Le porte logiche non sono commercializzate come singoli componenti, ma sotto forma di circuiti integrati. Un circuito integrato in generale è un circuito elettronico complesso (contenente a volte molte migliaia di componenti singoli, quali transistor, diodi, resistenze etc.) interamente realizzato su un'unica piastrina (chip) di materiale semiconduttore (di solito silicio).
Per garantire l'isolamento elettrico e il corretto collegamento del circuito, il chip viene incapsulato in un contenitore, di solito di materiale plastico, detto package. Dal package spuntano i terminali metallici (piedini o pin) di connessione del circuito. Il tipo di package più usato per le porte logiche e i circuiti digitali più semplici è il DIP (Dual In-Line Package), il quale presenta 14 pin suddivisi in due file di 7 sui due lati del contenitore. La figura seguente mostra un chip di silicio montato all'interno di un DIP:
In un unico circuito integrato sono contenute più porte logiche. Per esempio la figura seguente mostra la piedinatura (pin-out) di un 7404, un integrato contenente al proprio interno sei porte NOT:
Si noti che oltre ai terminali di ingresso e di uscita delle porte NOT, l'integrato presenta anche un terminale di alimentazione Vcc e un terminale di massa GND.
Famiglie logiche
Una famiglia logica (logic family) è un gruppo di integrati digitali realizzati con le stesse tecnologie e compatibili elettricamente fra loro. In pratica tutti i componenti appartenenti alla stessa famiglia logica possono essere collegati l'uno con l'altro (un po' come succede ai mattoncini dei LEGO, che possono essere incastrati l'uno con l'altro, essendo compatibili fra loro).
Una famiglia logica non è una particolare "marca" di componenti digitali (come per esempio invece sono Nationals, Motorola, Fairchild, Philips etc.), così come le denominazioni "diesel", "turbodiesel" o "a benzina" non corrispondono a marche di autoveicoli, ma a tipologie generali.
TTL e CMOS
Le due famiglie logiche più diffuse sono la TTL (Transistor Transistor Logic), a sua volta suddivisa nelle sottofamiglie Low-power TTL, High-speed TTL, Schottky TTL, Low-power Schottky e altre ancora, e la CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). I componenti TTL non sono in generale compatibili con i CMOS e viceversa, a meno di utilizzare opportuni circuiti di interfacciamento. Vi sono però alcune sottofamiglie CMOS dette TTL compatibili, cioè progettate apposta per essere elettricamente compatibili con i TTL.
Gli integrati della famiglia TTL sono contraddistinti dalla sigla 74 (o 54 per la serie militare) seguita da altre due cifre che identificano il tipo di integrato. La tabella seguente mostra le sigle corrispondenti alle principali porte logiche elementari:
Sigla | Integrato |
7400 | 4 NAND a 2 ingressi |
7402 | 4 NOR a 2 ingressi |
7404 | 6 NOT |
7408 | 4 AND a 2 ingressi |
7432 | 4 OR a 2 ingressi |
74386 | 4 XOR a 2 ingressi |
Nella sigla sono a volte presenti lettere aggiuntive che identificano la sottofamiglia logica (L =Low Power, H = High Speed, S = Schottky, LS = Low Power Schottky etc.). Per esempio 74LS08 indica un quadruplo AND appartenente famiglia TTL Low Power Schottky.
Gli integrati della famiglia CMOS sono invece contraddistinti dalla sigla 40 seguita dalle cifre che identificano il tipo di integrato. La tabella seguente mostra le sigle di alcuni integrati CMOS (si noti che i numeri non coincidono con quelli delle porte TTL corrispondenti):
Sigla | Integrato |
4001 | 4 NOR a 2 ingressi |
4011 | 4 NAND a 2 ingressi |
4049 | 6 NOT |
4081 | 4 AND a 2 ingressi |
4071 | 4 OR a 2 ingressi |
4070 | 4 XOR a 2 ingressi |
Occorre anche sapere che le sottofamiglie CMOS compatibili con i TTL usano invece le stesse sigle dei TTL e sono contraddistinte dalle sigle C, HC o HCT (es. 74HC08).
