2. Цифровые устройства

(3, 4, 8, 9, 12, 13, 14, 16)

2.1 Общие сведения о цифровых интегральных схемах

Интегральные цифровые микросхемы представляют собой полупроводниковые приборы, содержащие от нескольких единиц до десятков тысяч элементарных логических элементов. Сложность их количественно оценивается степенью функциональной интеграции k_n=lgNэл, где N_ЭЛ- число элементов И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, расположенных на кристалле микросхемы. К малым интегральным микросхемам (ИС) относятся (ИС) с k_n=1, к средним- с k_n=1..2, к большим (БИС) - k_n=2..4, к сверхбольшим (СБИС)- k_n=10. К последнему классу относятся микросхемы, выполняющие функции целых цифровых систем.

Цифровые схемы могут выполнять самые разнообразные задачи, как логического содержания, так и математические; решение последних также основано на логических представлениях, реализуемых, в частности, с помощью базовых логических элементов одноступенчатой (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ), двухступенчатой (И-ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ, и т.д.) и многоступенчатой логики.

Входные и выходные сигналы цифровых микросхем представляют собой или перепады напряжения (потенциала) , или импульсы, или комбинацию перепадов и импульсов. В зависимости от этого различают потенциальные, импульсные и потенциально- импульсные микросхемы.

Для элементов потенциального типа (именно на них ориентирован практический материал пособия) характерна работа в двух логических режимах: в режиме логической единицы (“1”) и в режиме логического нуля (“0”). В зависимости от того, высокий или низкий уровни принимаются за логическую единицу или нуль рассматривают положительную или отрицательную логику работы элемента.

Потенциальные цифровые схемы характеризуются следующими параметрами:

1.U¹- потенциал, соответствующий значению логической единицы

2. U⁰- потенциал, соответствующий значению логического нуля

3. U_П1- пороговое значение единичного уровня, при котором схема переходит в единичное состояние

4. U_П0- пороговое значение нулевого уровня, при котором схема переходит в нулевое состояние

5. М- число входов (коэффициент объединения по входу)

6. - входной ток приu_вх=U⁰

7. - входной ток приu_вх=U¹

8. N- коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность)

9. U_П(+)- помехоустойчивость по отношению к положительной помехе

10. U_П(-)- - помехоустойчивость по отношению к отрицательной помехе

11. P (или I)- мощность или ток, потребляемые от источника питания

12. t_з(01)- задержка переключения при переходе от “0” к “1”

13. t_з(10) - задержка переключения при переходе от “1” к “0”

Для более детального знакомства с указанными параметрами обратимся к статической и динамической характеристикам типичного инвертора . Статическая передаточная характеристика элемента НЕ представляет собой зависимость выходного напряжения микросхемы от входного и изображена на рис. 2.1. Характеристика имеет три выраженных участка: 1. При значенияхU_ВХU_П0 имеет место единичное состояние на выходе, то есть U_ВЫХ=U¹ 2. При U_ВХU_П1 U_ВЫХ=U⁰ 3. Область значений U_П0 U_ВХU_П1 является переходной, цифровой элемент находится здесь в активном режиме работы. Касательные, проведенные под углом 45⁰ к передаточной характеристике в этой зоне, и определяют пороговые напряжения U_П0 и U_П1, в пределах

Рис.2.1 которых крутизна передаточной характеристики заметно возрастает.

Если исходное состояние элемента соответствует значению U⁰, ( U¹,) то переход в новое состояние может происходить не только в результате полезного воздействия, но и под действием как различного рода помех (как потенциальных, так и импульсных), если их уровень не менее значений U_П(+)=U_П0-U⁰- помехоустойчивости по положительной помехе или U_П(-)=U¹-U_П1 - помехоустойчивости по отрицательной помехе.

Входные токи цифрового элемента определяют мощность, потребляемую во входной цепи, и задаются для наиболее неблагоприятных условий его применения (температурный режим, изменение питающего напряжения и пр.)

Выходные токи характеризуют нагрузочную способность элемента. Их превышение изменяет значение выходных логических уровней и, как следствие, может нарушить функционирование управляемых им других цифровых устройств.

С значениями входного и выходного токов связаны такие понятия, как коэффициенты объединения по входу М и коэффициент разветвления по выходу N. Первый определяет допустимое максимальное число входов однотипных логических элементов, а второй характеризует количество аналогичных элементов, которые можно подключить к выходу микросхемы.

Мощность P и ток, потребляемый схемой от источника питания , зависят от ее логического состояния. Средняя мощность определяется выражением , а ее паспортное значение указывается для некоторой рабочей частоты переключений микросхемы.

Временные параметры цифровых микросхем иллюстрируются рисунком 2.2, на котором изображены цифровые сигналы u_вх(t) и u_вых(t), действующие соответственно на входе и выходе инвертора.

Как видно из рисунка, выходной сигнал в силу свойственных полупроводниковому прибору задержек претерпевает временной сдвиг относительно. Задержки t_з(10) и t_з(01) определяются как промежутки времени между моментами достижения входным и выходным сигналами половинного значения полного логического перепада U_M=U¹-U⁰. Быстродействие цифровой ИС характеризуется средним временем распространения сигнала, рассчитываемого по формуле

Рис.2.2 t_з=0.5(t_з(10)+t_з(01)).

Заметное влияние на параметры цифровых микросхем оказывают температурные условия, в которых схема предназначена использоваться. Поэтому всегда указывается диапазон температур Т_МАКС…Т_МИН, в пределах которого параметры схемы не выходят за пределы допустимых.

Существуют различные серии интегральных цифровых схем. Серия- это совокупность ИС различного функционального назначения, имеющих общие электрические и эксплуатационные характеристики, выполненные по единой технологии и объединенные одним конструктивным решением.

Функционально полная серия обычно содержит в своем составе несколько типов ИС, выполняющих различные логические и арифметические операции и представляющие собой как простые логические элементы И, И-НЕ, ИЛИ и др., так и целые узлы и блоки (регистры, счетчики, сумматоры и пр.).

Каждая серия или группа серий характеризуются типом базового электронного ключа, в зависимости от которого различают схемы:

1. ТТЛ (133, 155)- транзистор- транзисторная логика

2. ТТЛШ (К555, К531, К1804)- ТТЛ с диодами Шоттки

3. ЭСТЛ (К100, К500)- эмиттерно- связанная логика

4. КМОП (564, К537, К588)- логика, основанная на комплементарной МОП-технологии. Можно назвать и ряд других, менее распространенных.

   Особенности и свойства базовых элементов каждой серии, рекомендации по их применению являются предметом более подробного изучения и рассматриваются в ряде смежных дисциплин. Мы же перейдем к рассмотрению основной задачи пособия: принципам построения, анализа и синтеза устройств цифровой техники.