Por que o Digital 0 não é 0V em sistemas de computador?

Estou fazendo um curso de design de sistemas de computadores e meu professor nos disse que, nos sistemas digitais, as voltagens convencionais usadas para denotar 0 digital e 1 digital mudaram ao longo dos anos.

Aparentemente, nos anos 80, 5 V era usado como 'alto' e 1 V era usado para denotar 'baixo'. Atualmente, um 'alto' é de 0,75 V e um 'baixo' é de cerca de 0,23 V. Ele acrescentou que, em um futuro próximo, podemos mudar para um sistema em que 0,4 V denota um alto e 0,05 V, um baixo.

Ele argumentou que esses valores estão diminuindo para que possamos reduzir nosso consumo de energia. Se for esse o caso, por que nos damos ao trabalho de definir o 'baixo' para qualquer voltagem positiva? Por que não ajustamos a tensão de 0 V (neutra das linhas de energia, eu acho)?

Você está confundindo o valor "ideal" com a faixa de entrada válida.

Na lógica usual, em condições ideais, o zero lógico seria precisamente 0V. No entanto, nada é perfeito no mundo real e uma saída eletrônica possui uma certa tolerância. A tensão real de saída depende da qualidade dos fios, do ruído EMI, da corrente que ele precisa fornecer etc. Para acomodar essas imperfeições, as entradas lógicas tratam toda uma faixa de tensão como 0 (ou 1). Veja a figura na resposta de Andy.

O que seu professor provavelmente quis dizer com 0,75V é um dos pontos que faz o intervalo lógico 0.

Observe que também existe uma faixa vazia entre 0 e 1. Se a tensão de entrada cair aqui, o circuito de entrada não pode garantir uma operação adequada, portanto, é dito que esta área é proibida.

Você está ficando confuso. Veja o TTL, por exemplo: -

Um baixo nível de entrada está entre 0 volts e algum valor pequeno acima de 0 volts (0,8 volts no caso de TTL).

por que nos damos ao trabalho de definir o 'baixo' para qualquer voltagem positiva?

Nós nos esforçamos para garantir que esteja abaixo de um certo valor pequeno.

Imagem daqui .

É impossível produzir sinalização lógica de zero volts verdadeira. Deve haver alguma tolerância permitida, pois o circuito não é infinitamente perfeito. Gastar dinheiro tentando torná-lo infinitamente perfeito também não seria um bom investimento em fundos de design. Os circuitos digitais proliferaram e avançaram tão rápido porque utilizam um grande número de cópias dos circuitos muito simples e tolerantes que são portas lógicas.

Os estados binários 1 e 0 são representados nos circuitos lógicos digitais por tensões lógicas altas e lógicas baixas, respectivamente. As tensões que representam a lógica alta e a lógica baixa caem em faixas pré-definidas e pré-acordadas para a família lógica em uso.

A capacidade de trabalhar com tensões dentro dessas faixas é uma das principais vantagens dos circuitos lógicos digitais - não é uma falha. As entradas do portão lógico podem distinguir facilmente entre altas tensões lógicas e baixas lógicas. As saídas do portão lógico produzirão tensões lógicas altas e baixas válidas. Pequeno ruído de sinal é removido quando os sinais lógicos passam através dos portões. Cada saída está restaurando o sinal de entrada para uma boa tensão lógica.

Nos circuitos analógicos, é mais difícil e praticamente impossível distinguir o ruído do sinal de interesse e rejeitá-lo completamente.

Além dos argumentos apresentados pelas outras respostas, há a questão das capacidades parasitas em altas velocidades de comutação (a capacitância geralmente ignorada dos fios e outros componentes). Os fios também costumam ter uma leve resistência. (Um modelo muito simplificado!)

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Sendo uma rede RC, isso resulta em uma curva de queda exponencial (V ~ e ^ -kt). Se o receptor definir seu limite muito baixo (próximo de 0V), ele terá que esperar um tempo significativo para que a tensão de saída caia o suficiente para acionar o limite. Desta vez, pode parecer insignificante, mas para um dispositivo que deveria trocar um milhão (até bilhões) de vezes por segundo, isso é um problema. Uma solução é aumentar a tensão "OFF", para evitar a cauda longa da função exponencial.

Porque nada é perfeito e você precisa fornecer isso com uma margem de erro. Esses números são limites. Se a tensão mais baixa possível em seu sistema for 0V e seu limite for 0V, onde isso o deixará se TODOS os seus componentes e fiação não forem condutores perfeitos (ou seja, sempre tiverem alguma queda de tensão) e silenciosos em um ambiente silencioso? Isso deixa você com um sistema que nunca pode produzir 0V de maneira confiável, se é que consegue fazê-lo.

Em um sistema de 2 trilhos (geralmente chips alimentados com apenas uma única tensão positiva mais terra), qualquer chave ou dispositivo que esteja puxando a capacitância de saída para um nível baixo de sinal tem resistência finita e, portanto, não pode mudar um fio de sinal para zero Volts em tempo finito. (Ignorando supercondutores). Assim, é escolhido um balanço de tensão menor realista que atenda aos requisitos de desempenho (velocidade de comutação versus requisitos de energia e geração de ruído, etc.)

Além das margens necessárias para cobrir o ruído à terra (níveis diferentes de tensão à terra ou "zero" entre os circuitos de origem e destino), outras fontes de ruído, tolerâncias e etc.

Ao contrário de algumas respostas aqui, tenho certeza de que houve uma baixa pura de 0V no passado. Lógica de relé! Acho que não queremos voltar a isso!