Livelli logici, margini di rumore, ritardi e tipi di uscita
Tensioni VOH, VOL, VIH, VIL, margini di rumore con esempio, traslatori di livello, ritardo di propagazione e fan-out, consumo, uscite push-pull, open drain e tre stati, ingressi flottanti.
Per l’algebra di Boole un segnale vale 0 o 1; per l’elettronica è una tensione, che non è mai esattamente 0 o 
ed è disturbata dal rumore, dalle cadute sulle piste e dagli accoppiamenti con le linee vicine. Perché un circuito digitale funzioni bisogna sapere quali tensioni vengono riconosciute come 0 e come 1, quanto disturbo si può tollerare e quanto tempo impiega una porta a rispondere. In questa lezione vediamo i livelli logici, i margini di rumore, i ritardi, il consumo e i diversi tipi di uscita.
I livelli logici
Ogni famiglia logica specifica quattro tensioni:
: la tensione minima che un’uscita garantisce quando è alta;
: la tensione massima che un’uscita garantisce quando è bassa;
: la tensione minima che un ingresso riconosce sicuramente come 1;
: la tensione massima che un ingresso riconosce sicuramente come 0.
Tra e c’è una zona proibita: lì l’ingresso può leggere qualsiasi cosa, e un segnale che ci resta a lungo fa anche condurre insieme i due transistor dell’ingresso CMOS, con un consumo anomalo.
I margini di rumore
![\[ NM_H = V_{OH} - V_{IH},\qquad NM_L = V_{IL} - V_{OL} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-9d69d9fec565b9485a05a1ce50393bcb_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Sono i disturbi massimi che si possono sommare al segnale senza che la porta successiva lo fraintenda.
Esempio. Per la logica LVCMOS a 3,3 V tipica, con 
V, 
V, 
V e 
V: 
V. Una pista lunga che raccoglie 0,5 V di disturbo da una linea vicina è già fuori specifica.
Collegare famiglie diverse. Un’uscita a 3,3 V che pilota un ingresso a 5 V con 
V non è sicura: 3,3 V è sotto la soglia. Al contrario un’uscita a 5 V può danneggiare un ingresso a 3,3 V non tollerante. Servono traslatori di livello: integrati dedicati, o un MOSFET con resistori di pull-up per i bus lenti come I²C.
I ritardi
Una porta non commuta istantaneamente. Il ritardo di propagazione 
è il tempo tra il passaggio dell’ingresso al 50% dell’escursione e quello dell’uscita; si distinguono 
e 
per le due transizioni. Il tempo di salita e di discesa (tra il 10% e il 90%) dice quanto sono ripidi i fronti. Come visto nella lezione sulla CMOS, il ritardo è circa 
: cresce con la capacità da pilotare, cioè con il numero di ingressi collegati all’uscita (fan-out) e con la lunghezza delle piste.
Nei circuiti integrati moderni i ritardi delle porte sono di decine di picosecondi, e spesso a dominare sono le interconnessioni: un filo lungo sul chip è una linea RC distribuita, il cui ritardo cresce con il quadrato della lunghezza. Per questo si inseriscono buffer lungo i collegamenti lunghi.
Il consumo
Il consumo di una porta CMOS è quasi tutto dinamico, 
(dimostrazione nella lezione sulla logica CMOS), più una piccola parte statica dovuta alle correnti di perdita. Ridurre la tensione è il modo più efficace di ridurre il consumo, ed è il motivo per cui le logiche sono passate da 5 V a 3,3, 1,8 V e meno. Altre tecniche: spegnere il clock dei blocchi inattivi (clock gating), togliere l’alimentazione ai blocchi spenti (power gating), abbassare tensione e frequenza quando serve meno potenza di calcolo.
I tipi di uscita
- Totem pole (push-pull): l’uscita CMOS normale, che porta attivamente la linea sia a 0 sia a 1. Due uscite push-pull collegate insieme che cercano di imporre valori diversi creano un cortocircuito.
- Open drain (o open collector): l’uscita può solo portare la linea a 0; a 1 la porta un resistore di pull-up esterno. Più uscite si possono collegare sulla stessa linea: basta che una vada a 0 perché la linea sia 0 (un AND “cablato”). È il principio del bus I²C e delle linee di interruzione condivise. Il prezzo è un fronte di salita lento, fissato da pull-up e capacità della linea.
- Tre stati (tri-state): oltre a 0 e 1, l’uscita può essere scollegata (alta impedenza). Molte uscite condividono un bus, e un segnale di abilitazione decide chi parla; gli altri devono essere in alta impedenza.
Gli ingressi da non dimenticare
Un ingresso CMOS lasciato scollegato non vale né 0 né 1: si carica casualmente e può oscillare, consumare e far commutare la logica. Ogni ingresso inutilizzato va collegato a massa o all’alimentazione, direttamente o con un resistore. I pulsanti hanno bisogno di un pull-up o pull-down, e producono rimbalzi (decine di commutazioni nei primi millisecondi), che si eliminano con un trigger di Schmitt e un filtro RC o via software.