La tabella seguente confronta fra loro le caratteristiche elettriche delle principali sottofamiglie TTL e CMOS:
Famiglia | Sottofamiglia | Ritardo di propagazione (ns) | Potenza dissipata per singola porta a 1 MHz (mW) | Intervalo tipico di alimentazione V |
---|---|---|---|---|
TTL | - | 10 | 10 | 5 (4.75-5.25) |
TTL | L | 33 | 1 | 5 (4.75-5.25) |
TTL | H | 6 | 22 | 5 (4.75-5.25) |
TTL | S | 3 | 19 | 5 (4.75-5.25) |
TTL | LS | 10 | 2 | 5 (4.75-5.25) |
TTL | ALS | 4 | 1.3 | 5 (4.5-5.5) |
TTL | F | 3.5 | 5.4 | 5 (4.75-5.25) |
TTL | AS | 2 | 8 | 5 (4.5-5.5) |
CMOS | AC/ACT | 3 | 0.5 | 3.3 o 5 (2-6 o 4.5-5.5) |
CMOS | HC/HCT | 9 | 0.5 | 5 (2-6 o 4.5-5.5) |
CMOS | 4000B/74C | 30 | 1.2 | 10V (3-18) |
Le due famiglie differiscono fra loro anche per quanto riguarda i livelli di tensione considerati come basso (L) e alto (H). Nei TTL i due livelli sono 0 V e 5 V (entrambi con una fascia di tolleranza). Nei CMOS invece il livello basso è sempre 0 V, mentre il livello alto corrisponde alla tensione di alimentazione, che può assumere valori diversi.
Per quanto riguarda le prestazioni, in generale i CMOS dissipano meno potenza dei TTL, ma la potenza dissipata cresce all'aumentare della frequenza dei segnali; i CMOS sono più delicati e si danneggiano più facilmente dei TTL; i CMOS presentano una migliore immunità al rumore rispetto ai TTL.
I livelli di tensione e i relativi limiti corrispondenti ai valori L (low) e H (High) per le diverse famiglie logiche sono mostrati nella figura seguente:
Resistenze di pull-up e di pull-down
Assumendo per semplicità che il livello alto corrisponda a +5V e il livello basso a 0 V, vale la pena di discutere brevemente le modalità con le quali è possibile fornire tali due livelli a una porta logica. Si consideri come esempio la figura seguente:
Quando lo switch è chiuso, l'ingresso del NOT è cortocircuitato a massa e dunque il proprio livello è basso. Quando invece lo switch è aperto non c'è nessun riferimento di tensione sull'ingresso: esso, come si dice, è appeso (o floating). In generale lasciare appeso un ingresso di un circuito non è mai una buona idea poiché la tensione ai suoi capi può assumere qualsiasi valore.
Come possiamo fare dunque per far sì che il nostro interruttore consenta di cambiare il livello di ingresso da L a H? La soluzione mostrata nella figura seguente, per quanto semplice e attraente, è sbagliata!
Infatti quando si chiude lo switch il generatore Vcc viene cortocircuitato a massa: un ottimo sistema per danneggiare un generatore! Una soluzione che invece funziona è questa:
R1 è un resistore detto di pull-up (cioè che "tira su"), il quale, quando il tasto è aperto, tira su la tensione dell'ingresso fino a Vcc. Quando invece il tasto è chiuso, il resistore garantisce la protezione del generatore Vcc che non viene cortocircuitato a massa.
Una soluzione alternativa, ugualmente valida, è la seguente:
In questo caso il resistore viene detto di pull-down in quanto la sua funzione è quella di tirare giù la tensione verso zero (massa) quando lo switch è aperto.
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