- •2. Цифровые устройства [3, 4, 8, 9, 12, 13, 14, 16]
- •2.1. Общие сведения о цифровых интегральных схемах
- •Кмоп (564, к537, к588) – логика, основанная на комплементарной моп-технологии.
- •Перевод десятичного числа в восьмеричное
- •2.2.2. Элементы двоичной арифметики
- •2) Дополнительный код отрицательного числа создается путем единичного значения знакового разряда, инвертирования всех остальных цифровых разрядов и добавления «1» к младшему разряду;
- •Контрольные вопросы
- •2.3. Основы алгебры логики
- •2.3.1. Основные понятия и определения
- •2.3.2. Основные аксиомы и законы алгебры логики
- •2.3.3. Формы представления Булевых функций
- •2.3.3.1. Алгебраическое представление булевых функций
- •На основании законов булевой алгебры доказываются следующие свойства минтермов:
- •2.3.3.2. Представление Булевых функций в виде карт Карно
- •2.3.4. Минимизация Булевых функций
- •Контрольные вопросы
- •2.4. Синтез комбинационных логических устройств
- •2.4.1. Кодирующие устройства
- •2.4.1.1. Дешифраторы
- •2.4.1.2. Мультиплексоры и демультиплексоры
- •2.4.1.3. Шифраторы
- •2.4.2. Комбинационные двоичные сумматоры
- •Контрольные вопросы
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
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(+) = Uп0 – U 0 – помехоустойчивости по положительной помехе или Uп(–) = U 1 – Uп1 – 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 1 – U 0. Быстродействие цифровой ИС характеризуется средним временем распространения сигнала, рассчитываемого по формуле
t
Рис.
2.2
Заметное влияние на параметры цифровых микросхем оказывают температурные условия, в которых схема предназначена использоваться. Поэтому всегда указывается диапазон температур Тмакс – Тмин, 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: