

n+

Sursa –contact metal (Alu) Drena –

contact metal (Alu)

substrat p

contact substrat (bulk)

SECTIUNE TRANSVERSALA a unui tranzistor NMOSBlocaj p+

Câmp Oxid siliciu(SiO2)n+

Alu sau Poly Si -Siliciu policristalin

Poarta/Grila

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

19

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 pre ţ)! Difuzează in siliciu ca apa in nisip, sunt necesare tehnologii speciale de “interfaţă” cu Si..

20

Procesul de fabricaţie…este si foarte multă chimie

21

Materia primă de bază: siliciul (Si) monocristalin

Lingoul (ingot) este de fapt unmonocristal de Si (Mono Si) uriaşsi care ar trebui să fie (si este) aproapeperfect (fără defecte de structură)!

Diametrul wafer-ului (feliile taiatedin lingou) este si o si măsură aperformantei procesuluitehnologic utilizat!

22

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

de fabricaţie

Proiectarea (design)Realizarea măştilor (masks)

Expunereawafer-ului

23

Fotolitografie

24

Fotolitografie

25

Fotolitografie

26

Plachetele / feliile: (Si) Wafer

Die (fiecare este un potenţial viitor circuit integrat)

Wafer = multe Die identiceCu cat mai multe cu atât mai

bine…

From http://www.amd.com

Pentru ca plachetele să fieperfecte, lingoul trebuie să fieun cristal perfectFiecare imperfecţiune înseamnăun viitor circuit integrat defect!Dar asta nu o să o vedem decât după ce este gata!

27

Încapsularea CI ( packaging) – este strâns legat ă de tehnologia care va fi utilizat ă pentru montarea lorVariante de încapsulare - Pin Through (PT) sau Through Hole

(TH) si Surface Mounted Technology (SMT)

Capsul ă = package

PT SMT

SMTSMT

28

Ce este in interiorul capsulei?

Aici, suprafaţa exterioară acapsulei a fost polizată intenţionat!

Există si circuite care au o “fereastră”realizată in alt scop decât cel didactic.

29

Exemple de variante de încapsulare moderne -Ball Grid Array -BGA

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

30

Tehnologii de montare a componentelor electronice:Pin Through (PT), Through Hole (TH) si Surface

Mounted Technology (SMT)

PT- montarea cu ajutorul găurilor defixare, prin gaura de fixare;Placheta trebuie găurita

SMT - Montarea la/pe suprafaţă, fără găuri de fixarepentru componente

Funcţie de cum anume este montat (fixat prin sudură/lipire/soldering) CI pe placheta de circuit imprimat (PCB)

31

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 verificat ă in practic ă 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

32

Legea lui Moore aplicată la microprocesoare

40048008

80808085 8086

286386

486Pentium® proc

P6

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1970 1980 1990 2000 2010An

Tran

zist

oare

(M

T)

Creste 2X in 1.96 ani!

33

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

34

Un microprocesor ceva mai nou: Intel Pentium IV

35

Metrici (m ăsuri) fundamentale pentru circuitele integrate digitale

• Func ţionalitate• Fiabilitate, robuste ţe

– Imunitatea la zgomotul electromagnetic• Descrisa si prin marginile de zgomot de

curent continuu (DC Noise margins)– Imunitatea la acţiunea (variaţia) unor factori de

influent ă externi : temperatură, tensiunea de alimentare, timp (îmbătrânire), dar mai exist ă si alţii !

• Performan ţe– Viteza (descrisa prin întârzierea intrare-iesire

sau timpul de propagare – propagation delay) – Puterea consumata/ disipata (energia)

36

Fiabilitate si robuste ţe: de ce ?

• In primul rând discut ăm despre efectul zgomotului electromagnetic ( electromagnetic noise ) asupra func ţionării corecte a circuitele integrate digitale

• Zgomot – varia ţii nedorite ale tensiunilor si curenţilor in nodurile unui circuit, in cazul nostru, digital (numeric)

• Pe scurt:

v(t)

i(t)

• 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)

– Cuplaje inductive (parazite)• Modificarea curentului (di/dt ) intr-un fir

poate influenţa semnalul in firul vecin

37

Fiabilitate si robuste ţe: 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

38

Fiabilitate si robuste ţe: semnale numerice afectate de zgomot

Vp - tensiunea de prag

Vp - tensiunea de prag

Eroare!

Semnal robust

Semnal afectat de zgomot

39

Metrici si no ţiuni esen ţiale• 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 curent-

tensiune, I-V)– In regim static NU exist ă 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 varia ţie (rate), care ne arată cat

de repede se modifică mărimea respectivă in timp, dx/dt

40

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

• Diferenţa intre VOH si VOL este ecartul / amplitudinea logic(ă) sau de semnal (logic swing).

• Parametrii de regim static ai unei porţi – regimul staticne arată si cat de robust este circuitul la perturbaţiile induse de zgomot precum si la variaţiile inerente ale procesului de fabricaţie

V(y)V(x)V(x) ∈∈∈∈[ 0, VIL ] ⇒⇒⇒⇒ V(y) ∈∈∈∈[VOH , VDD]

V(x) ∈∈∈∈[VIH , VDD] ⇒⇒⇒⇒ V(y) ∈∈∈∈[ 0, VOL ]

41

Regimul static : caracteristica static ă de transfer (CST,

VTC-Voltage Transfer Characteristic) a inversorului

V(x)

V(y)

f

V(y)V(x)

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

VOH = f (VIL)

VIL VIH

V(y)=V(x)

Tensiunea de prag (threshold) a inversorului /portiiVP

VOL = f (VIH)

VP

42

Compatibilitatea nivelelor logice (compatible logic levels )

Iesirea unei porti este intrarea altei porti!

