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

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)?

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.

Te estas confundiendo. Mire TTL por ejemplo: -

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 .

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.

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!)

^{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.

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.

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.

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!