Livelli logici TTL e CMOS – cosa si nasconde dietro un HIGH o LOW di una digitalWrite di Arduino?

ttl-cmos-atmega328-bannerSpesso, durante i miei corsi su Arduino ricorrono le domande sui livelli logici in elettronica digitale, il tutto nasce quando è indispensabile introdurre la differenza tra segnali analogici e digitali o quando si parla di livelli logici 1 o 0. Mi preme quindi fare un’estensione agli appunti che utilizzo durante le lezioni con un breve post, nulla di complicato, spiegato per chi si avvicina per la prima volta all’uso di Arduino. Vediamo di capire cosa si nasconde, dal punto di vista elettronico dietro le parole HIGH e LOW che si utilizzano sempre nei nostri sketch Arduino.

Viviamo in un mondo pieno di segnali analogici, si pensi ad esempio alla temperatura, alla pressione atmosferica al suono emessa da un flauto e mille di questi esempi si potrebbero fare. Come ben sapete in elettronica digitale vengono utilizzati due stati logici ON e OFF, ACCESO e SPENTO, o in altro modo 1 e 0. Con questi due livelli logici potete codificare e trasportare una grande quantità di informazioni e far colloquiare tra loro dispositivi elettronici.
Per fare un esempio per chi ha incominciato con il classico “Blink”, provate a pensare cosa si può fare con sequenze ACCESO e SPENTO di LED, potete comunicare ad esempio informazione con il codice morse.

Cos’è un livello logico

In estrema sintesi possiamo dire che un livello logico è una tensione specifica o uno stato in cui un segnale può esistere.
Spesso, come detto nell’introduzione di questo post, ci riferiamo a due stati logici ON e OFF dove traduciamo ON con il numero binario 1 e OFF si traduce in uno 0 binario. In Arduino noi identifichiamo lo 0 binario in LOW e 1 binario in HIGH.
I livelli di tensione elettrica che definiscono l’1 binario o lo 0 binario possono differire in funzione della tecnologia utilizzata per la costruzione dei dispositivi elettronici digitali.

Attivo alto e attivo basso

Dal punto di vista elettrico a cosa corrisponde un HIGH o un LOW?
Se avete incominciato a lavorare con circuiti integrati e microcontrollori è molto probabile che troverete pin che sono attivi bassi o attivi alti, ciò indica quando il pin è attivo. Spesso capita che un circuito integrato per poter funzionare o per abilitare alcune sue funzionalità necessita che su un pin prestabilito vi sia un livello logico basso o alto si dice quindi quindi che quel particolare pin è attivo basso o alto ovvero deve esserci un livello logico 1 (tensione di 5V o 3,3V) o un livello logico 0 (tensione di 0V o poco più).

Per fare un esempio è come se paragonassimo la vostra automobile ad un circuito integrato (vedi ad esempio il microcotrollore su Arduino) e la chiave di accensione ad un pin dell’integrato, allora diciamo che: “l’automobile si avvia se giriamo la chiave, il circuito integrato fa quello che desideriamo se su un particolare pin abbiamo un livello logico stabilito (alto o basso)”.

Ad esempio, per chi ha già fatto qualche sperimentazione con gli shift register avrà notato che questo integrato possiede un pin Enable identificato con CE. Se sul data datasheet notate che sulla lettere CE è presente una linea, vuol dire che il pin è attivo basso ovvero lo shift register può funzionare se su CE è presente una tensione di 0V, in altro modo il pin deve essere collegato a GND. Se invece sulle lettere CE non è presente una linea allora vuol dire che il pin CE è attivo alto e quindi l’integrato potrà funzionare solo se il pin è portato ad un livello logico 1 (5V o 3,3V).

I dispositivi elettronici digitali vengono suddivisi in famiglie logiche le quali differiscono le una dalle altre per la tecnologia usata per costruirli e per la tipologia di circuiti di base (componenti elettronici usati) su cui si basa il loro funzionamento.
Inoltre capita che nell’ambito di una stessa famiglia logica vi siano alcune serie di componenti che hanno caratteristiche migliori, ad esempio temperature limite di funzionamento.

