Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Краткая история развития микроэлектроники и схемотехники. Транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) и эмитерно-связанные логические (ЭСЛ) элементы

Микроэлектроника - основное направление электроники, которое изучает проблемы конструирования, исследования, создания и применения электронных устройств с высокой степенью функциональной и конструктивной интеграции.

Микроэлектронное изделие, реализованное средствами интегральной технологии и выполняющее определённую функцию по преобразованию и обработке сигналов, называется интегральной микросхемой (ИМС) или просто интегральной схемой (ИС).

Микроэлектронное устройство - совокупность взаимосвязанных ИС, выполняющая законченную достаточно сложную функцию (либо несколько функций) по обработке и преобразованию сигналов. Микроэлектронное устройство может быть конструктивно оформлено в виде одной микросхемы либо на нескольких ИМС.

Под функциональной интеграцией понимают увеличение числа реализуемых (выполняемых) некоторым устройством функций. При этом устройство рассматривается как единое целое, неделимое. А конструктивная интеграция - это увеличение количества компонентов в устройстве, рассматриваемом как единое целое. Примером микроэлектронного устройства с высокой степенью конструктивной и функциональной интеграции, является микропроцессор (см. выше), который, как правило, выполняется в виде одной «большой» ИМС.

Схемотехника является частью микроэлектроники, предметом которой являются методы построения устройств различного назначения на микросхемах широкого применения. Предметом же цифровой схемотехники являются методы построения (проектирования) устройств только на цифровых ИМС.

Особенностью цифровой схемотехники является широкое применение для описания процессов функционирования устройств формальных либо формально-естественных языков и основанных на них формализованных методов проектирования. Формальными языками являются булева алгебра (алгебра логики, алгебра Буля) и язык «автоматных» логических функций - алгебра состояний и событий. Благодаря использованию формализованных методов, достигается многовариантность в решении прикладных задач, появляется возможность оптимального выбора схемотехнических решений по тем или иным критериям.

Формальные методы характеризуются высоким уровнем абстракции - отвлечения, пренебрежения частными свойствами описываемого объекта. Акцентируется внимание только на общих закономерностях во взаимных связях между компонентами объекта - его составными частями. К таким “закономерностям”, например, относятся правила арифметических действий в алгебре чисел (правила сложения, вычитания, умножения, деления). При этом отвлекаются от смысла чисел (количество ли это яблок, либо столов и т.д.). Эти правила строго формализованы, формализованы и правила получения сложных арифметических выражений, а также процедуры вычислений по таким выражениям. В таких случаях говорят, формальными являются и синтаксис и грамматика языка описания.

У формально-естественных языков синтаксис формализован, а грамматика (правила построения сложных выражений) подчиняется грамматике естественного языка, например русского либо английского. Примерами таких языков являются различные табличные языки описания. В частности, теоретической базой описания цифровых устройств является «Теория конечных автоматов» [1] или «Теория релейных устройств и конечных автоматов» [2].



1.1 Классификация микроэлектронных устройств

Всё многообразие микроэлектронных устройств (МЭУ) можно классифицировать по различным признакам:

- по принципу и характеру действия;

- по функциональному назначению и выполняемым функциям;

- по технологии изготовления;

- по области применения;

- по конструктивному исполнению и техническим характеристикам и так далее.

Рассмотрим теперь более детально разделение МЭУ по классификационным признакам.

По принципу (характеру) действия все МЭУ подразделяются на аналоговые и цифровые. Выше уже были даны понятия аналоговых и дискретных устройств и, в том числе цифровых. Здесь же отметим, если в дискретных устройствах все сигналы принимают только два условных значения - логического нуля (лог.0) и логической единицы (лог.1), то устройства называют логическими. Как правило, все цифровые устройства относятся к логическим устройствам.

В зависимости от выполняемых функций (функционального назначения) различают следующие микроэлектронные устройства:

I. Аналоговые

1.1. Усилительные устройства (усилители).

1.2. Функциональные преобразователи, выполняющие математические операции с аналоговыми сигналами (например, интегрирование, дифференцирование и т.д.).

1.3. Измерительные преобразователи и датчики физических величин.

1.4. Модуляторы и демодуляторы, фильтры, смесители и генераторы гармонических колебаний.

1.5. Запоминающие устройства.

1.6. Стабилизаторы напряжений и токов.

1.7. Интегральные микросхемы специального назначения (например, для обработки радио- и видеосигналов, компараторы, коммутаторы и т.д.).

II. Цифровые МЭУ

2.1. Логические элементы.

2.2. Шифраторы, дешифраторы кодов и кодопреобразователи.

2.3. Запоминающие элементы (триггеры).

2.4. Запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, ПЛМ и др.).

2.5. Арифметико-логические устройства.

2.6. Селекторы, формирователи и генераторы импульсов.

2.7. Счётные устройства (счётчики импульсов).

2.8. Цифровые компараторы, коммутаторы дискретных сигналов.

2.9. Регистры.

2.10.Микросхемы специального назначения (например, таймерные, микропроцессорные комплекты ИС и т.д.).

Приведённая классификация далеко не исчерпывающая, но позволяет сделать вывод, что номенклатура цифровых устройств значительно шире номенклатуры аналоговых МЭУ. Кроме перечисленных, существуют микросхемы преобразователей уровней сигналов, например триггеры Шмита, у которых входные сигналы являются аналоговыми, а выходные - дискретными, двоичными. Такие микросхемы занимают промежуточное положение. Аналогично, микросхемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), коммутаторы аналоговых сигналов, управляющиеся дискретными сигналами, следует отнести к «промежуточным» МЭУ.

