Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
2005_podyak / 355_нов / 355_3.doc
Скачиваний:
65
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.23 Mб
Скачать

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 kn = lg Nэл, где Nэл – число элементов И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, расположенных на кристалле микросхемы. К малым интегральным микросхемам (ИС) относятся (ИС) с kn = 1, к средним – с kn = 1…2, к большим (БИС) – kn = 2...4, к сверхбольшим (СБИС) – kn =  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 уровень принимается за логическую единицу или нуль, рассматривают положительную или отрицательную логику работы элемента.

Потенциальные цифровые схемы характеризуются следующими параметрами:

1) U 1 – потенциал, соответствующий значению логической единицы;

2) U 0 – потенциал, соответствующий значению логического нуля;

3) Uп1 – пороговое значение единичного уровня, при котором схема переходит в единичное состояние;

4) Uп0 – пороговое значение нулевого уровня, при котором схема переходит в нулевое состояние;

5) М – число входов (коэффициент объединения по входу);

6) – входной ток приuвх = U 0;

7) – входной ток приuвх = U 1;

8) N – коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность);

9) Uп(+) – помехоустойчивость по отношению к положительной помехе;

10) Uп(–) – помехоустойчивость по отношению к отрицательной помехе;

11) P (или I) – мощность или ток, потребляемые от источника питания;

12) tз(01) – задержка переключения при переходе от «0» к «1»;

13) tз(10) – задержка переключения при переходе от «1» к «0».

Д

Рис. 2.1

ля 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 выраженныхучастка: 1) при значениях Uвх Uп0 имеет место единичное состояние на выходе, т. е. Uвых U 1; 2) при Uвх Uп1 Uвых = U 0; 3) об­ласть значений Uп0 Uвх Uп1 является переходной, цифровой элемент находится здесь в активном режиме работы. Касательные, проведенные под углом 45º к передаточной характеристике в этой зоне, и определяют пороговые напряжения Uп0 и Uп1, в пределах которых крутизна передаточной характеристики заметно возрастает.

Если исходное состояние элемента соответствует значению U 0, (U 1), то переход в новое состояние может происходить не только в результате полезного воздействия, но и под действием различного рода помех (как потенциальных, так и импульсных), если их уровень не менее значений Uп(+) = Uп0U 0 – помехоустойчивости по положительной помехе или Uп(–) = U 1Uп1 – 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.

Со 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 рис. 2.2, на котором изображены цифровые сигналы uвх(t) и uвых(t), действующие соответственно на входе и выходе инвертора. Как видно из рисунка, выходной сигнал в силу свойственных полупроводниковому прибору задержек претерпевает временной сдвиг относительно входного сигнала. Задержки tз(10) и tз(01) определяются как промежутки времени между моментами достижения входным и выходным сигналами половинного значения полного логического перепада UM = U 1U 0. Быстродействие цифровой ИС характеризуется средним временем распространения сигнала, рассчитываемого по формуле

t

Рис. 2.2

з = 0,5(tз(10) +tз(01)).

Заметное влияние на параметры цифровых микросхем оказывают температурные условия, в которых схема предназначена использоваться. Поэтому всегда указывается диапазон температур ТмаксТмин, в котором 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 другие, 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:

Соседние файлы в папке 355_нов