Компьютерная схемотехника (стр. 5 )

Рисунок 4.17

При этом необходимо обеспечить выполнение условия

,(4.14)

где Iн – ток нагрузки; – значение допустимого тока, который может протекать через открытый выходной транзистор логического элемента (рисунок 4.17).

("41") На рисунке 4.17.1 показан пример подключения на выход ЛЭ с открытым коллектором светодиода VD.

Рисунок 4.17.1

Когда с выхода ЛЭ снимается логический 0, выходной транзистор VT открыт, и светодиод VD оказывается включенным в прямом направлении. При протекании через VD прямого тока последний зажигается. Ток Iн равен току зажигания светодиода Iзаж. VD, который составляет £20 mA. Падение напряжения на открытом диоде UVD. пр составляет (1,7…2) В. Резистор R ограничивает величину прямого тока и рассчитывается по формуле:

(4.14.1)

Например, если Ek=5 B; UVD. пр=2 В; Iзаж. VD=20 mA, то R=(5-2)/(20*10-3)=150 Ом.

4.15 Логические элементы с третьим состоянием

Один из наиболее широко используемых способов подключения логических элементов на общий выход основан на применении в их выходных цепях электронных буферных схем, способных под действием управляющих сигналов либо подключать к нагрузке выходной логический сигнал, принимающий значения (состояния) 0 или 1, либо отключать выход от нагрузки (переводить его в так называемое 3-е (высокоимпедансное, Z-состояние)).

Ниже показаны: обозначение логического элемента (повторителя) с тремя состояниями на электрических схемах (рисунок 4.18,а) и принципиальная схема его выходного каскада, обеспечивающего 3 состояния выходного сигнала: логический 0; логическую 1 и 3-е (Z) состояние (рисунок 4.18,б).

Рисунок 4.18

В поле функционального обозначения логических элементов с тремя состояниями имеется специальный символ .

Помимо основных входов, на которые подаются входные логические переменные, подобные элементы содержат управляющий вход “Выбор кристалла” - CS, активным сигналом на котором, как правило, является логический 0 (рисунок 4.18,а).

Три состояния выходных сигналов обеспечиваются управляющими сигналами на базах транзисторов VT1 и VT2 (рисунок 4.18,б):

Единичное состояние – на базе VT1 - единица (транзистор - открыт); на базе VT2 - нуль (транзистор - закрыт) и с выхода снимается логическая 1;

Нулевое состояние – на базе VT1 - нуль (транзистор закрыт); на базе VT2 - единица (транзистор - открыт) и с выхода снимается логический 0;

Z - состояние – на базах VT1 и VT2 - логические нули (оба транзистора закрыты) и выход оборван от общей шины (находится в высокоимпедансном (Z) состоянии).

Элементы с тремя состояниями широко используются в микропроцессорной технике для подключения выходов различных устройств микропроцессорной системы к общей шине.

5. РЕАЛИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ в разных базисах

5.1 Базисные наборы ЛЭ и их взаимосвязь

("42") Существует несколько базисных (функционально полных) наборов логических элементов, на которых можно реализовывать любую переключательную функцию:

1) И, ИЛИ, НЕ;

2) И – НЕ;

3) ИЛИ - НЕ.

Для реализации ПФ, представленной булевым выражением в ДНФ или КНФ, достаточно трех ЛЭ: И, ИЛИ, НЕ, поэтому этот набор считается функционально полным или базисным (базисом).

На практике более широко используются базисы И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Это связано с тем, что уменьшение номенклатуры элементов до одного типа упрощает проектирование устройства и его ремонт. Кроме того, наличие в этих элементах инвертора (усилителя) повышает нагрузочную способность элемента (усиливает сигнал).

Используя тождества и теоремы булевой алгебры, можно преобразовать выражения ПФ, записанные в виде комбинации функций И, ИЛИ, НЕ, к виду, который может быть реализован элементами базиса И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Сказанное отражает таблица 5.1.