В зависимости от количества реализуемых функций различают однофункциональные (простые) и многофункциональные (сложные) МЭУ. В многофункциональных устройствах функции могут выполняться одновременно либо последовательно во времени. В зависимости от этого, в первом случае, устройства называют устройствами «параллельного» действия, а во втором случае - устройствами последовательного действия или «последовательностными». Если настройка многофункционального устройства на выполнение той или иной функции осуществляется путём коммутации входов (физической перекоммутацией электрических цепей), то такое устройство называют устройством с «жёсткой логикой» работы. А если изменение выполняемых функций производится с помощью дополнительных внешних сигналов (на так называемых управляющих входах), то такие МЭУ следует отнести к «программно-управляемым». Например, ИМС арифметико-логических устройств (АЛУ) могут реализовать арифметические либо логические операции с двумя многоразрядными двоичными числами. А настройка на выполнение арифметических (либо логических) операций осуществляется одним дополнительным внешним сигналом, в зависимости от значения которого будут выполняться желаемые действия. Поэтому АЛУ следует отнести к программно-управляемым МЭУ.

По технологии изготовления все ИМС делятся на:

1. Полупроводниковые;

2. Плёночные;

3. Гибридные.

В полупроводниковых ИС все компоненты и соединения выполнены в объёме и на поверхности кристалла полупроводника. Эти ИС делятся на биполярные микросхемы (с фиксированной полярностью питающих напряжений) и на униполярные - с возможностью смены полярности питающего напряжения. В зависимости от схемотехнического исполнения «внутреннего содержания» биполярные микросхемы делятся на следующие виды:

- ТТЛ - транзисторно-транзисторной логики;

- ТТЛш - транзисторно-транзисторной логики с транзисторами и диодами Шотки;

- ЭСЛ - эмиттерно-связанной логики;

- И2Л - инжекционной логики и другие.

Микросхемы униполярной технологии выполняются на МДП-транзисторах («металл-диэлектрик-полупроводник»), либо на МОП-транзисторах («металл-окисел-полупроводник»), либо на КМОП-транзисторах (комплиментарные «металл - окисел - полупроводник»).

В плёночных ИС все компоненты и связи выполняются только на поверхности кристалла полупроводника. Различают тонкоплёночные (с толщиной слоя менее 1 микрона) и толстоплёночные с толщиной плёнки более микрона. Тонкоплёночные ИС изготавливаются методом термовакуумного осаждения и катодного распыления, а толстоплёночные - методом шелкографии с последующим вжиганием присадок.

Гибридные ИС состоят из «простых» и «сложных» компонентов, расположенных на одной подложке. В качестве сложных компонентов обычно используются кристаллы полупроводниковых либо плёночных ИС. К простым относятся дискретные компоненты электронной техники (транзисторы, диоды, конденсаторы, индуктивности и т.д.). Все эти компоненты конструктивно располагаются на одной подложке и на ней также выполняются электрические соединения между ними. Причём одна подложка с расположенными на ней компонентами образуют один «слой» гибридной ИС. Различают однослойные и многослойные гибридные ИС. Многослойная гибридная ИС способна выполнять достаточно сложные функции по обработке сигналов. Такая микросхема равносильна по действию «микроблоку» устройств, либо, если она предназначена для самостоятельного применения, действию «целого» блока.

Кроме того, любые микросхемы оцениваются количественным показателем их сложности. В качестве такого показателя используется «степень интеграции» - k, равная десятичному логарифму от общего количества N компонентов, размещённых на одном кристалле полупроводника, то есть

k = lq N. (1)

В соответствии с формулой (1) все микросхемы делятся на микросхемы 1-й, 2-й, третьей и так далее степеней интеграции. Степень интеграции лишь косвенно характеризует сложность микросхем, поскольку принимается во внимание только конструктивная интеграция. Фактически же сложность микросхемы зависит и от количества взаимных связей между компонентами.

В инженерной практике используется качественная характеристика сложности микросхем в понятиях «малая», «средняя», «большая» и «сверхбольшая» ИС.

По конструктивному исполнению в зависимости от функциональной сложности микроэлектронные устройства подразделяются:

- на простые микросхемы (ИМС);

- на микросборки;

- на микроблоки.

ИМС - микроэлектронное изделие, изготавливаемое в едином технологическом цикле, пригодное для самостоятельного применения или в составе более сложных изделий (в том числе, микросборок и микроблоков). Микросхемы могут быть бескорпусными и иметь индивидуальный корпус, защищающий кристалл от внешних воздействий.

Микросборка - микроэлектронное изделие, выполняющее достаточно сложную функцию (функции) и состоящее из электрорадиокомпонентов и микросхем, изготавливаемое с целью миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. По существу гибридные микросхемы являются микросборками. Самой простой микросборкой может быть, например, набор микрорезисторов, выполненных на кристалле полупроводника и оформленных в едином корпусе (как микросхема).

Микроблок также является микроэлектронным изделием, состоит из электрорадиокомпонентов и интегральных схем и выполняет сложную функцию (функции).

Как правило, микросборки и микроблоки изготавливаются в различных технологических циклах, и, может быть, на разных заводах-изготовителях.

В качестве классификационных технических характеристик обычно используются потребляемая мощность (одной микросхемой) и быстродействие.

По потребляемой мощности все ИМС можно разделить на: а) микромощные (менее 10 мВт); б) маломощные (не более 100 мВт); в) средней мощности (до 500 мВт) и г) мощные (более или = 0,5 Вт).

По быстродействию (максимальным задержкам времени распространения сигналов через ИС) микросхемы делятся условно на: а) сверхбыстродействующие с граничной частотой fгр переключений свыше 100 МГц; б) быстродействующие (fгр от 50 МГц до 100 МГц); в) нормального быстродействия (fгр от 10 МГц до 50 МГц). При этом задержки распространения составляют порядка от единиц наносекунд (10-9с.) до 0,1 микросекунды (1ms =10-6с.).

Цифровые микроэлектронные устройства, в том числе микросхемы и другие устройства дискретного действия, удобно классифицировать по характеру зависимости выходных сигналов от входных. Как это принято в теории конечных автоматов. В соответствии с этим признаком все устройства принято разделять на комбинационные и последовательностные.

В комбинационных устройствах значения выходных сигналов в какой-либо момент времени однозначно определяются значениями входных сигналов в этот же момент времени. Поэтому можно считать, что работа таких устройств не зависит от времени. Их ещё называют устройствами «без памяти», однотактными устройствами или устройствами однотактного действия. В теории конечных автоматов комбинационные устройства называют «примитивными конечными автоматами».

