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Correnti in una porta

Quando l’uscita di una porta si trova al livello logico alto, si ha la situazione della figura a) per cui la porta 1 si può interpretare come un generatore di tensione che ha una resistenza interna R_O1H. Questo generatore eroga una corrente che va in ingresso alla seconda porta, che si può schematizzare con una resistenza. La tensione V_OH che troviamo in uscita alla porta 1 dipende dunque dalla corrente erogata. Infatti, applicando i principi di kirchhoff, si avrà che

V_OH = V_CC – R_O1*I_OH

Ciò vuol dire che il valore minimo della V_OH può essere garantito se la corrente erogata non cresce troppo.

Discorso analogo quando la uscita della porta 1 è a livello logico basso. In tal caso è la porta 2 che manda una corrente alla porta 1 che viene schematizzata con una resistenza. In questo caso il valore massimo di tensione V_OLmax può essere garantito se la corrente non cresce troppo poiché

V_OLmax = R_O1L * I_OL

I valori limite delle correnti sono indicati nella seguente tabella

	STD	LS	S	ALS	AS	HC	4000
IIH (µA)	40	20	50	20	20	0.1	0.1
IIL (mA)	-1.6	-0.4	-2	-0.1	-0.5	-0.1µA	-0.1µA
IOH (mA)	-0.4	-0.4	-1	-0.4	-2	-4	-0.44
IOL (mA)	16	8	20	8	20	4	0.44

Per convenzione le correnti sono indicate positive se entrano nella porta e negative se escono, per cui la corrente I_OL che effettivamente entra nella porta assume valori positivi mentre la I_OH che invece esce assume il segno negativo. IL contrario per le correnti d’ingresso.

Fan out

La necessità di non superare le correnti limite comporta come conseguenza che l’interfacciamento fra porte nonè una questione banale.

se, infatti, volgiamo pilotare con una porta più porte in uscita dobbiamo stare attenti. A livello logico alto ogni porta posta in uscita assorbirà una corrente e la porta in ingresso erogherà una corrente che sarà la somma delle correnti in uscita. Allora se colleghiamo troppe porte in uscita può accadere che la corrente erogata dalla porta d’ingresso diventa superiore alla massima consentita per cui la V_OH scende al di sotto del suo valor minimo, e il circuito che in apparenza sembrava corretto non funziona più perché i livelli logici non sono più interpretati correttamente. Un discorso analogo s può fare per il livello logico basso. Stavolta la porta d’ingresso assorbe una corrente che è data dalla somma delle correnti erogate dalle porte di uscita per cui, se queste sono in numero eccessivo, la V_OL cresce al di sopra del massimo consentito. Per ottenere il numero massimo di porte collegabili in uscita a livello alto, occorre calcolare il rapporto fra la corrente massima erogabile dalla porta d’ingresso e la corrente massima assorbita da una singola porta. questo fattore prende il nome di fan out a livello alto

FO_H=I_OHmax/I_IHmax

Ad esempio per la standard

FO_H=I_OHmax/I_IHmax=0.4mA/40µA=400µA/40µA=10

Dunque, a livello alto, una porta TTL standard può pilotare fino ad un massimo di dieci porte in uscita sempre di tipo TTL standard. Un controllo analogo si deve fare a livello logico basso calcolando il rapporto FO_L=I_OLmax/I_ILmax. Non è detto che i due fan out siano identici. Ad esempio, per le porte ALS, il fan out è pari a 20 a livello alto e 80 a livello basso. In tal caso, quando si progetta il circuito occorre far riferimento al valore più basso che nel nostro esempio è 20 porte.

Un discorso a parte meritano le porte CMOS. Se usiamo i dati della tabella superiore abbiamo, ad esempio,

FO_H=I_OHmax/I_IHmax=440µA /0.1µA=4400

Sembrerebbe, dunque, che una porta CMOS può pilotare addirittura 4000 porte sempre di tipo CMOS. In realtà, occorre sapere che l’ingresso di una porta di tipo CMOS si comporta come un condensatore di alcuni picofarad. Durante le commutazioni delle uscite da un livello all’altro, questi condensatori assorbono correnti di carica e scarica che superano dunque i valori riportati nella tabella e che si riferiscono a condizioni statiche. Per tal motivo il fan out consigliato per le porte CMOS non è superiore a 50.