Questo articolo della Rubrica Firmware Reload parla dell'SN74LV1T00, una porta logica NAND utilissima per applicazioni dove sia necessario eseguire una traslazione di livello per i segnali.
Introduzione
L'SN74LV1T00 è un chip della Texas Instruments che integra una porta logica NAND a singola alimentazione, realizzata in tecnologia CMOS. L’alimentazione di questo chip deve essere superiore a 1,6 V e inferiore a 5,5 V, perciò in questo intervallo sono incluse le più diffuse tensioni di funzionamento per le schede elettroniche: 5 V, 3,3 V, 2,5 V e 1,8 V. La corrente di uscita che il chip è in grado di fornire va da 3 mA nel caso di alimentazione a 1,8 V fino a 8 mA nel caso l’alimentazione salga a 5 V. Il contenitore in cui è possibile reperire l'SN74LV1T00 può essere un SOT-23 oppure un SC70, in ogni caso si tratta di un package estremamente compatto. Come detto, la logica che la porta realizza è di tipo NAND, la tabella funzionale e il diagramma logico sono mostrati in Figura 1.
Figura 1: Tabella funzionale e diagramma logico dell'SN74LV1T00
La cosa più interessante di questo chip è che è in grado di realizzare una traslazione di livello, sia verso l’alto, sia verso il basso. L’uscita, infatti, è riferita alla tensione di alimentazione, perciò per quel che riguarda la conversione in basso è possibile passare da segnali a 3,3 V e convertirli a 1,8 V quando l’alimentazione è 1,8 V. In maniera analoga si può convertire il livello da 3,3 V a 2,5 V alimentando la porta logica a 2,5 V.
Inoltre, grazie alla peculiarità dei pin d’ingresso di essere “5V-tolerant”, anche una conversione da 5 V a 3,3 V risulta possibile alimentando il chip a 3,3 V. Come detto in precedenza, anche la conversione di livelli verso l’alto è possibile, si può passare da 1,2 V a 1,8 V se Vcc= 1,8 V, da 1,5 V a 2,5 V con Vcc= 2,5 V e da 1,8 V a 3,3 V con Vcc= 3,3 V. Ovviamente, in questi casi è necessario verificare accuratamente i livelli VIH e VIL del chip e assicurarsi che i segnali in ingresso abbiano la dinamica necessaria a garantire la commutazione. Risulta possibile anche una conversione da 3,3 V a 5 V semplicemente alimentando il chip a 5 V. Tutte queste conversioni sono possibili poiché la sezione di ingresso è stata progettata con una soglia estremamente bassa, tipica delle logiche a 1,8 V, ma con tensione di alimentazione a 3,3 V.
UTILIZZO TIPICO
L’utilizzo tipico dell'SN74LV1T00, così come di tutti gli altri membri della famiglia logica LV1Txx, è mostrato in Figura 2.
Figura 2: Soglie e livelli di commutazione negli usi tipici per la famiglia LV1Txx
Come si può vedere da questa immagine, oppure consultando il foglio specifiche del componente, a seconda della tensione di alimentazione, le soglie delle tensioni VIH e VIL del chip cambiano. Se alimentato a 5 V abbiamo VIH = 2 V e VIL = 0,8 V, se la Vcc è 3,3 V abbiamo VIH = 1,36 V e VIL = 0,8 V, se invece Vcc è 1,8 V allora si ha VIH = 0,99 V e VIL = 0,55 V. Il segnale di uscita invece ha la dinamica tipica delle logiche corrispondenti, così per esempio come mostrato in Figura 2, quando la Vcc è 3,3 V, la VoH = 2,4 V e VoL = 0,4 V. Per le applicazioni dove si realizza una traslazione di livello, i parametri critici da considerare sono: la massima velocità di commutazione e il consumo di potenza che si genera quando la tensione sugli ingressi è inferiore a Vcc.
CARATTERISTICA DI COMMUTAZIONE
Se andiamo sul foglio dati dell'SN74LV1T00 per valutare le caratteristiche dinamiche, troviamo i valori riportati in Figura 3.