В последовательностных устройствах значения выходных сигналов (выходные сигналы) зависят от значений входных сигналов не только в рассматриваемый момент времени, но и от значений входных сигналов в предыдущие моменты времени. Поэтому такие устройства называют устройствами с «памятью», многотактными устройствами, а в теории конечных автоматов, просто ? конечным автоматом (не тривиальным).

При рассмотрении учебного материала, в дальнейшем, за основную примем именно эту классификацию, так как методы построения (синтеза) и процессы функционирования названных устройств существенно различаются.

Заканчивая изложение вопросов классификации, отметим, что приведённый перечень классификационных признаков и перечень наименований микроэлектронных изделий (микросхем) далеко не исчерпывающий. В дальнейшем, по мере необходимости, этот перечень мы дополним.

1.2 Логические элементы

Логические элементы относятся к простейшим комбинационным «устройствам», имеющим один выход и один-два входа. Своё название они получили по той причине, что их функционирование полностью можно описать логическими функциями и в частности булевыми функциями.

Как и в формальной логике, все высказывания могут быть истинными либо ложными, так и логические функции могут принимать только два условных значения: логической единицы (лог.1) - «истина» и логического нуля (лог.0) - «ложь».

При описании работы логических элементов выходным сигналам ставят в однозначное соответствие функции, а входным сигналам - аргументы этих функций. Таким образом, и функции, и аргументы функций, а также входные и выходные сигналы логических элементов являются двоичными. Если пренебречь реальным временем перехода логического элемента из одного состояния (состояния лог.1) в другое (состояние лог.0), то ни аргументы и ни функции не будут зависеть от фактора времени - переменной времени. Правила получения и преобразования логических выражений рассматривает алгебра логики или булева алгебра.

Основными логическими функциями в алгебре логики принято считать функции от двух аргументов. Им даны названия, введены логические символы для обозначения соответствующих логических операций при их записи в алгебраической форме, а также эти символы используются в условных графических обозначениях (УГО) логических элементов в схемной документации.

Прежде чем рассматривать непосредственно виды логических элементов, рассмотрим вначале общий вопрос о системе обозначений микросхем, содержащих логические элементы. Такие микросхемы относятся к микросхемам малой степени интеграции.

1.2.1 Система условных цифробуквенных обозначений ИМС логических элементов

В отечественной технической литературе, а также при маркировке ИМС отечественного производства, при их изготовлении на заводах-изготовителях, принята 4-х элементная форма обозначений микросхем (рис.1.1).

Первым элементом в обозначении является цифра, которой указывается группа конструктивно-технологического исполнения ИС. Эта цифра может принимать следующие значения:

1, 5, 6, 7 - соответствуют полупроводниковым ИС. Причём цифра 7 используется для обозначения только бескорпусных ИМС;

2, 4, 8 - это гибридные микросхемы;

3 - прочие микросхемы, в том числе, и плёночные.

Перед первым элементом обозначения может стоять буква или две буквы (русского алфавита), они не обязательны, но ими обозначают тип и материал корпуса микросхемы и возможности её применения. Например, буквой К обозначают микросхемы широкого применения в пластмассовом корпусе первого типа. Есть микросхемы специального применения, например, для устройств, эксплуатируемых в условиях тропического климата.

Второй элемент - 2 или 3 цифры, ими обозначают порядковый номер серии микросхем. Всё множество выпускаемых отечественной промышленностью микросхем делится на серии. Серия ИМС - это совокупность ИС единого конструктивно-технологического исполнения, выполняющих различные функции и предназначенных для совместного применения.

Третьим элементом в обозначении являются две русские буквы, первая из которых обозначает подгруппу ИС по функциональному назначению, а вторая буква соответствует виду ИС также по функциональному назначению микросхемы. Например, первая буква Л «говорит», что это ИС логических элементов (подгруппа логика), вторая буква А соответствует логическим элементам вида И-НЕ. В табл.1.2 приведены наиболее употребительные буквенные коды видов ИС по выполняемым функциям.

И, наконец, 4-м элементом в обозначениях микросхем являются одна или две цифры, обозначающие условный номер микросхемы в рассматриваемой серии. Так, приведённый на рис.1.1 пример обозначения соответствует обозначению полупроводниковой микросхемы серии К155, широкого применения, в пластмассовом корпусе 1-го типа. В её состав входят 4 двухвходовых логических элементов вида И-НЕ (2И-НЕ).

Обычно четвёртым элементом в обозначении ИМС «зашифровывается» порядковый номер модификации элементов одного вида, различающихся числом входов и способом «организации» выхода.

Кроме названных обозначений, согласно ГОСТ 2.743-91 «Условные графические обозначения в электрических схемах. Элементы цифровой техники», используются другие двухбуквенные коды для обозначения функционального назначения микросхем, например: ИД - декодеры- демультиплексоры, дешифраторы, ИР - регистры, КП - коммутаторы дискретных сигналов и так далее. В частности, буква И соответствует подгруппе микросхем, используемых для построения вычислительных цифровых устройств.

Различные серии ИС отличаются количеством микросхем и их номенклатурой (типономиналами). Типономинал ИС - конкретное условное обозначение, содержащее основные сведения о микросхеме. В процессе развития технологии количество типономиналов ИМС конкретной серии может увеличиваться.

Среди серий микросхем наиболее функционально развиты ИМС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ и ТТЛш). Эти серии характеризуются широкой номенклатурой ИС, поэтому изложение учебного материала будем в основном иллюстрировать примерами этих микросхем.

В указанном выше ГОСТе содержатся также условные графические обозначения логических элементов и приведены правила формирования УГО более сложных логических элементов и модулей. Поэтому следует, прежде всего, ознакомиться с указанным ГОСТом.

1.2.2 Применение булевой алгебры для описания логических элементов и устройств

Как уже было отмечено выше, функционирование логических элементов можно описать логическими (булевыми) функциями. В свою очередь логические функции можно определить (задать), перечислив все условия, при которых функция принимает значение лог.1, т.е. по условиям истинности, так и по условиям ложности (значения лог.0). Аналогично, рассматривая работу логического (какого-либо) элемента, можно перечислить все условия, при которых на выходе появляется сигнал лог.1, либо условия, когда на выходе элемента будет присутствовать сигнал лог.0. В этом заключается принцип дуальности (двойственности) в описании логических устройств.

