Porte Logiche
Le porte logiche, che in matematica ed informatica, sono conosciute come operatori logici, in elettronica sono di fatto dei componenti elettronici, in grado di combinare uno o più segnali in ingresso, fornendo un altro segnale in uscita.
Ogni porta logica ha quindi uno o più ingressi, ed una uscita, si presentano con il classico package da integrato, dove nello stesso integrato possono essere presenti più porte logiche.
Ogni porta logica necessità di alimentazione, e come in tutti gli integrati, sono presenti i 2 pin che alimentano contemporaneamente tutte le porte contenute all’interno, quindi ogni integrato presenta sempre solo 2 pin di alimentazione indipendentemente dal numero di porte contenute all’interno.
Esistono vari tipi di porte logiche, ognuna con un suo nome, e un suo funzionamento ben preciso, di conseguenza ogni tipo di porta ha un suo simbolo per essere identificata all’interno degli schemi elettrici.
Di seguito andiamo a vedere tutte le porte logiche tipo per tipo, precisando che tali porte hanno un funzionamento a stati logici, per cui gli ingressi, come anche le uscite potranno assumere solo due valori, il valore di Vcc corrispondente ad 1 logico o High, e il valore di Gnd corrispondente allo 0 logico o anche Low.
La porta Not, presenta un solo pin di ingresso A ed uno di uscita Y, il funzionamento è quello di riportare in uscita il livello logico presente in ingresso ma invertito, per tale motivo si dice anche che è una porta invertente.
In pratica se poniamo l’ingresso A, ad 1 logico, (quindi lo colleghiamo a Vcc), ci ritroveremmo in uscita uno 0 logico, (ovvero sull'uscita Y ci ritroveremo 0V).
Ovviamente se poniamo l’ingresso a 0, (quindi lo colleghiamo a Gnd), ci ritroveremo in uscita un 1 logico, (ovvero sull’uscita Y ci ritroveremo la tensione Vcc).
Per ogni porta logica esiste la sua tabella della verità, ovvero una tabella dove è riportato lo stato del pin di uscita, per ogni combinazione dei pin di ingresso.
La porta not, avendo un solo ingresso, presenta solo 2 combinazioni, ingresso basso 0, che porta l’uscita a 1, e ingresso alto 1, che porta l'uscita ad 0.
La porta logica And, presenta almeno 2 ingressi e sempre una sola uscita, il funzionamento è quello di avere l’uscita a livello alto, solo se tutti gli ingressi sono a livello alto.
Basta quindi che uno solo degli ingressi sia a livello basso, per portare l’uscita a anch’essa a livello basso.
Dalla sua tabella della verità, relativa a 2 ingressi A e B, ed una uscita Y, si vede che l’uscita è a livello alto 1, solo se l’ingresso A e l’ingresso B sono a livello logico alto 1.
La porta logica Or, presenta almeno 2 ingressi e sempre una sola uscita, il funzionamento è quello di avere l’uscita a livello alto, quando almeno uno degli ingressi è a livello alto.
L’uscita sarà quindi a livello logico basso, solo quando tutti gli ingressi sono a livello logico basso.
Dalla sua tabella della verità, relativa a 2 ingressi A e B, ed una uscita Y, si vede che l’uscita è a livello alto 1, quando l’ingresso A o l’ingresso B o anche tutti e due sono a livello logico 1.
La porta logica Nand, è in pratica una porta logica and, con funzionamento invertito.
Questo significa che il funzionamento è quello di avere l’uscita a livello alto, solo se tutti gli ingressi sono a livello basso.
Basta che uno degli ingressi sia a livello alto, per riportare l’uscita a livello basso.
Dalla sua tabella della verità, relativa a 2 ingressi A e B, ed una uscita Y, si vede che è esattamente il contrario della porta and, l’uscita è a livello basso 0, solo se l’ingresso A e l’ingresso B sono a livello alto 1.
La porta Nor, è una porta or invertita, quindi il suo funzionamento sarà simile alla porta or con funzionamento invertito, ovvero l’uscita sarà a livello logico alto, quando almeno uno degli ingressi è a livello basso.
Anche in questo caso la tabella della verità, relativa a 2 ingressi A e B, ed una uscita Y, è esattamente il contrario della or, con l'uscita a livello logico basso 0, quando o l'ingresso A o l'ingresso B o anche tutti e due sono a livello logico alto 1
La porta Exor, è una porta con almeno 2 ingressi e una sola uscita, il cui funzionamento è quello di avere in uscita il livello alto 1, quando gli ingressi sono diversi tra di loro, e quindi avere in uscita il livello logico basso, quando gli ingressi sono tutti uguali.
Dalla sua tabella della verità, relativa a 2 ingressi A e B, ed una uscita Y, si vede che l’uscita è a livello basso, solo quando gli ingressi sono uguali, ovvero quando tutti sono a livello alto, o tutti sono a livello basso, e ovviamente il livello di uscita sarà alto, quando gli ingressi sono diversi tra di loro, esempio uno a livello alto e l’altro a livello basso.
