¿Por qué el 0 digital no es 0 V en los sistemas informáticos?


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Estoy tomando un curso de diseño de sistemas informáticos y mi profesor nos dijo que en los sistemas digitales, los voltajes convencionales utilizados para denotar un 0 digital y un 1 digital han cambiado con los años.

Aparentemente, en los años 80, se usaba 5 V como "alto" y 1 V para denotar un "bajo". Hoy en día, un "alto" es 0.75 V y un "bajo" es alrededor de 0.23 V. Agregó que en un futuro cercano, podemos cambiar a un sistema donde 0.4 V denota un alto y 0.05 V, un bajo.

Argumentó que estos valores se están reduciendo para que podamos reducir nuestro consumo de energía. Si ese es el caso, ¿por qué nos tomamos la molestia de establecer el 'bajo' en cualquier voltaje positivo? ¿Por qué no lo establecemos en el verdadero voltaje de 0 V (neutral de las líneas de alimentación, supongo)?


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Creo que la explicación más simple es que hay resistencias parásitas en los cables / trazas / "interruptores" (transistores), por lo que nunca alcanzaría realmente 0 V, por lo tanto, necesita un poco de margen. A medida que la tecnología mejora, los márgenes pueden ajustarse.
Wesley Lee

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La lógica nunca ha tenido valores únicos absolutos para alto y bajo; TTL tiene un rango absoluto y CMOS puro tiene un rango definido por el riel de potencia.
Peter Smith

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El límite bajo nunca ha sido 1v, revisa la respuesta de Andy que dice que es 0.4v o 0.8v dependiendo de si estás enviando o recibiendo (habla con precisión, escucha con indulgencia)
Neil_UK

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El voltaje que está citando es el límite superior (umbral) para un cero lógico.
CramerTV

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No existe tal cosa como 0 V, solo en un mundo perfecto hablamos de ello.
Mástil el

Respuestas:


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Está confundiendo el valor "ideal" con el rango de entrada válido.

En la lógica habitual, en condiciones ideales, el cero lógico sería precisamente 0V. Sin embargo, nada es perfecto en el mundo real, y una salida electrónica tiene cierta tolerancia. El voltaje de salida real depende de la calidad de los cables, el ruido EMI, la corriente que necesita suministrar, etc. Para acomodar estas imperfecciones, las entradas lógicas tratan un rango completo de voltaje como 0 (o 1). Vea la imagen en la respuesta de Andy.

Lo que su profesor probablemente quiso decir con 0,75 V es uno de los puntos que hacen el rango lógico 0.

Tenga en cuenta que también hay un rango vacío entre 0 y 1. Si el voltaje de entrada cae aquí, el circuito de entrada no puede garantizar un funcionamiento adecuado, por lo que se dice que esta área está prohibida.


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Te estas confundiendo. Mire TTL por ejemplo: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Un nivel de entrada bajo está entre 0 voltios y algún valor pequeño por encima de 0 voltios (0.8 voltios para el caso de TTL).

¿Por qué nos tomamos la molestia de establecer el 'bajo' en cualquier voltaje positivo?

Nos tomamos la molestia de asegurarnos de que esté por debajo de cierto valor pequeño.

Imagen de aquí .


Para ampliar esto, los rangos de voltaje de entrada válidos son diferentes para la señalización TTL versus CMOS versus la señalización LVCMOS. La razón de esto es que la lógica TTL (y el NMOS compatible que la siguió) tuvo muchas más dificultades para subir al riel positivo que al suelo. La lógica CMOS moderna puede funcionar igualmente bien de cualquier manera, y también es más fácil construir una etapa de entrada CMOS simétricamente. Una salida CMOS controlará felizmente una entrada TTL, pero debe usar entradas especiales compatibles con TTL con una salida TTL.
Chromatix

TI tiene una explicación buena y detallada sobre este tema, aquí: ti.com/lit/an/scla011/scla011.pdf
Chromatix

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Es imposible producir una señalización lógica verdadera de cero voltios. Debe haber cierta tolerancia permitida, ya que el circuito no es infinitamente perfecto. Gastar dinero tratando de hacerlo infinitamente perfecto tampoco sería una buena inversión de fondos de diseño. La circuitería digital ha proliferado y avanzado tan rápido porque utiliza una gran cantidad de copias de los circuitos muy simples y tolerantes que son puertas lógicas.

Los estados binarios 1 y 0 están representados en circuitos lógicos digitales por voltajes lógicos altos y lógicos bajos respectivamente. Los voltajes que representan la lógica alta y la lógica baja caen en rangos predefinidos y acordados previamente para la familia lógica en uso.

La capacidad de trabajar con voltajes dentro de estos rangos es una de las principales ventajas de los circuitos de lógica digital: no es un fallo. Las entradas de compuerta lógica pueden distinguir fácilmente entre voltajes lógicos altos y lógicos bajos. Las salidas de compuerta lógica producirán voltajes lógicos altos y bajos válidos. Se elimina el ruido de la señal pequeña cuando las señales lógicas pasan a través de las puertas. Cada salida está restaurando la señal de entrada a un buen voltaje lógico.

Con los circuitos analógicos, es más difícil y prácticamente imposible distinguir el ruido de la señal de interés y rechazarlo por completo.