Ieşire poart ă (driver ) Intrare poart ă (receiver )

43

Compatibilitatea nivelelor logice

• Pentru ca o familie de circuite integrate numerice să fie util ă trebuie in primul ca nivelele logice de ieșire Vo s ă 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(x)

V(y)

f

VOH = f (VIL)

VIL VIH

VOL = f (VIH)

VP

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

44

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

45

Asignarea nivelelor logice in domeniul tensiunii

V(x)

V(y)Panta(amplificare) = -1

panta = -1

VOH

VOL

VIL VIH

‘1’

‘0’

Zonanedefinita

VOH

VOL

VIL

VIH

� 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

O tensiune aflată aici nu înseamnă nimic din punct devedere logic (nu este un nivel logic valid!)

0V

VDD

46

Marginile de zgomot (noise margins)

Regiune nedefinita

"1"

"0"

Ieşire poart ă (driver ) Intrare poart ă (receiver )

VOH

VIL

VOL

VIHMargine de zgomot H

Margine de zgomot L

MZH = VOH - VIH

MZL = VIL - VOL

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

Gnd

VDD VDD

Gnd (Masa)

• 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

47

Nivele logice pentru familiile standardizate : o mare diversitate

Familia generica

Exemplu: marginile de zgomot la familia CMOS

VIL =1,3VVOL=0,2V

MZL = VIL – VOL = 1,3 – 0,2=1,1V

VOH = 4,7VIH = 3,7

MZH = VOH – VIH= 4,7 – 3,7=1V

48

49

Mai este necesară si o proprietate de regenerare a nivelelor logice

v0 v1 v2 v3 v4 v5 v6

-1

1

3

5

0 2 4 6 8 10

t (nsec)

V (

volts

) v0

v2

v1

� 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

v0

50

Condiţiile pentru regenerarea semnalului logic

v1 = f(v0) v2 = f(v1) v3 = f(v2)…….

v0 v1 v2 v3 v4 v5 v6

v0

v1

v2

v3 f(v)

CST pt o poartă cu regenerarev0

v1

v2

v3

f(v)

CST pt o poartă fără regenerare� Pentru a avea capacitatea de regenerare CST trebui să aibă o zonă

tranzitorie in care câştigul s ă fie mai mare ca 1 (in valoare absolută) mărginita de dou ă zone in care câ ştigul este mai mic ca 1 : poarta trebuie s ă aibă si amplificare!

� O astfel de poartă va avea două puncte (statice) stabile de func ţionare , unul in “0” si unul in “1”

v1v2 v1

v2

51

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

52

Directivitatea

• O poartă trebuie să fie unidirec ţional ă: 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 total ă este o iluzie !

Exemplu: efectele datorate cuplajelor capacitive parazite intre intrări si ieşiri (zgomotul)

• Metrici esen ţiale : rezisten ţa de ieşire (poarta care comandă - driver) si rezisten ţa 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

CMOS), dar ambele sunt si m ărimi neliniare !

53

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!)

N

M

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

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

54

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

A = - ∞

Vout

Vin

Ri = ∞

Ro = 0

Fan-out = ∞

MZH = MZL = VDD/2

0

VDD

VDD /2

55

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

56

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 disipat ă de un circuit

57

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

O reprezentare rectangular ă este una foarte idealizată!

Reprezentarea trapezoidal ă a unei forme de undă numerice estemult mai aproape de realitate, dar si ea este una idealizată!

58

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 !

59

Lăţimea impulsului (pulse width) si factorul de umplere (duty cycle)

Pentru o form ă de und ă numeric ă idealizat ă: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 umplereexprimat adimensional sau procentualDacă forma de undă este reprezentată trapezoidal, lăţimileimpulsurilor se măsoară la 50% din amplitudine!

“0”

“1”

60

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

t

Vout

Vin

Forma de undăintrare

Forma de undăieşire

t

Vin Vout

Întârziere?De unde, pana unde semăsoară?

Fronturi semnal?De unde se măsoară?

Inversor sau poartăcu caracter inversor

61

Definirea întârzierii intrare-ieşire

t

Vout

Vin

Forma de undăintrare

Forma de undăieşire

t

Vin Vout

Întârziere?De unde se măsoară?

Fronturi semnal?De unde se măsoară?

Repetor sau poartacu caracter ne- inversor

62

Definirea întârzierii intrare-ieşire

t

Vout

Vin

intrare

ieşire

tpd = (tpHL + tpLH)/2

Timpul de propagare

t

50%

tpHL

50%

tpLH

tf

90%

10%

tr

Timpi de front

Vin Vout

timp cădere - tf timp creştere - tr

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

Lăţime impuls (tW)

63

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

90%

50%

10%

Base line

Pulse width

Rise time Fall time

Amplitude tW

tr tf

Undershoot

Ringing

Overshoot

RingingDroop

“0”, L

“1”, H

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

Supracreştere pozitivă

Supracreştere negativă

Oscilaţie amortizată

64

Regimul dinamic: aşa apare in foile de catalog

tpLH si tpHL in acest exemplu sunt egali (= tpd)Sunt specificaţi pentru o anumită: capacitate desarcin ă, tensiune de alimentare , temperatur ă delucru

65

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

R

C

vin

vout

vout (t) = (1 – e–t/τ)V unde τ = RC

Timpul necesar pt a ajunge la 50% este:

t = ln(2) τ = 0.69 τ

Timpul necesar pt a ajunge la 90% este:

t = ln(9) τ = 2.2 τ

• Modelează idealizat timpul de propagare pentru un inversor cu sarcin ă capacitiv ă, 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 exponen țială!

VinVout

CL