Praticamente il funzionamento della porta Exor, ma invertito, quindi uscita a livello alto, quando gli ingressi sono tutti uguali, e uscita bassa quando gli ingressi sono diversi tra di loro.
Dalla sua tabella della verità, relativa a 2 ingressi A e B, ed una uscita Y, si vede che l’uscita è a livello alto, solo quando gli ingressi sono uguali, ovvero quando tutti sono a livello alto, o tutti sono a livello basso, e ovviamente il livello di uscita sarà basso, quando gli ingressi sono diversi tra di loro, esempio uno a livello alto e l’altro a livello basso.
Dopo aver fatto una panoramica delle porte logiche, è doveroso fare una precisazione.
Le porte logiche, ma in generale anche molti altri tipi di integrati, si dividono in 2 grandi famiglie, la famiglia Ttl e la famiglia Cmos.
Il funzionamento è il medesimo, quindi una porta and in versione ttl funzionerà allo stesso modo di una porta logica and in versione cmos, la grande differenza è nell’utilizzo dei transistor interni all’integrato, che determinano i limiti di tensione e corrente a cui gli stessi integrati possono funzionare.
Gli integrati in versione ttl, funzionano con una tensione di 5V, e possono erogare in uscita pochissimi milliampere di corrente.
Gli stati logici alto e basso, hanno delle tolleranze in tensione, più precisamente una porta ttl leggerà in ingresso uno stato logico basso, quando la tensione è compresa tra 0V e 0,8V, e leggerà invece uno stato logico alto, quando la tensione è compresa tra 2V e 5V.
Una tensione compresa tra 0,8V e 2V, genera uno stato detto di indeterminazione, in pratica in quella situazione non è possibile determinare lo stato logico, e la porta potrebbe leggere casualmente lo stato alto o basso.
Gli integrati Cmos a differenza dei ttl, sono un pochino più robusti, questo permette di farli funzionare con tensioni da un minimo di 3V fino ad un massimo di 18V, e l’uscita può erogare qualche milliampere in più.
Anche per i cmos, gli stati alto e basso hanno delle tolleranze in tensione, più precisamente viene considerato livello basso, quando la tensione è compresa tra 0V e Vcc/3, mentre invece è considerato livello alto quando la tensione è compresa tra 2xVcc/3 e Vcc.
Per fare un esempio, una porta logica cmos alimentata a 12V, leggerà un livello logico basso per tensioni comprese tra 0V e Vcc/3 quindi tra 0V e 4V (12V/3=4V), mentre invece leggerà un livello logico alto, quando la tensione è compresa tra 2xVcc/3 quindi tra 8V e 12V (12Vx2 /3= 24V/3=8V ).
Una tensione compresa tra i 4V e gli 8V genera lo stato di indeterminazione, dove la porta logica potrebbe interpretare lo stato alto o basso in maniera del tutto random.
E’ bene quindi che tutti gli ingressi delle varie porte logiche siano sempre collegati ad un livello logico alto o basso che sia, non è buona cosa lasciare gli ingressi scollegati, un ingresso scollegato detto anche flottante, può essere interpretato in maniera random alto o basso, dando luogo a possibili malfunzionamenti.
Dato che in uno stesso integrato sono spesso presenti più porte logiche, e non è detto che tutte le porte logiche vengano utilizzate nel circuito, è bene collegare gli ingressi delle porte inutilizzate a massa, in modo da avere sempre un livello logico in ingresso, anche per le porte non utilizzate.
Dato che non ci è consentito lasciare gli ingressi flottanti, nel caso dovessimo ad esempio collegare un ingresso ad un pulsante, possiamo ricorrere a delle resistenze, che a seconda dei casi vengono chiamate resistenza di pullDown o pullUp.
Sopra vediamo un esempio di pulsante collegato ad un ingresso di una porta logica, la stessa cosa vale comunque per un ingresso di un qualsiasi altro integrato.
Nell’esempio a sinistra vediamo che l’ingresso è mantenuto costantemente a massa grazie alla resistenza collegata verso massa, tale ingresso andrà a livello logico alto solo quando viene premuto il pulsante.
La resistenza così collegata verso massa che mantiene il livello basso, è detta resistenza di pullDown.
Viceversa nell’esempio a destra vediamo che l’ingresso è mantenuto costantemente a livello logico alto, grazie ad una resistenza collegata verso Vcc, questa volta quindi l’ingresso andrà a livello logico basso quando è premuto il pulsante, in questo caso tale resistenza collegata verso Vcc, è detta resistenza di pullUp.
Da segnalare infine che il valore delle resistenze di pullup o pulldown non è critico, normalmente può andare bene qualsiasi valore nell’ordine dei Kohm.