Figura 3: Tempo di propagazione per SN74LV1T00
I tempi di propagazione dei segnali dall’ingresso del chip all’uscita sono veramente ridotti; questa caratteristica lo rende adatto anche per la traslazione di segnali particolarmente veloci. Ovviamente, al diminuire della tensione, il tempo di propagazione aumenta e così anche la frequenza del segnale di test riportato nelle specifiche diminuisce. Attraverso queste ultime scopriamo che anche l’integrità di segnale che ci garantisce il chip è buona: nella Figura 4 è possibile vedere la risposta alla sollecitazione di un'onda quadra nel caso di traslazione verso l’alto nel passaggio da 1,8 V a 3,3 V.
Figura 4: Integrità di segnale (da 1.8 V a 3.3 V con Vcc = 3.3 V)
Il segnale in ingresso è quello blu, la forma d’onda in uscita la rossa. La frequenza del segnale è di 50 MHz. In Figura 5 è mostrata la risposta alla sollecitazione di un'onda quadra nel caso in cui la porta logica non venga utilizzata come traslatore di livello.
Figura 5: Integrità di segnale (da 3.3 V a 3.3 V con Vcc = 3.3 V)
In Figura 6 è invece possibile vedere la risposta alla sollecitazione di un'onda quadra nel caso di traslazione verso il basso nel passaggio da 3,3 V a 1,8 V. In questo caso la frequenza di commutazione del segnale è di 15 MHz. Per tutti i casi l’integrità di segnale risulta eccellente.
Figura 6: Integrità di segnale (da 3.3 V a 1.8 V con Vcc = 1.8 V)
Consumo di potenza
Poiché la logica è di tipo CMOS, uno dei problemi che si ha durante la traslazione verso l’alto è legato al consumo di corrente Icc quando l’ingresso è a livello inferiore della Vcc. Se il dispositivo su cui deve essere integrato è a batteria, è necessario considerare accuratamente questo aspetto. In Figura 7 viene mostrata la commutazione quando Vcc è 3,3 V, si può vedere come in alcuni momenti la Icc raggiunga valori non trascurabili.
Figura 7: Icc con Vcc=3.3 V
BENEFICI
Adesso che abbiamo visto un pò più in dettaglio le caratteristiche dell'SN74LV1T00 e come possa essere utilizzato per realizzare una traslazione di livello, la cosa importante è capire l’effettivo beneficio che l’utilizzo di questo chip introduce. Per farlo, bisogna chiedersi come sono state realizzate sino ad oggi le architetture che prevedono la traslazione di livello. In aiuto ci viene la Figura 8. Guardiamo la parte alta di questa immagine, nel caso si dovesse realizzare una traslazione di livello di un segnale proveniente per esempio da una FPGA con uscita a 1,8 V e questo segnale dovesse essere combinato con un altro segnale in una porta logica prima dell’invio all’esterno, dovremmo usare 2 chip: uno che fa la traslazione di livello e uno per la porta logica.
Un integrato tipo l'SN74LV1T00 o qualsiasi altro dei membri della famiglia SN74LV1Txx permetterebbe di utilizzare un solo chip, con una conseguente riduzione del BOM e dello spazio necessario sulla scheda. Nella parte bassa di Figura 8 vediamo invece come nel caso di traslazione verso il basso, in alcuni casi sia necessario utilizzare della logica discreta, per esempio a BJT. Anche in questo caso, l’utilizzo di un elemento della famiglia SN74LV1Txx può essere utile ad eliminare queste parti discrete dall’hardware ed a semplificare il design. La famiglia di dispositivi SN74LV1Txx rappresenta quindi una maniera semplice per realizzare una traslazione di livello, sia verso l’alto che verso il basso e, allo stesso tempo, godere di benefici che vanno dalla semplificazione circuitale alla riduzione del BOM. A questi benefici si aggiunge la disponibilità del chip in contenitori piccolissimi, il fatto di non richiedere resistenze di pull-up esterne e la disponibilità del chip con un intervallo di temperatura esteso fino a 125°C.
Figura 8: Impiego efficace di una logica SN74LV1Txx
LA FAMIGLIA SN74LV1TXX
La porta NAND SN74LV1T00 non è la sola disponibile per la famiglia SN74LV1Txx di Texas Instruments, in tutto abbiamo nove differenti porte logiche e buffer che permettono di realizzare anche una traslazione di livello. In Tabella 1 sono riportati tutti i membri della famiglia SN74LV1T “Little Logic”.
Tabella 1