В технике, при описании работы различных устройств, широко используется понятие «активного», в противоположность ему, «неактивного» значения какого-либо сигнала. При этом под активным значением (уровнем) сигнала понимается такое действие, которое вызывает на выходе устройства желаемое действие или, по-другому, устройство оказывает активные действия на внешние устройства. Наоборот, неактивные действия оказывают пассивное действие на внешние устройства. Так, в логике обычно акцентируют внимание на истинности высказываний, поэтому истинность высказываний следует считать по умолчанию их активным значением. Аналогично, при описании технических устройств можно акцентировать внимание на условиях их «срабатывания» либо на условиях «несрабатывания».

Соглашения, при которых сигнал лог.1 считается активным, называют соглашениями «положительной» логики. Наоборот, когда за активное значение принимается уровень лог.0, такие соглашения называют соглашениями «отрицательной» логики. Как правило, за сигнал лог.1 принимается более «высокий» уровень, а за сигнал лог.0 «низкий» уровень сигналов. Например, при использовании ИМС ТТЛ сигналом лог.1 считается напряжение не менее +2,4 В, а сигналом лог.0 - напряжение больше нуля, но не больше 0,4 В. Это - стандартные уровни сигналов в устройствах на ИМС ТТЛ.

Описания, составленные при соглашениях положительной логики и при соглашениях отрицательной логики, логически эквивалентны, так как описывают одно и тоже устройство. Однако сложность технической реализации логических устройств в зависимости от выбранного соглашения может оказаться существенно различной. Поэтому всегда возникает проблема выбора способа описания с целью получения наиболее простого технического решения.

Как уже было сказано, основными функциями алгебры логики являются функции двух переменных. Можно составить эти функции чисто формально, придавая аргументам всевозможные значения (комбинации их значений), и затем придать функциям так же всевозможные значения. Поскольку и аргументы и функции могут принимать только два значения, то нетрудно определить число комбинаций, составленных из аргументов, и число всех возможных функций. Пусть число аргументов будет n, а количество их комбинаций N, тогда

N = 2n. (1.1)

Число же всевозможных логических функций тогда можно рассчитать по формуле

M = 2N = . (1.2)

Как видно из формулы (1.2), число булевых (логических) функций быстро растёт с увеличением числа аргументов n. Так, при n =2 получим N=22=4, а М=24=16, т.е. шестнадцать логических функций от двух аргументов.

Из анализа этой таблицы следует, что среди множества приведённых функций есть функции-константы «нулевая» и «единичная», функции «повторения» и «инверсии» (функции НЕ) входных переменных a и b, фактически являющиеся функциями одного аргумента, и есть функции, которые существенно зависят от двух аргументов.

В приведённых алгебраических выражениях знаком + (плюс) обозначена операция логического сложения (дизъюнкции), чертой над переменной или над логическим выражением обозначена операция инверсии, а символы логического умножения (произведения) пропущены.

Функции-константы фактически выражают независимость от аргументов и, в то же самое время, их можно считать «функциями» от большого числа аргументов. Обратите внимание, нулевая функция не имеет ДСНФ, поскольку она никогда не принимает значение лог.1, а единичная функция не имеет КСНФ, так как она никогда не принимает значение лог.0. Отсюда следует вывод, что ДСНФ соответствует описанию (заданию) логических функций по условиям истинности (по лог.1), а КСНФ - по условиям ложности (по лог.0). Любая логическая функция, кроме функций-констант, имеет как ДСНФ, так и КСНФ. Это соответствует тому, что любое логическое устройство (сколь сложно оно ни было бы) можно описать по условиям срабатывания и по условиям несрабатывания.

Значения функций «повторения» и «инверсии» (V3, V6, V9, V12) либо повторяют значения одного из аргументов, либо принимают противоположные (инверсные) ему значения. Поэтому они и получили такие названия.

Функции инверсии чаще всего называют функциями НЕ. Эти функции реализуются логическими элементами НЕ (или инверторами). Функции повторения реализуются повторителями. Принято говорить, что функции инверсии и повторения «несущественно» зависят от второго аргумента, хотя их можно представить как функции двух, трёх и большего числа аргументов.

В технике функции «Неравнозначности» и «Равнозначности» более известны под названиями «сумма по модулю два (по mod 2)» и «инверсия суммы по mod 2» соответственно. Функции Шеффера и Пирса, соответственно, известны под названиями «инверсия логического произведения» (функции И-НЕ) и «инверсии логической суммы» (ИЛИ-НЕ). Эти функции реализуются одноимёнными по названию логическими элементами.

В булевой алгебре и в дальнейшем в логических выражениях принято обозначать функции прописными буквами латинского алфавита, а аргументы функций - строчными (малыми) буквами того же алфавита.



1.2.3 Способы и формы задания логических функций

При описании логических устройств оказывается, что способ задания (определения) логических функций и форма их представления существенно влияют на трудность достижения конечного результата. В зависимости от поставленной цели способы задания и формы представления функций могут быть различными. Например, при построении логических устройств на программируемых постоянных запоминающих устройствах (ППЗУ) алгебраические формы логических функций нежелательны и не целесообразны. Однако при построении устройств на микросхемах малой степени интеграции, на ИМС логических элементов, требуются минимальные алгебраические формы логических функций, так как в противном случае не обеспечить минимальные аппаратурные затраты. Таким образом, выбор способа задания зависит от поставленной цели описания устройств.



2. Интегрально-инжекционные логические элементы. МДП и комплементарные КМДП логические интегральные элементы

Современные логические элементы (ЛЭ) реализуются исключительно в виде интегральных микросхем. Наибольшее распространение получили микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и схемы на МОП (металл-окисел- полупроводник) - структурах.

ЛЭ характеризуются быстродействием, нагрузочной способностью (коэффициентом разветвления по выходу), коэффициентом объединения по входу (числом входов ЛЭ), помехоустойчивостью, потребляемой мощностью, напряжением питания и уровнем сигналов.

