Interfacciamento digitale

In elettronica digitale three state definisce lo stato di alta impedenza (floating) dell'uscita; è indicato anche col termine Z.

Quando la porta si trova in uno stato di alta impedenza, l'uscita è come se fosse sconnessa da tutto il circuito. Tipiche situazioni si verificano con circuiti con uscita 3-state o Open Collector (quest'ultima quando l'uscita è H).

Lo stato di 3-state normalmente richiede una opportuna attivazione (vedi figura).

Definisce i valori massimi di tensione, corrente, temperatura, dissipazione di potenza ecc. che non dovrebbero essere mai superati ; in caso contrario può presentarsi il problema del deterioramento o della distruzione del componente. Questi valori si trovano nei datasheet di ogni componente e vanno presi in attenta considerazione ogni qualvolta si voglia utilizzare usare quel determinato componente.

Il BUS è un canale di comunicazione condiviso che permette ai dispositivi di scambiare informazioni e dati. A una linea del bus sono collegati più trasmettitori e/o più ricevitori.

Il driver (pilota) invia il segnale di output al carico. Per avere un buon interfacciamento bisogna dimensionare la resistenza del driver: per quello di tensione la Rdriver deve essere molto minore della Rload, per quello di corrente la Rdriver deve essere molto maggiore della Rload e per quello di potenza la Rdriver deve essere circa uguale alla Rload. Le resistenze di uscita per il driver possono essere calcolate con il teorema di Thevenin.

In elettronica digitale una famiglia logica è un gruppo  di integrati realizzati con le stesse tecnologie e compatibili elettricamente fra loro.

Tutti i componenti appartenenti alla stessa famiglia logica possono essere collegati l'uno con l'altro direttamente, senza problemi di interfacciamento. Al contrario gli elementi appartenenti a famiglie logiche diverse non sono di per sè compatibili e potrebbero richiedere circuiti di interfacciamento.

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 Il Fan-Out è il numero massimo di porte logiche che possone essere collegate alla sua uscita; si considera il valore più basso tra i due calcolati negli stati L e H. Formula:

 Si definisce floating un segnale di ingresso a cui non è collegato nulla, ovvero senza alcun riferimento di tensione, sono soggetti a captare qualsiasi disturbo elettromagnetico o elettrostatico e quindi a commutare le loro uscite in modo casuale. E' dunque vietato lasciare un circuito floattante.

La corrente entrante in una porta logica/stage è chiamata I-sink e per convezione nei datasheet è indicata con valori positivi,al contrario di quelli di I-source.

Nel circuito la corrente scorre dall'alimentazione verso la porta logica AND, quindi è detta corrente di sink.

L'I-source è una corrente uscente che viene erogata dall'uscita di una porta logica o di uno stage e assorbita dall'ingresso. Nei datasheet viene indicata con valori negativi,al contrario di quelli di I-sink.

Nel senso generale del termine, un'interfaccia è il punto, l'area o la superficie sulla quale due entità qualitativamente differenti si incontrano; la parola è anche utilizzata in senso metaforico per rappresentare la giuntura tra oggetti (eventualmente dello stesso tipo).

Il termine interfacciameto viene spesso utilizzato nelle discipline tecniche con il significato di dispositivo fisico o virtuale che permette la comunicazione fra due o più entità di tipo diverso; ogni entità espone una sua faccia, con il suo particolare protocollo di comunicazione e il dispositivo viene interposto fra di esse. In tali discipline si utilizza spesso la forma inglese "interface" e la sua abbreviazione "i/f".

Il verbo interfacciare significa interconnettere due o più entità in un punto comune o su un confine condiviso, oppure preparare una delle entità per una tale interconnessione.

Il verbo interfacciare significa interconnettere due o più entità in un punto comune o su un confine condiviso, oppure preparare una delle entità per una tale interconnessione. Interfacciare significa creare un sistema che connette o rende compatibili due sistemi funzionanti con modalità diverse.

Il Load (carico) riceve il segnale di Input dal Driver. Per avere un buon interfacciamento bisogna dimensionare la RLoad in base al segnale: per quello di tensione la RLoad deve essere molto maggiore della RDriver, per quello di corrente la RLoad deve essere molto minore della RDriver e per quello di potenza la RLoad deve essere più o meno uguale alla RDriver. Per il dimensionamento delle resistenze di uscita è possibile utilizzare il teorema di Thevenin.Un driver può cambiare le sue prestazioni a seconda del carico.

