Система логических элементов (стр. 1 )

Система логических элементов.

3 системы:

1.  импульсная система.

2.  Импульсно-потенциальные системы.

3.  Динамические системы.

Импульсная система Cоставляет основу ЭВМ 1-го поколения, 2-го. Значение логических констант кодировались по средствам импульса.

Логические элементы функц. узлы строились на основе R, L,C элементов и ферритовых ячеек.

Главный недостаток: низкая технологичность.

Импульсная потенциальная Логические константы кодируются с помощью определенных уровней напряжения Uву, U1 , Uну, U0 , ТТЛ, ЭСЛ, КМОП и тд.

Характеристики: U0max U1min

“0” -- U0max

“1” -- Un. . . U1min

Система динамических элементов Нашло применение недавно и применяется в БИС

 

Параметры логических элементов.

1) En – напр. Питания

ТТЛ – 5В

ЭСЛ – 5В

КМОП – В

2) параметры задержки

 

Uвх

t

 

Uвых t

 

t10зр t10 t01зр t01

tзрер = t10зр + t01зр =

2

3) время фронтов t10 t01 t01(10) = f (Cн)

Емкость нагрузки из входных емкостей логических элементов подключаются к выходу данного элемента.

4) U0 U1 - логический ноль, логическая единица.

∆Uл – логический перепад.

∆Uл = U1 - U0

0,8В U0вх max U0вых max

2,4В U1вх min U1вsх min

5) добротность Q – параметр качества

Q=En tзср

tзср - время задержки ср [Дж]

En ~ ∆Uл ∆Uл ~ t01(10)

6) Помехоустойчивость: статическая и динамическая.

Статическая характеризует способность логических элементов функционировать без сбоя,

в условиях помех длительность значительно превышает время задержки.

Статические переходные характеристики.

En

 

Uвх Uвых

 

V Rн

 

Uвх

U1max

U1min

Uн

U0 max Uв

Uвых

U1min U1max

Если значение U1 станетниже значения Uв, логический элемент начнет переключаться в ноль.

∆U+ = Uн - U0max ( + )

∆U- = U1min – Uв ( -- )

Uн – значение нижнего порога.

g+ = Uн - U0max

∆Uл

g- = U1min – Uв

∆Uл

Динамическая помехоустойчивость.

 

|∆U+ -|

|∆U+ -| tn = const

0,5 tзер< tn <∞

|∆U+ -|ст

tn

0,5 tзерр

Надежность элементов характеризуется следующими величинами:

Pотк - вероятное отк.

λ – интенсивное отк.

Tотк - время наработки на отказ.

Tотк = λ-1

λ = n t исп – время испытания.

N t исп

P =e-lt Pотк = 1- e-lt

Коэффициент объединения по входу m

 

m=3

Кр – коэфициент разветвлений - сколько эл. можно подключить к выходу данного логического элемента для обеспечения правильного функционирования схемы.

Кр = U Кр <=[Кр]

К155 Кр=10

К555 Кр=20

[ I1вых max]

[ I0вых max] Кр = min (I0вых max / I0вх max, I1вых max / I1вх max )

&

I0вых <= [ I0вых max] “1”

I1вых <= [ I1вых max]

I

&

“0”

 

Классификация интегральных микросхем.(ИМС)

3 типа интегральных микросхем:

·  1,5 – полупроводниковые, корпусные

·  7 – полупроводниковые, безкорпусные

·  2,4,6,8 – гибридные

·  3 – ИМС прочего типа

Цифры №: 1-8 учитывающая конструкцию

2,3 – серии ИМС, серии имеют одинаковые энергетические и электрические

характеристики предназначенные для совместного применения

3-ий элемент (3 буквы) , которые хар-уют функциональные возможности

элемента

ЛА – И – НЕ

ЛИ – И

ЛЛ – ИЛИ

ЛИ – НЕ

ЛР – И – ИЛИ – НЕ

Элементы 2-х ступенчатой логики

ЛМ – ИЛИ/ИЛИ – НЕ

ЛД – расширители

ЛП – логические элементы прочие

ЛП5 - (+)

ЛП7,ЛП8 – ТС

ТРИГГЕРЫ

ТР – RS

TM – O

TB – JK

ТЛ – Шмитта

ИД – дешифратор

ИР - регистр

ИМ – сумматор

ИЕ – счетчики

ИП – мультиплексоры

4 элемент (цифра) – порядковый номер разработки микросхемы по функциональному

признаку

КР – пластмасса

КМ - керамический

К – аппаратура широкого применения

-- - военного применения

Классификация схем потенциальных логических

элементов.

 

 

ТТЛШ

LS – маломощные Шотки

РТЛ –резистивно – транзисторная логика.

Первый логический элемент.

Х2

Х1

Rн

R2

R1

“0” = 0 В U0max = 0,6 В “1” = U1 > 0 U1min = 2,4 В

Основа – ключ на биполярном транзисторе.

tp ~ S

S= Iб – Iб0

Iб0

 

tp

U0вых = Uкэнас

U1вых = En – Iн Rн

X1 X2 =0 Iпот = 0

X1V X2 =1 Iпот = Еn/Rн + U1 – Ugo

R1

ДТЛ – диодно – транзисторная логика.

