Invertitori logici, caratteristiche e margini di rumore

Invertitore logico

Nell’invertitore chiameremo ${𝑉}_{+}$ (o ${𝑉}_{\text{DD}}$) e ${𝑉}_{-}$ le tensioni di alimentazione e ${𝑉}_{\text{H}}$ e ${𝑉}_{\text{L}}$ i livelli alti e bassi della tensione di uscita.

Quando l’ingresso è a ${𝑉}_{+}$, l’uscita va a ${𝑉}_{\text{L}}$. Viceversa, quando l’ingresso è a ${𝑉}_{-}$, l’uscita va a ${𝑉}_{\text{H}}$.

A livello base, usiamo 2 circuiti per pilotare l’uscita verso il valore alto o basso. Il pull down porta l’uscita a ${𝑉}_{\text{L}}$ e il pull up la porta a ${𝑉}_{\text{H}}$. Idealmente, i 2 circuiti dovrebbero attivarsi in maniera mutualmente esclusiva.

Funzione caratteristica reale

Per gli invertitori reali, la caratteristica ingresso-uscita non è una funzione gradino. Bisogna definire dei range di valori per i quali la tensione di ingresso è considerata alta e bassa.

• ${𝑉}_{\text{IL}}$: è la tensione massima per la quale l’ingresso è considerato basso;
• ${𝑉}_{\text{IH}}$: è la tensione minima per la quale l’ingresso è considerato alto;
• ${𝑉}_{\text{OL}}$: è la tensione di uscita per ${𝑉}_{\text{I}}={𝑉}_{\text{IH}}$;
• ${𝑉}_{\text{OH}}$: è la tensione di uscita per ${𝑉}_{\text{I}}={𝑉}_{\text{IL}}$;

La regione compresa tra ${𝑉}_{\text{IL}}$ e ${𝑉}_{\text{IH}}$ è detta zona ad alto guadagno (rispetto al rumore). Infatti, una piccola variazione del segnale di ingresso viene amplificata e invertita in uscita.

I valori in cui vengono definiti ${𝑉}_{\text{IL}}$ e ${𝑉}_{\text{IH}}$ sono quelli in cui la tangente della funzione di trasferimento è uguale a $-1$.

Margine di rumore

Il collegamento in cascata di porte logiche deve essere semplice. Ogni porta aggiunta diminuisce la tolleranza al rumore del circuito.

Il valore di ${𝑉}_{\text{OL}}$ (valore massimo dell’uscita bassa) della prima porta deve essere minore di ${𝑉}_{\text{IL}}$ della seconda porta.

Il margine di rumore è definito come la differenza ${\text{NM}}_{\text{H}}={𝑉}_{\text{OH}}-{𝑉}_{\text{IH}}$ oppure ${\text{NM}}_{𝐿}={𝑉}_{\text{IL}}-{𝑉}_{\text{OL}}$. Maggiore è il loro valore, maggiore sarà la tolleranza del circuito al rumore.

Specifiche di progetto

Nella progettazione di circuiti con invertitori gli obiettivi sono:

• minimizzare la zona indefinita, rendendo la caratteristica il più verticale possibile;
• massimizzare i margini di rumore;
• rendere il dispositivo unidirezionale (l’uscita non può provocare cambiamenti sull’ingresso);
• mantenere i livelli di uscita compatibili con quelli di ingresso delle porte successive;
• minimizzare, se possibile, l’area occupata e i consumi di potenza, massimizzando la velocità;

Invertitore a carico resistivo

Un transistore MOS viene usato come interruttore.

• Quando ${𝑉}_{𝐼}$ è bassa, l’interruttore è aperto e non passa corrente. L’uscita viene portata a ${𝑉}_{+}$ dalla resistenza $𝑅$.
• Quando ${𝑉}_{𝐼}$ è alta, l’interruttore è chiuso e l’uscita è connessa a massa dal transistore.

Il problema di questo design è che il circuito di pull-up è sempre attivo e il transistore deve ‘combattere’ con il resistore.

Invertitore nMOS a carico saturo

L’invertitore nMOS usa un altro transistore nMOS come pull-up al posto del resistore. Chiameremo ${𝑀}_{\text{L}}$ il pull-up e ${𝑀}_{\text{S}}$ il pull-down.

${𝑀}_{\text{L}}$ è sempre in saturazione, ma la sua tensione di soglia è influenzata da ${𝑉}_{\text{SB}}$ che è uguale a ${𝑉}_{𝑂}$, quindi:

• ${𝑉}_{\text{L}}$ non andrà mai a $0$.
• ${𝑉}_{\text{H}}$ non raggiungerà mai il valore di ${𝑉}_{\text{DD}}$.

Invertitore nMOS depletion mode

Il problema con ${𝑉}_{\text{H}}$ si può risolvere usando un transistore ${𝑀}_{\text{L}}$ in depletion mode, che ha tensione di soglia negativa.

La connessione da source a gate, invece che da drain a gate, è possibile perché ${𝑀}_{\text{L}}$ è sempre acceso in questo caso, e il vantaggio è quello di poter limitare la corrente che passa quando l’uscita è bassa.