Рис. 6.1 Задержка переключения

Быстродействие - один из важнейших параметров, характеризуюемый средним временем задержки распространения сигнала

Для современных ЛЭ задержка распространения составляет обычно единицы наносекунд.

Нагрузочная способность показывает, на сколько логических входов может быть одновременно нагружен выход данного ЛЭ без нарушения его работоспособности. Для большинства ЛЭ нагрузочная способность обычно не превышает 10 входов. Для специальных буферных ЛЭ она может достигать 30-40.

Коэффициент объединения по входу определяет максимальное возможное число входов ЛЭ. Увеличение числа входов расширяет логические возможности схемы, однако при этом ухудшаются быстродействие и помехоустойчивость. У известных ЛЭ максимальное число входов - 8.

Помехоустойчивость характеризует способность ЛЭ правильно функционировать при наличии помех и определяется максимально допустимым напряжением помехи.

Потребляемая мощность P_ср=0,5(P₀ + P₁), где P₀ и P₁ - соответственно потребляемые мощности при состоянии выхода «0» и «1». При этом считается, что в сложном устройстве половина ЛЭ находится в состоянии «0», а половина - в «1». Однако P_ср зависит от частоты переключений. Поэтому необходимо учитывать P_ср при максимально допустимой частоте следования переключения импульсов.

ЛЭ характеризуются еще значением напряжения питания и уровнем логических сигналов, соответствующих «0» и «1».

2.1 Серии ЛЭ

Серией микросхем называют группу микросхем, выполненных по одинаковой или близкой технологии, имеющих сходные технические характеристики и предназначенные для совместной работы в составе цифровой аппаратуры.

Условное обозначение логической микросхемы состоит из следующих элементов: 1) буквы, в большой степени характеризующие стойкость микросхемы к воздействию окружающей среды и связанный с этим тип корпуса (отсутствие буквы рассматривается как своего рода «нулевая буква»); 2) трёх или четырёх цифр, обозначающих номер серии; 3) двух букв, характеризующих выполняемую функцию; 4) одной или двух цифр, обозначающих тип микросхемы внутри функциональной группы; 5) буквы, характеризующие возможные вариации значений некоторых параметров. Чаще всего этой буквы не бывает.

Пример: К555ЛА2 - микросхема серии К555, выполняющая функцию И-НЕ, второго типа (в серии К555 этот тип имеет 8 входов).

Микросхемы заключены в стандартные корпуса, в основном с двумя типами выводов:

перпендикулярными плоскости корпуса, с шагом 2,5 мм, которые вставляются в отверстия монтажной платы и распаиваются на стороне платы, противоположной корпусу. Такие корпуса называют корпусами типа DIP (Dual In line Package - корпус с двумя рядами выводов). В корпуса DIP чаще всего заключаются микросхемы широкого применения, имеющие перед номером серии буквы К, КМ или КР ;

плоскими (планарными), которые накладываются на плату и распаиваются на той же её стороне, где находится и сам корпус; шаг выводов 1,25 мм. В таких корпусах обычно выпускаются серии специального применения без буквы перед номером.

Габариты микросхемы определяет не кристалл кремния, а выводы из корпуса. Поэтому если элементы простые, то в корпусе размещают несколько одинаковых элементов.

Простые ЛЭ обычно размещают в корпусах DIP14 с 14 выводами, из которых один вывод - это питание и один вывод - общий провод всех логических входов, выходов и питания, кратко называемый общий или, менее строго - земля. Оставшиеся 12 выводов - логические.

Примеры состава корпусов : 6 х НЕ - шесть инверторов (Заняты все 12 выводов); 4 х 2И- четыре двухвходовых элемента И (заняты все выводы); 2 х 4И-НЕ - два четырёхвходовых элемента И-НЕ (не использованы два вывода). Более сложные логические узлы размещают в корпусах с 16, 24 и большим числом выводов.

В настоящее время наиболее распространены две технологии изготовления ЛЭ: ТТЛ и КМОП.

Для технологии ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики) самыми удобными для изготовления являются элементы И-НЕ.

Элементы ТТЛ, а тем более их модификация с диодами Шоттки - ТТЛШ, имеют хорошее быстродействие, удовлетворительные электрические и эксплуатационные характеристики. Большинство микропроцессорных больших интегральных схем (БИС) и БИС памяти согласованы по питанию и уровням сигналов с элементами ТТЛ. Серии ТТЛ и ТТЛШ - наиболее распространённые и популярные у разработчиков цифровых устройств.

Комплементарные (взаимно дополняющие) МОП (метал-окисел-полупроводник) - структуры, построенные на основе МОП-транзисторов с различным типом проводимости. Элементы КМОП исключительно экономны по потребляемой мощности, что является их основным достоинством. Они способны работать в широком диапазоне напряжений питания (3-15 В), имеют высокую помехоустойчивость.

Недостатком их является пока ещё меньшее, чем у ТТЛ быстродействие. КМОП микросхемы нуждаются в более бережном обращении, чем другие микросхемы, т.к. из-за очень высокого входного сопротивления для них опасно статическое электричество.

В табл.6.1 приведены наборы микросхем отдельных ЛЭ, выпускаемых в рамках некоторых широко распространённых серий ТТЛ, ТТЛШ. КМОП. Из таблицы видно, что наиболее полно во всех сериях представлены элементы И-НЕ.

Основные параметры и выполняемые функция	Технология. Серия
	ТТЛ	ТТЛШ	КМОП
	133	533	564
	К155	К555	К561
Типовая средняя задержка, нС	18	20	80
Типовая средняя потребляемая мощность одним ЛЭ в статике	20 мВт	4 мВт	0,7 мкВт
6НЕ	ЛН1	ЛН1	ЛН1
42И-НЕ	ЛА3	ЛА3	ЛА7
33И-НЕ	ЛА4	ЛА4	ЛА9
24И-НЕ	ЛА1	ЛА1	ЛА8
8И-НЕ	ЛА2	ЛА2	-
42И	ЛИ1	ЛИ1	-
33И	-	ЛИ3	-
24И	-	ЛИ6	-
42ИЛИ	ЛЛ1	ЛЛ1	-
42М2	ЛП5	ЛП5	ЛП2
42ИЛИ-НЕ	ЛЕ1	ЛЕ1	ЛЕ5
33ИЛИ-НЕ	-	-	ЛЕ10
24ИЛИ-НЕ	ЛЕ2	-	ЛЕ6
22-2И-2ИЛИ-НЕ	ЛР1	-	-
4-4И-2ИЛИ-НЕ	ЛР4	-	-
2-2-2-3И-4ИЛИ-НЕ	ЛР3	-	-

2.2 Правила схемного включения ЛЭ

Ограничение по нагрузочной способности ЛЭ задаётся максимальным числом входов ЛЭ той же серии, которые можно подключить к выходу данного элемента. Различные элементы различных серий имеют коэффициент разветвления по выходу Краз=5-20, типовое значение -10. Специальные буферные ЛЭ имеют Краз30.