Le famiglie logiche più utilizzate sono la TTL (Transistor Transistor Logic) e la CMOS (Complementary MOS).
La prima prende il nome da TTL in quanto sono costituiti da transito sia nello stadio di ingresso che di uscita. La seconda detta CMOS perché usa dei MOSFET (Transistor ad Effetto di Campo MOS, Metallo Ossido Semiconduttore).

Per chi affronta per la prima volta questo argomento consideri questi due acronimi, TTL e CMOS, come il nome per specificare la tecnologia usata per realizzare il dispositivo elettronico digitale, per fare un’analogia e come dire: “l’automobile ci serve per spostarci, ma l’automobile può essere a GASOLIO (ad es. TTL) o a BENZINA (ad es. CMOS) entrambe comunque ci consentiranno di spostarci”.
Sappiamo però che le auto a gasolio hanno certe problematiche/pregi e quelle a benzina allo stesso modo hanno problematiche/pregi è in funzione delle performance che ci interessano: consumi, potenza, velocità, ecc… si deciderà quale automobile acquistare.

Esistono alcune convenzioni che sarà utile conoscere per meglio districarsi ad esempio nella lettura dei manuali tecnici dei componenti elettronici digitali.

Per convenzione, le correnti e le tensioni di qualsiasi terminale di un dispositivo logico hanno due suffissi come pedice:

  • il primo indica se il terminale è di ingresso (I=input) o di uscita (O=output)
  • il secondo indica lo stato logico alto (H=high) o basso (L=low)

Inoltre ogni terminale di ciascuna porta logica assorbe o eroga corrente.

Logica TTL

I circuiti elettronici digitali della famiglia TTL sono alimentati (funzionano con…) con una Vcc=+5V. Come già accennato sono basati su circuiti costituiti da transistor bipolari utilizzati per ottenere variazioni (commutazioni di livelli) e mantenere stati logici (memorizzare), possiamo definirli come dei microinterruttori. Sono caratterizzati da una serie (numeri identificativi) che ha come cifra iniziali, 74, serie commerciale che funziona tra 0°C e 70 °C e la serie 54 che costituisce la serie militare che funziona tra -55°C e +125°C.

Esistono  sottofamiglie della TTL:

  • L – serie a basso consumo (L indica Low power), ormai obsoleta
  • S – serie che utilizza i transito veloci Schottly
  • LS – serie che riunisce le caratteristiche delle due precedenti
  • AS – serie S con prestazioni avanzate
  • ALS – serie LS con prestazioni avanzate

Ad ogni famiglia logica (TTL e CMOS) è associata una serie di tensioni che identificano quando si ha 0 logico e quando l’1 logico.

I livelli di tensione da applicare in ingresso sono:

  • VIL – compreso tra 0 e VILmax =+0,8V per il riconoscimento del livello logico basso (LOW), quindi una tensione tra 0V e +0,8V sarà identificata come un LOW
  • VIH – tensione compresa tra VIHmin=+2V e +5V per il riconoscimento del livello logico alto (HIGH), quindi una tensione tra +2V e +5V sarà identificata come un HIGH

I livelli di tensione che si ottengono in uscita sono:

  • VOL – compreso tra 0 e VOLmax =+0,4V purchè la corrente entrante sia IOL<16mA
  • VOH – compreso tra VOHmin=2,7V e circa 4V purché la corrente di ingresso sia IOH<400uA

Il disegno chiarisce meglio questi intervalli di tensione:

ttl-small

I valori di tensione compresi tra +0,8V e +2V individuano una zona di indeterminazione che non è da utilizzare.