Основа технологии ДТЛ –ключ с диодной цепью управления.

Rн

Uвых

+En

 

Uвх1 = Uвх2 = 0 I= En –Ego -U2вх

R1

VT – отс ''1''

Uвх1 = Uвх2 = 1 I= En –Ugo –Ugo vt

R1

Преимущества:

1.  I1 = I'1 , что снижает уровень помех, повышает помехоустойчивость.

2.  Быстродействие схемы слабо зависит от коэффициента объединения по входу.

Технология ДТЛ: обрыв = ” 1 ”

ТТЛ - транзисторно – транзисторная логика.

+En

Uвх2

Uвх1

Bj – коэффициент передачи. Bj = ∂ IJэ Омическое сопротивление участков базы делается

∂ IJб большим.

Работа аналогична системе ДТЛ.

Uв1VUвх =”0” VT – отс “1”

Uвх1 = Uвх2 = ”1”

I1 = En – Ugo - Ugo мэт

R1

Ugo мэт – Ugo многоэмитерного транзистора, МЭТ работает в инверсном режиме.

IJэ = I1вх = I1 βj ; βj = 0,,03 , что позволяет минимизировать токи.

ЭСЛ эмитерно – связанная логика.

Главная особенность ключей – исключение насыщения за счет наличия отрицательной обратной связи по току.

Преимущества: Самые быстродействующие из всех известных схем.

En

Rk1 I1 Rk2 I1

y2

y1

 

Uвх VT1 VT2

Uвх2 Rн

 

Iэ Rэ Uоп

 

Источник опорного напряжения Uоп поддерживает постоянное значение тока эмитера

Iэ= Iэ1 + Iэ2 = I1 + I2

1) Если на вход подать Uвх > Uоп. VT1 приоткрывается и полного насыщения нет, на выходе

y1 = En – I1Rk1 – “ 0 ”

транзистор VT2 за счет действия обратной связи через сопротивление Rэ призакрвается.

y2 = I'н Rн – “1” I2 = 0

1

y1

y2

Если параллельно поставить еще один транзистор, то получим:

1

y1

ИЛИ / ИЛИ – НЕ

y2

Если на вход подать Uвх < Uоп. VT1 закрыт

y1 = En – IнRk1 – “ 1 ”

транзистор VT2 открыт

“0” – Uоп -- ∆U

“1” – Uоп + ∆U, где ∆U составляет несколько единиц φт и около 0,,2В

Логика ЭСЛ управление током.

При обрыве на одном из входов ключ VT1 оказывается закрытым, что эквивалентно логической const “ 0 ”.

Уровни ЭСЛ и ТТЛ несовместимы.

Логические элементы на основе МОП – транзисторов.

Для создания цифровых интегральных схем используются транзисторы типа nМОП с индуцированным и встроенным каналом и транзисторы рМОП с индуцированным каналом.

В основе технологии рМОП ключ на ПТ с индуцированным каналом.

-En Ic

 

Rн

Uвых

VT1

Uвх Uзн

Uo Un. ор U1

U0 < Unор

U1 > Unор

Технология является дешевой.

- Еn

 

VTн

 

Uвых

VT1

Uвх

Если на вход подать напряжение меньше, чем Uпор, то VT1 - закрыт : Uвых = En – IнRVTн

При Uвх >Uпор ,то VT1 – открыто : Uвых = IсквRVT1откр, где RVT1 – сопротивление канала открытого транзистора VT1; Iскв – ток протекающий через каналы транзистора от источника питания на землю.

Преимущества: очень хорошие схемы, простые.

Элементы МОП несовместимы с элементами ТТЛ, невысокое быстродействие, связанно с особенностями каналов МОП транзисторов, используются в производстве калькуляторов, игрушек (системы дешевые).

Технология nМОП имеет 2 преимущества над рМОП технологией:

1.  Имеет более высокое быстродействие; подвижность электронов больше чем дырок

Мn > Mp

2. Могут использоваться при более низких напряжениях питания.

+Еn

 

VTн

 

Uвых

Uвх VTk

Основой nМОП систем логических элементов являются ключи на 2-х транзисторах со встроенным каналом. Пример nМОП : КР 580

Ic +5В

+12В

- 5В

 

Uотс U1 Uзн

U0<Uотс

 

t10 << t01

МОП не потребляемого тока в статическом

режиме Iвх = 0

Преимущества: простота интегральных схем.

Недостаток: МОП удалось избежать с

помощью технолигии кМОП.

 

t10 t01

+En

 

K1

1

Uупр если К1 – замкнутая,

К2 – разомкнутая; Uвых =”1” если К1 – разомкнутая,

К2 – замкнутая; Uвых =”0”

 

Вместо ключей К1, К2 используется ПТ с размещенным типов проводимости каналов.

+Еn

Исполнительные транзисторы с индуцированным каналом

Uвх=0 перпендикулярно рМОП - откр.

VTн nМОП - закр. Uвых =En(“1”)