Неиспользованные входы И в большинстве серий не должны оставаться ни к чему не подключёнными. В ТТЛ- и ТТЛШ-сериях сигнал от свободного входа воспринимается элементом как логическая «1», но при этом снижаются помехоустойчивость и быстродействие ЛЭ. В сериях ТТЛ И ТТЛШ неиспользованные И-входы либо объединяют с другими, если при этом не превышается допустимая нагрузка источника сигнала, либо подключают к источнику логической «1». В качестве последнего используют или элемент И-НЕ, входы которого заземлены, или резистор с сопротивлением 1 кОм, подключённый к источнику питания +5В. К такому источнику разрешается подключать до 20 неиспользованных входов И.

В КМОП-элементах ни в коем случае не должно быть свободных входов. Их можно подключать к источнику питания без резистора или объединять с рабочими.

Неиспользованные входы ИЛИ в любых сериях должны быть соединены с логическим «0», т.е. с общим проводом.

Если некоторые ЛЭ, входящие в состав корпуса, не используются, то на входы неиспользуемых ЛЭ ТТЛ-серий нужно подать такие сигналы, чтобы на их выходах была «1»: в таком состоянии ЛЭ потребляют меньший ток и его можно использовать как источник логической «1».

Неиспользуемые КМОП-элементы можно фиксировать в любом состоянии, только не оставлять в безразличном.

2.3 ЛЭ с тремя состояниями выхода

В общем случае выходы обычных ЛЭ соединять между собой нельзя. Допускается соединение выходов, если между собой соединяются и входы, т.е. значения сигналов на входах и выходах ЛЭ всегда совпадают. Это делают для увеличения нагрузочной способности элементов.

Современные цифровые системы строятся по, так называемому, магистральному принципу, когда для взаимного обмена данными различные устройства подключены к единой для всей системы магистральной шине данных.

Для предотвращения конфликта сигналов устройства, подключение своими выходами к магистрали, должны иметь возможность отключения от нее. Такую возможность предоставляют специальные ЛЭ с тремя состояниями выхода: два состояния - "0" и "1" как у обычных ЛЭ, а третье состояние - "отключено", когда элемент приобретает высокий выходной импеданс.

Элементы с тремя состояниями

Условное обозначение ЛЭ с тремя состояниями показано на рис.6.2,а , а его электромеханический аналог со стороны выхода на рис.6.2,б.

Входы	Выход	Входы	Выход
Z	a	b		Z	a	b
1	X	X	Откл.	0	X	0	1
0	0	X	1	0	1	1	0

Из таблицы видно, что при Z=0 ЛЭ не отличается от обычного 2И-НЕ элемента, но при Z=1 выход ЛЭ переходит в состояние "отключен".

Примеры ЛЭ с тремя состояниями, имеющих высокую нагрузочную способность и называемых шинными формирователями (bus drivers), - микросхемы КР580ВА86, КР580ВА87.

Способ обмена с помощью магистралей помимо небольших затрат оборудования очень удобен для расширения системы, когда в процессе эксплуатации требуется подключение дополнительных устройств.



2.4 Этапы построения (синтеза) комбинационной схемы

Этап 1. Наиболее часто встречающийся на практике способ задания схемы - это объяснение ее работы на понятийном уровне в виде набора фраз обычного языка (например, русского). Сложность этапа связана с тем, что задание описывается неформальными терминами, допускающими неоднозначную трактовку. Основная цель этапа - формализация задания, в процессе которой определяются количество входных логических переменных (аргументов) и значения выходной переменной (функции) для каждой комбинации значений аргументов. Результат этапа - таблица истинности. О уже задание, неоднозначное толкование которого невозможно. Наиболее трудно обнаруживаемые ошибки возникают именно на этапе формализации.

Этап 2. Если функция определена не на всех наборах аргументов, то нужно ликвидировать неоднозначность таблицы.

Этап 3. Составить СДНФ для нескольких вариантов доопределения.

Этап 4. Минимизировать СДНФ любым доступным методом.

Этап 5. Реализовать получившиеся ДНФ на заданном логическом базисе.

Для сравнения между собой различных вариантов схем, реализующих одну и ту же функцию, нужно уметь как-то оценивать их качество.

Наиболее распространена оценка схемы по двум параметрам - задержке - Т и аппаратурным затратам - W. . Подсчёт W удобно производить в двенадцатых долях корпуса : 12 - это число логических выводов корпуса наименьшего размера.

Пример. На логических микросхемах серии К155 (табл. 6.1) построить несколько вариантов схем, реализующих заданную минимальную ДНФ Сравнить полученные результаты.

Схемная реализация в базисе НЕ, И, ИЛИ показана на рис.6.3,а. Аппаратурные затраты состоят из четырёх инверторов- (ЛН1), каждый из которых занимает 1/6 корпуса, двух элементов 2И- (ЛА3) и двух элементов 2ИЛИ- (ЛЛ1), каждый из которых занимает 1/4 корпуса. Считая, что задержки всех элементов одинаковы получим: Т=4. W=4*1/6+2*1/4+2*1/4=20/12. Неиспользованные элементы частично занятых корпусов не учитываются, поскольку они могут быть использованы в других узлах.11

Реализация Q с использованием микросхем ЛР3 показана на рис. 3.1,б. Для неё нужно пять инверторов ЛН1 и целиком микросхему ЛР3 : Т=3; W=5*1/6+1=22/12 корпуса. Затраты W немного возросли, а задержка уменьшилась до 3.Применив к функции Q правило де Моргана, получим (рис.3.1,в), Т=3; W=3*1/6+2*1/4+1*1/3=16/12 корпуса. Схема оказалась заметно экономичнее при том же быстродействии.