Consideriamo ad esempio una porta NOT, l’intervallo dei segnali di input e output accettabili per avere un livello alto o basso sono quelli indicati in figura:

livelli-in-out-ttl

Logica CMOS

Tutti i circuiti integrati della famiglia logica CMOS utilizzano al loro interno MOSFET di tipo P o di tipo N e caratteristica principale di un CMOS è la ridottissima potenza dissipata e ampio intervallo di tensioni di alimentazione: da +3V a +15V.
Come per la famiglia TTL anche la CMOS ha delle sottofomiglie:

  • CD4000 ormai obsoleta
  • 74C compatibile, nella piedinatura (posizione funzionalità) ai corrispondenti integrati della famiglia TTL
  • 74HC e 74HCT come la serie precedenti, ma con tempi di propagazione (del segnale) ridotti e valori di tensione compresi tra +2V e +6V (HC) e +5V (HCT)
  • 74 AHC simile alla HC ma con prestazioni avanzate

Se si usano dispositivi in tecnologia CMOS bisogna tener conto di alcune regole:

  • la tensione applicata in ingresso deve essere compresa tra 0V e Vcc
  • a differenza della famiglia TTL tutti i piedini di ingresso devono essere utilizzati collegandoli a livello alto o basso
  • il terminale di uscita può essere collegato a massa o all’alimentazione senza pericolo di avarie
  • le tensioni di commutazioni di soglia (le tensioni che identificano il passaggio dallo 0 a 1 o viceversa) sono circa la metà della tensione di alimentazione applicata al dispositivo

Considerando dispositivi CMOS alimentati a tensione di +3,3V i livelli di tensione da considerare sono quelli rappresentati nel disegno che segue:

cmos-small

Si noti come, al fine di garantire la compatibilità generale, che la maggior parte dei livelli di tensione sono uguali ai dispositivi alimentati a +5V. Un dispositivo alimentato a +3,3V potrà in generale, con alcune cautele, essere interfacciato ad un dispositivo a +5V senza componenti aggiuntivi. Ad esempio, un 1 logico (HIGH) per un dispositivo a +3,3 V sarà almeno +2,4 V e tale tensione sarà ancora interpretato come un 1 logico (HIGH) in un sistema a+5V perché è sopra la VIG di 2 V.

Quando bisogna interfacciare (in senso opposto) un dispositivo a 5V con uno a 3,3V bisogna verificare che il dispositivo a 3,3V possa funzionare a 5V, cioè che la tensione massima di ingresso sia di 5V. Su alcuni dispositivi 3,3 V, tensioni superiori a 3,6 V causeranno danni permanenti al componente. Sarà sufficiente utilizzare un semplice partitore di tensione (ad esempio una resistenze da 1kOhm ed una da 2kOhm) per abbattere segnali da 5V a 3,3V.

Livelli logici in Arduino

Guardando il datasheet dell’ATMega328, (microcontrollore presente nell’Arduino UNO) i livelli di tensione sono leggermente diversi da quelli indicati per le famiglie TTL e CMOS:

atmega328-small

La differenza più evidente è che la regione di interdizione (da non usare) di tensioni è tra 1,5 V e 3,0 V. Il margine di rumore è maggiore sul Arduino ed ha una soglia più elevata per l’identificazione di una tensione che indica un segnale basso (LOW) ed una soglia minima per l’identificazione di un segnale alto (HIGH) più elevata. In altro modo i livelli di tensione massima di identificazione dello 0 logico e di tensione minima di identificazione dell’1 logico rientrano all’interno degli intervalli di diverse tipologie di famiglie logiche, sia TTL che CMOS, in questo modo la costruzione di interfacce risulta più semplice.

Paragonado i grafici dei livelli di tensione per TTL, CMOS e ATMega328 abbiamo:

ttl-cmos-atmega328

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6 risposte a Livelli logici TTL e CMOS – cosa si nasconde dietro un HIGH o LOW di una digitalWrite di Arduino?

  1. MARIO scrive:

    Ciao Michele.
    Complimenti per il tuo articolo sembra tutto scontato, ma un ripasso sulle funzioni
    logiche fa sempre comodo, ho salvato tutto in una cartella utility dove conservo
    articoli informativi.
    saluti cordiali Mario
    PS…….spero che continui

  2. Antonio scrive:

    …come sempre molto, molto utile.
    Grazie!

  3. Antonino scrive:

    Sig. Michele buongiorno
    complimenti per l’articolo, molto utile, chiaro ed esplicativo..
    ma soprattutto grazie per il suo impegno divulgativo

    Antonino

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