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Umbrales muy agudos (sin histéresis) también significan amplificadores de ganancia ridículamente alta. También se sabe que es ridículamente propenso a retroalimentación y oscilación, propenso a la deriva y, en general, nervioso.
rackandboneman

También tenga en cuenta que la lógica 1 y 0 se pueden representar útilmente como voltajes bajos y altos, respectivamente, donde tiene más sentido que el circuito lo haga. De hecho, las señales como los reinicios globales son tradicionalmente bajas activas, y en la era nmos (una tecnología que era notoriamente mala en la extracción) y, en menor medida, la era TTL (mismo problema) era común que los hombres IO activos fueran bajos solo porque eso era la única forma de hacer que fluyera la corriente.
Dan Mills

También es notable la lógica en modo de corriente donde los valores lógicos se definen en términos de corriente en lugar de voltaje. Esto permite una conmutación más rápida y una mejor tolerancia al ruido en la transmisión (debido a la ley actual de Kirchhoff) a costa de un mayor uso de energía (aunque Wikipedia afirma que se ha logrado el picoamp CML, por lo que tampoco sería un problema).
John Dvorak

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Además de los puntos planteados por las otras respuestas, existe el problema de las capacidades parasitarias a altas velocidades de conmutación (la capacidad generalmente ignorada de los cables y otros componentes). Los cables también suelen tener una ligera resistencia. (¡Un modelo muy simplificado!)

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Al ser una red RC, esto resulta en una curva de caída exponencial (V ~ e ^ -kt). Si el receptor establece su umbral muy bajo (cerca de 0 V), entonces tendría que esperar un tiempo significativo para que la tensión de salida caiga lo suficiente como para activar el umbral. Esta vez puede parecer insignificante, pero para un dispositivo que se supone que cambia un millón (mil millones incluso) por segundo, este es un problema. Una solución es aumentar el voltaje de "APAGADO", para evitar la larga cola de la función exponencial.


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Porque nada es perfecto y debe proporcionar esto con un margen de error. Esos números son umbrales. Si el voltaje más bajo posible en su sistema es 0V y su umbral es 0V, ¿dónde lo deja si TODOS sus componentes y cableado no son conductores perfectos (es decir, siempre tienen alguna caída de voltaje) y silenciosos en un entorno silencioso? Te deja con un sistema que nunca puede generar 0V de manera confiable, si es que puede hacerlo.


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En un sistema de 2 rieles (generalmente chips alimentados con un solo voltaje positivo más tierra), cualquier interruptor o dispositivo que esté bajando la capacitancia de salida a un nivel de señal bajo tiene resistencia finita, y por lo tanto no puede cambiar un cable de señal a cero voltios tiempo infinito. (Ignorando los superconductores). Por lo tanto, se elige una oscilación realista de menor voltaje que cumpla con los requisitos de rendimiento (velocidad de conmutación versus requisitos de potencia y generación de ruido, etc.)

Esto se suma a los márgenes necesarios para cubrir el ruido de tierra (diferentes niveles de voltaje de tierra o "cero" entre los circuitos de origen y destino), otras fuentes de ruido, tolerancias, etc.


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Al contrario de algunas respuestas aquí, estoy bastante seguro de que ha habido una baja de 0V en el pasado. Lógica de relé! ¡Aunque no creo que queramos volver a eso!


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¿Sus relés utilizaron superconductores? No lo creo.
Elliot Alderson

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+1 por críticas injustas. Un 0V puro se puede lograr fácilmente. Casi se puede lograr con un relé y simplemente con acceso a dispositivos conectados a suministros negativos y retroalimentación si se desea. Sin embargo, parece poco probable que se haya utilizado como un valor de diseño requerido para las comunicaciones digitales, pero eso no debería ser motivo para rechazar esta respuesta.
KalleMP

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@ElliotAlderson No, no puedo, específicamente escribí que era poco probable que existiera, lo que significa que no tengo forma de demostrar que sí existe. Sin embargo, ¿puede demostrar que tal valor de diseño nunca ha sido requerido? No lo creo. Ahora ve y dale al nuevo chico un voto positivo (para volver a ponerlo a cero) para que no se desmoralice por la trampa e irse y perdamos una mente más brillante (joven) por ninguna buena razón.
KalleMP

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@ElliotAlderson Creo que si pones un alcance en una bobina de relé real, verás que el voltaje pasa a cero en su camino a un valor negativo mayor cuando se abren los contactos. Pero no me queda claro si estás hablando de un circuito real o de un circuito ideal. ¿Se hacen los contactos ideales? Si no, entonces el voltaje debe ir al infinito negativo. En cualquier caso, después de que los contactos se hayan abierto y el arco se haya extinguido, la resistencia en el circuito ideal será infinita . No estoy seguro de lo que eso hace a su constante de tiempo.
Solomon Slow

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@SolomonSlow El comportamiento transitorio es real pero se modela fácilmente con un circuito ideal. La resistencia que controla el comportamiento del voltaje de la bobina después de que se abren los contactos es la resistencia de la bobina misma (lo que le brinda la ventaja de la duda de que no haya corrientes de fuga de ningún tipo). Es un circuito RL paralelo en ese punto, que requiere un tiempo infinito para que la corriente del inductor caiga exactamente a cero. Incluso en el mundo práctico, hay un momento en que el voltaje a través de la bobina no es cero, pero los contactos del relé se abren ... un '0' lógico con voltaje no cero.
Elliot Alderson
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