Можно попытаться использовать формулы де Моргана для уменьшения числа входных инверторов. Тогда (рис.6.3,г), Т=2; W = 11/12 корпуса. Удалось выиграть и в быстродействии и в оборудовании.

Ещё одно применение формулы де Моргана даёт (рис.6.3,д) Т=3 ; W=9/12 корпуса. Схема хотя и более медленная, но очень экономичная.

Если в последнем выражении раскрыть скобки, то получим ещё один вариант схемы (рис.6.3,е), Т=; W=12/12 корпуса. Задержка этой схемы оказалась наименьшей из всех рассмотренных.

Отметим, что хотя за основу была взята минимальная ДНФ, её схемная реализация оказалась самой неэкономичной из всех. Противоречия здесь нет. Минимальная ДНФ минимальна лишь в определённом смысле: это выражение, имеющее минимальное суммарное число букв. Переводя на язык аппаратуры, можно сказать, что это соответствует минимуму суммы входов всех конъюнкторов, реализующих элементарные конъюнкции ДНФ в трехъярусной схеме НЕ-И-ИЛИ типа показанной на рис.7.1,а. Затраты инверторов и дизъюнкторов этот критерий игнорирует.

Отсюда не следует, что минимизация не нужна вообще: чем компактнее выражение, тем легче обрабатывать его дальше.

Несколько полезных рекомендаций:

-сократить число инверторов, применив формулу де Моргана;

- использовать элементы И-ИЛИ-НЕ - они логически мощнее, чем И_НЕ, ИЛИ_НЕ;

- подбирать такие элементы, чтобы по возможности использовались все их входы;

- если выражение плохо минимизируется, попытаться применить элементы М2;

- вместо прямой функции реализовать её инверсию.

Алгоритма, который позволял бы целенаправленно строить хорошие схемы, в общем случае не существует. Не существует и чётких признаков окончания поиска хорошей схемы. В этом смысле разобранный пример не следует воспринимать как требование всегда проводить такую тщательную обработку любого выражения. Это просто иллюстрация характера работы при логическом проектирования. То же самое можно сказать и о процессе построения более сложных блоков из микросхем средней и большой интеграции. Слабо алгоритмизированный, поисковый, изобретательный стиль работы характерен для всех этапов функционально-логического проектирования цифровых устройств.

3. Функциональные узлы последовательного типа. Триггерные схемы

Последовательностные схемы или цифровые автоматы (ЦА) с памятью составляют другой, более сложный класс преобразователей дискретной информации. В отличие от КС они имеют некоторое конечное число различных внутренних состояний. Выходные сигналы ЦА в данном такте определяются в общем случае входными сигналами, поступившими на вход ЦА в этом такте, и внутренним состоянием автомата, которое явилось результатом воздействия на автомат входных сигналов в предыдущие такты.

Комбинация входных сигналов и текущего состояния ЦА в данном такте определяет не только выходные сигналы, но и то состояние, в которое автомат перейдет к началу следующего такта.

Функции перехода и выходов могут задаваться в форме таблиц или с помощью графов. При задании в виде графов состояния автомата представляют вершинами, а переходы из состояния в состояние - дугами. На дугах указываются значения входных сигналов, вызывающих соответствующие переходы.

Примерами простейших конечных ЦА являются триггеры

3.1 Триггеры. Общие характеристики триггеров

Триггером называют устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала.

Состояния устойчивого равновесия характеризуется тем, что после слабого внешнего воздействия устройство возвращается в исходное состояние, т.е. токи и напряжения принимают исходные значения в отличие от состояния неустойчивого равновесия, при котором любое слабое внешнее воздействие нарушает это состояние. Для перехода триггера из одного устойчивого состояния в другое необходимо, чтобы входной сигнал превысил пороговое значение.

Указанное свойство триггера обусловлено тем, что факторами, воздействующими на его состояния, являются не только внешние управляющие сигналы, но и сигналы самого триггера (сигналы обратной связи).

В современной электронике триггеры выполняются, как правило на основе логических интегральных элементов, либо как завершенный функциональный элемент в виде микросхемы.

Интегральные триггеры характеризуются большим разнообразием. Их отличают функциональный признак, определяющий поведение триггера при воздействии сигнала управления, а также используемый способ управления. По функциональному признаку различают триггеры типов: S, R, D, Q, J и др.

В зависимости от функциональных возможностей триггеры делятся на несколько видов:

RSтриггер;

2) Dтриггер;

3) Ттриггер;

4) JKтриггер.

По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

RSтриггер относится к асинхронным, так как переход его из одного состояния в другое происходит в темпе поступления сигналов на информационные входы и не связан с таковыми сигналами. В синхронных триггерах помимо информационных имеется вход таковых (синхронизирующих) сигналов и переключения триггера происходят только при наличии такового сигнала.

Для приема информации по одному входу используются D триггеры, которые задерживают поступившую информацию на время, равное периоду синхронизирующих сигналов.

Ттриггеры выполняют на основе двух последовательно соединенных RSтриггеров, первый из которых называют ведущим, а другой ведомым.

Универсальный триггер, или JKтриггер, имеет информационные входы J и K и синхронизирующий вход С.

Рассмотренные триггеры относятся к статическим триггерам, реагирующим на уровни входных сигналов. Существуют также динамические триггеры, которые реагируют на перепады уровней сигналов.

3.1 Асинхронные RS триггеры

Как уже отмечалось выше, в зависимости от способа различают асинхронные и трактируемые RS триггеры.

Асинхронные RS триггеры являются простейшими, однако они получили широкое распространение в импульсной и цифровой технике.

3.2 Синхронные RS триггеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



На рисунке 18.2а,б приведены схема и условное обозначение синхронного RS триггера на элементах ИНЕ. Схема 18.2а отличается от схемы асинхронного триггера (рис. 18.1в) наличием двух дополнительных элементов ИНЕ, благодаря которым управляющие сигналы проходят на входы и только при воздействии на синхронизирующий вход сигнала «1» () .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для приема информации по одному входу используются триггеры. На рисунке 18.3а,б приведены схема и условное обозначение триггера на элементах И НЕ.

триггер переходит в состояние «1» (), если в момент прихода синхронизирующего сигнала () на его информационном входе сигнал «1» (). В этом состоянии триггер остается и после окончания сигнала на входе до прихода очередного синхронизирующего сигнала, возвращающего триггер в состояние «0». Таким образом, триггер «задерживает» поступившую на его вход информацию на время, равное периоду синхронизирующих сигналов.



3.3 Т триггеры

Т триггер или счетный триггер, имеет один информационный вход и переходит в противоположное состояние в результате воздействия на его вход каждого очередного сигнала. Название «счетный» связано с широким применением Т триггеров в счетчиках импульсов. На рисунке 18.4а,б приведены условное обозначение и временне диаграммы Т триггера.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Т триггеры выполняют на основе двух последовательно соединенных RS триггеров (MS-схема), первый из которых называют ведущим, а другой ведомым. На рисунке 18.5 а, б приведены схемы и условное обозначение MS триггера (двухступенчатого триггера), в котором триггер ведущий, а триггер ведомый. При поступлении сигналов на информационные входы R и S триггера он принимает соответствующее состояние «0» или «1» в момент, когда (). Сигналы с выходов , ведущего триггера не проходят в ведомый, поскольку . Информация пройдет в ведомый триггер только по окончании синхронизирующего сигнала (,) и будет отображена на выходах , .

Для получения двухступенчатого Т триггера достаточно ввести обратные связи (на рисунке 18.5 а показаны пунктиром) и использовать вход как информационный . Тогда при триггер устанавливается в состояние, противоположное состоянию триггера (например, при , в состояние , ), а при триггер переходит в состояние, совпадающее с состоянием триггера (, ). Таким образом, на выходах , сигнал изменяется на противоположный по окончании каждого очередного импульса , что соответствует диаграмме 18.4б.

3.4 Универсальный триггер - JK

Универсальный триггер, или JK - триггер, имеет информационные входы J и K и синхронизирующий вход (рисунок 18.6а). JK - триггер получают из двухступенчатого Ттриггера путем использования трехвходовых элементов ИНЕ во входных цепах ведущего триггера подобно тому, как используют двухвходовые элементы ИНЕ. Использование третьих входов элементов ИНЕ позволяет реализовать два дополнительных информационных входа: J и K (рис. 18.6а).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При триггер изменяет свое состояние на противоположное в момент окончания каждого синхронизирующего сигнала. Таким образом, соединяя входы JK триггера по схеме (рис. 18.6б), получают Ттриггер. Используя вход как вход S, а как R, реализуют синхронный RS триггер, особенность котрого состоит в том, что при комбинации , запрещенной для обычного RS триггера, он переключается на каждый синхронизирующий сигнал. Добавлением инвертора на входе триггера получают триггер (рисунок 18.6 в).

Все типы триггеров, реализуемые на основе триггера, дают задержку в появлении выходных сигналов, равную длительности синхронизирующего сигнала.

Рассмотренные триггеры относятся к статическим триггерам реагирующим на уровни входных сигналов. Существуют также динамические триггеры, которые реагируют на перепады уровней сигналов. Наибольшее распространение получили статические и триггеры, выполняемые в виде интегральных микросхем, например К155ТМ5 (4триггера), К176ТВ1 (2триггера).



4. Регистры: последовательные (сдвигающие), параллельные, параллельно-последовательные и реверсивные

Регистром называют устройство, предназначенное для записи и хранения дискретного «слова» двоичного числа или другой кодовой комбинации.

Основные элементы регистра двоичные ячейки, в качестве которых применяются триггеры. Число двоичных ячеек определяется числом двоичных разрядов «слова» (длиной слова), на которое рассчитан регистр.

Регистратор - один из основных элементов ЭВМ и многих устройств автоматики и информационно-измерительной техники.

4.1 Параллельные регистры

Параллельные регистры - это устройства, предназначенные для записи, хранения и выдачи информации, представленной в виде двоичных кодов. Для хранения каждого двоичного разряда в регистре используется одна триггерная ячейка.

Для запоминания многоразрядных слов необходимое число триггеров объединяют вместе и рассматривают как единый функциональный узел-регистр. Если регистр построен на триггерах-защелках, то его называют регистр-защелка. Типовыми внешними связями регистра являются информационные входы D;, вход сигнала записи (или загрузки) С, вход гашения R, выходы триггеров Q. В упрощенном варианте регистр может не иметь входа гашения и инверсных выходов.

На рис. 8.6 показана схема четырехразрядного регистра, выполненного на ИМС К155ТМ5 и К155ЛИ1.

При подаче управляющего сигнала у1=1 информация по входам X1--Х4 записывается одновременно в соответствующие разряды четырех D-триггеров. При y1=y2=0 информация хранится в регистре памяти, а при y2=1 происходит параллельное считывание информации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Условным изображением регистра по рис. 8.7, а пользуются тогда, когда на схеме необходимо показать каждый вход и выход данных. Если же тракт данных рассматривается как единое, укрупненное понятие - шина данных, то пользуются обозначением, показанным на рис 8.7, б.

Выпускаемые промышленностью регистры иногда объединяют на кристалле микросхемы с другими узлами, в паре с которыми регистры часто используются в схемах цифровой аппаратуры. Пример такого комплексного узла - микросхема многорежимного буферного регистра (МБР) К589ИР12, основу которой составляет 8-разрядный регистр-защелка с входами DO--D7, С, R и восемью выходами Q0--Q7, снабженными усилителями мощности (буферами) с тремя состояниями выхода. Кроме того, в состав микросхемы входят несколько элементов управления. Усилители с тремя состояниями выхода имеет и 4-разрядный регистр К155ИР15, построенный на непрозрачных триггерах без свойств захвата или проницаемости, т. е. управляемых строго фронтом.

...