Si definisce margine di rumore  il valore di tolleranza di una porta logica alle variazioni elettrico ed elettromagnetico. Esistono due margini di rumore, uno alto(high) e uno basso(low). Quello alto si calcola facendo: Vohmin-Vihmin; mentre quello basso si calcola facendo: Vilmax-Volmax. 

L'immagine in allegato mostra le caratteristiche statiche, quindi anche i margini di rumore, della porta logica TTL.

E' un output stage che non ha la struttura di pull-up; come conseguenza quest'ultima dovrà essere costruita esternamente. L'output stage senza carico si può portare in due stati: L oppure floating (detto anche alta impedenza e siglato Z o 3-state)

L'open collector dà la possibilità di pilotare il carico a una tensione maggiore (o comunque diversa) dei classici 5V.

Nel campo dell'elettronica digitale si può usare il seguente schema:

dove l'output stage ha il compito di pilotare lo stadio successivo.

Nell'output stage ci sono due strutture chiamate di pull-up e di pull-down.

In base agli stati dell'interruttore e gli stati logici presente in uscita,ci sono 4 stati possibili per la struttura dell'output stage.

Esiste anche un output stage detto open collector in cui è assente la struttura di pull-up.

La potenza dissipata dagli integrati viene calcolata attraverso la formula P=Vcc*Icc, dove Icc è la corrente che attraversa la porta da Vcc verso Ground. Bisogna però considerare che il consumo varia a seconda dello stato dell'uscita, e perciò sui datasheet si troverà un valore IccH e un valore IccL. La media dei due valori viene appunto detta Icc.media= (IccH*IccL)/2 e viene utilizzata nella formula generale P.media = Vcc*Icc.media.

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.

Le resistenze di pull-up e pull-down sono usate nei circuiti elettronici per forzare un determinato stato logico in un punto, per eliminare fluttuazioni di corrente o ancora per evitare cortocircuiti quando si usano i pulsanti.

Ad esempio, vediamo il caso più comune di applicazione di questa resistenza:

Nella seguente figura, in uscita avremo lo stato logico HIGH senza premere il pulsante; al contario, premendo il pulsante, avremo lo stato logico LOW.

Per poter parlare di buon interfacciamento il segnale che il driver vuole inviare al load deve arrivare così com'è.

Per un buon interfacciamento in tensione la R di uscita del driver deve essere molto minore della R di uscita del load.

Per un buon interfacciamento in corrente la R di uscita del driver deve essere molto maggiore alla R di uscita del load.

Per un buon interfacciamento in corrente la R di uscita del driver deve essere circa uguale alla R di uscita del load.

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Il segnale è un qualcosa che viene scambiato tra driver cioè il pilota che da il segnale in output, e il load cioè il carico che viene pilotato dal driver prendendo in input il segnale. Inoltre il segnale può essere caratterizzato in tensione(V), corrente(I) e molto spesso in potenza(W).

Le sottofamiglie sono miglioramenti delle porte logiche standard per ottenere migliori prestazioni in termini di velocità di commutazione delle porte e basso consumo di potenza. Dal punto di vista della velocità, le varie sottofamiglie si possono classificare nella seguente maniera, partendo dalle più veloci alle più lente.

Veloci: AS, S, ALS.

Lente: LS, STD.

Lo SWITCH (interruttore) è un dispositivo elettrico o anche un dispositivo elettronico (wired o wireless) in grado di interrompere un circuito elettrico.

Quando l'interruttore è configurato in modo da consentire il passaggio di corrente si definisce chiuso, quando invece il passaggio è interdetto si definisce aperto (è l'opposto della terminologia usata in idraulica).

La struttura totem-pole, in generale la sua uscita, permette di pilotare entrambi i livelli logici (H=1 e L=0) a differenza della struttura di open-collector, che garantisce solo il livello logico '0'. Il totem-pole quindi, permette di avere transizioni tra '0' e '1' (e viceversa) abbastanza veloci e di durata simili tra loro.