- •Основы электроники
- •1. Полупроводниковые выпрямительные диоды и стабилитроны
- •2. Выпрямители и фильтры.
- •3. Биполярные транзисторы
- •4. Тиристоры
- •5. Полевые транзисторы
- •6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt)
- •7. Операционные усилители
- •8. Элементы цифровой электроники
- •9. Микропроцессоры и микроЭвм
- •Литература
8. Элементы цифровой электроники
Общая характеристика
Цифровое представление информации позволяет передавать и обрабатывать ее без искажений. Оно оказывается наиболее рациональным для компьютеров, измерительных приборов, сигналов управления и т.д. В настоящее время цифровые устройства применяются все шире, вытесняя аналоговые устройства, то есть такие, которые используют непрерывные сигналы.
Цифровые микросхемы выпускаются на основе различных полупроводниковых элементов. Наиболее распространены микросхемы двух технологий - ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП (комплементарные МОП-структуры). ТТЛ реализуется на биполярных транзисторах, КМОП - на полевых. Микросхемы ТТЛ и КМОП работают на основе транзисторных усилителей, которые переключаются между режимами отсечки и насыщения. В некоторых случаях для повышения быстродействия насыщения не допускают, используя режим, близкий к насыщению.
Микросхемы ТТЛ обладают большим быстродействием, но меньшей помехоустойчивостью, и они потребляют больше энергии в сравнении с микросхемами КМОП. В больших интегральных схемах(БИС) преобладают КМОП-структуры, так как размещение на одном кристалле большого количества биполярных транзисторов приведет к его перегреву.При работе с микросхемами КМОП нужно обеспечить отсутствие статического электричества, так как оно может их испортить.
В цифровой форме информация обычно имеет вид последовательности двоичных (логических) чисел 0 и 1. В электронных устройствах нуль чаще всего кодируется низким уровнем напряжения (например, для микросхем ТТЛ от -0,5 до +0,4 В), а единица - высоким уровнем (для ТТЛ от +2,4 до +5,5 В). Такая кодировка называется положительной логикой. Если нулю соответствует высокий уровень напряжения, а единице - низкий, то это называетсяотрицательной логикой.
Суть цифровой электроники состоит в том, чтобы в соответствии с входными цифровыми сигналами вырабатывать выходные цифровые сигналы. Эти задачи разделяются на два класса: комбинационныеипоследовательные.
Комбинационные задачи решаются схемами, у которых выходные сигналы соответствуют входным сигналам в настоящий момент времени. Комбинационные схемы реализуют различные функции математической логики.
Последовательные задачи представляют более широкий класс. Выходные сигналы последовательных схем зависят не только от входных сигналов в настоящий момент времени, но и от входных сигналов в предшествующие моменты времени. Иначе говоря, последовательные схемы - это схемы с памятью. Последовательные схемы могут быть собраны на основе элементов комбинационной логики.
Цифровые устройства могут работать в асинхронномилисинхронномрежиме. В асинхронном режиме командой к изменению состояния выходов элемента цифровой схемы служит изменение входных сигналов этого элемента. Переключение одних элементов может не совпадать по времени с переключением других элементов цепи. В синхронном режиме изменение выходов всех элементов происходит одновременно в момент прихода тактового импульса. Для работы элемента цифровой схемы в синхронном режиме необходимо, чтобы он имел специальный вход для приема тактовых импульсов.
Рассмотрим примеры элементов цифровой электроники.
Элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ
Рис. 8.1. Обозначение элемента И-НЕ на схеме. |
Рис. 8.2. Устройство элемента И-НЕ на базе ТТЛ |
Устройство элемента И-НЕ на базе ТТЛ показано на рис. 8.2. Логическую функцию И выполняет многоэмиттерный транзистор VT1. Когда на всех входах имеются сигналы логической единицы, то все эмиттерные переходы входного транзистораVТ1оказываются закрытыми. В этом состоянии транзисторVТ1включенинверсно(то есть, эмиттер и коллектор как бы поменялись местами). Ток через резисторR1и переход база-коллектор транзистораVТ1поступает в базу транзистораVТ2и насыщает его. На выходе устанавливается низкое напряжение. Если хотя бы на одном входе оказывается сигнал логического нуля, то соответствующий переход база-эмиттер транзистораVT1открывается, и ток черезR1направляется в этот переход, а не в переход база-коллекторVT1. Из-за этого ток базы транзистораVТ2прекращается, транзисторVT2закрывается, на его выходе устанавливается высокое напряжение.
Элементы И-НЕ бывают не только с двумя, но и с несколькими входами. Все они выдают на выходе отрицание логического произведения всех своих входов.
х1 |
х2 |
|
|
х1 |
х2 |
|
0 |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
Табл. 8.1. Таблица истинности функции И-НЕ |
|
Табл. 8.2. Таблица истинности функции ИЛИ-НЕ |
Рис. 8.3. Обозначение эле- мента ИЛИ-НЕ на схеме. |
Однако, даже с помощью только одной функции И-НЕ можно реализовать все функции математической логики. То же относится и к функции ИЛИ-НЕ. Поэтому элементы И‑НЕ и ИЛИ-НЕ чаще других применяются при конструировании электронных логических устройств.
Триггеры
S |
R |
Q |
0 |
0 |
сохраняется прежнее состояние |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
запрещено |
Табл. 8.3. Таблица состояний RS-триггера. |
Рис. 8.4. Устройство RS-триггеров. |
Рис. 8.5. Обозначение RS-триггера. |
Простейший RS-триггерсостоит из двух элементов ИЛИ-НЕ (рис. 8.4 слева), либо И-НЕ (рис. 8.4 справа), охваченных обратными связями. Условное обозначениеRS-триггера показано на рис. 8.5. Черта над буквой или выражением означает знак логического отрицания.
Триггер имеет два входа: S(Set - установка) иR (Reset - сброс), и два выхода:Qи, сигналы которых инверсны друг другу.
Q | ||
0 |
0 |
запрещено |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
сохраняется прежнее состояние |
Табл. 8.4. Таблица состояний RS-триггера с инверсными входами. |
.
Так как 1 + х = 1, то . На выходеQполучится сигнал
.
При обратных входных сигналах (S= 0,R= 1) получаются обратные выходные сигналы. Если оба входных сигнала одинаковы:S =R = 0, то выходные сигналы остаются такими, какими они были:
; .
Если сигналы R = S = 1, то оба выходных сигнала одинаковы:. После инверсии входных сигналов, когда они станут, триггер с одинаковой вероятностью может перейти в любое состояние. Из-за этой неопределенности сигналыR = S = 1 запрещены. СостоянияRS-триггера, собранного из логических элементов ИЛИ-НЕ, приведены в табл. 8.3.
Аналогично работает RS-триггер из логических элементов И-НЕ (рис. 8.4 справа), только он управляется инвертированными сигналами. Состояния такого триггера приведены в табл. 8.4.
J |
K |
Q |
0 |
0 |
сохраняется прежнее состояние |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Устанавливается состояние, инвер- сное предыдущему |
Табл. 8.5. Таблица состояний JK-триггера. |
Рис. 8.6. Обозначение JK-триггера. |
RS-триггеры работают в асинхронном режиме,JK‑триггеры - в синхронном режиме. КромеRS- иJK-триггеров, существуют также триггеры других типов. В общем же, схемы последовательной логики очень разнообразны.