Таблица 5.1

Элемент	Логические операции
НЕ	И	ИЛИ
И-НЕ
ИЛИ-НЕ

Ниже показана схемная реализация функций НЕ, И, ИЛИ в базисах И-НЕ (рисунок 5.1, а, б, в) и ИЛИ-НЕ ( рисунок 5.1 ,г, д, е).

("43") Рисунок 5.1

Функцию И-НЕ называют функцией Шеффера (штрихом Шеффера), обозначая её в виде F = A êB, а функцию ИЛИ-НЕ - функцией Пирса (стрелкой Пирса), обозначая её в виде А¯В. Базис И-НЕ называют базисом Шеффера, а базис ИЛИ-НЕ - базисом Пирса.

5.2 Реализация логических функций в различных базисах

5.2.1 Реализация элемента “Равнозначность” (исключающее ИЛИ - НЕ)

На выходе такого элемента должна быть логическая 1, если на входах одновременно присутствуют одинаковые логические переменные (единицы или нули).

Булево выражение логической функции, соответствующей рассматриваемому элементу имеет вид

.(5.1)

Очевидно, что данное выражение легко реализуется элементами базиса И, ИЛИ, НЕ.

Используя теорему де Моргана и тождества булевой алгебры, преобразуем выражение (5.1) к виду, позволяющему реализовать функцию “равнозначность” в базисе И-НЕ (5.2) и ИЛИ-НЕ (5.3)

,(5.2)

.(5.3)

Ниже показаны функциональные схемы элемента “равнозначность” на ЛЭ базисов И, ИЛИ, НЕ (рисунок 5.2,а); И-НЕ (рисунок 5.2,б) и ИЛИ-НЕ (рисунок 5.2,в).

А Б

В

Рисунок 5.2

5.2.2 Реализация элемента “Неравнозначность” (исключающее ИЛИ, сумма по модулю два)

На выходе такого элемента должна быть логическая 1, если на входах присутствуют неравнозначные логические переменные:

F = 1, если А = 1, В = 0 или А = 0, В = 1.

("44") Булево выражение логической функции рассматриваемого элемента имеет вид

.(5.4)

Это выражение может быть легко реализовано элементами базиса И, ИЛИ, НЕ. Применяя теорему де Моргана и тождества булевой алгебры, преобразуем выражение (5.4) к виду, позволяющему реализовать функцию “неравнозначность” в базисе И-НЕ (5.5) и ИЛИ-НЕ (5.6).

,(5.5)

.(5.6)

Ниже показаны функциональные схемы элемента “неравнозначность” на ЛЭ базисов И, ИЛИ, НЕ (рисунок 5.3, а); И-НЕ (рисунок 5.3, б) и ИЛИ-НЕ (рисунок 5.3, в).

А Б

В

Рисунок 5.3

Элемент “неравнозначность” иначе называют сумматором по модулю два: сумма двоичных цифр дает единицу, если одна из них единица, а другая – нуль; в противном случае, если обе цифры 0 или 1, то сумма равна нулю.

5.2.3 Реализация элемента “Запрет”

На выходе такого элемента должна быть логическая 1, если на основном входе присутствует логическая единица, а на запрещающем входе – логический нуль.

Булево выражение логической функции рассматриваемого элемента имеет вид

.(5.7)

Выражение (5.7) может быть легко реализовано в базисе И, ИЛИ, НЕ.

Применяя теорему де Моргана и тождества булевой алгебры, преобразуем выражение (5.7) к виду, позволяющему реализовать функцию “запрет” в базисе И-НЕ (5.8) и ИЛИ-НЕ (5.9).

,(5.8)

.(5.9)

("45") Ниже показаны функциональные схемы элемента “запрет” на ЛЭ базисов И, ИЛИ, НЕ (рисунок 5.4, а); И-НЕ (рисунок 5.4, б) и ИЛИ-НЕ (рисунок 5.4, в).

Рисунок 5.4

5.2.4 Реализация многобуквенных логических функций на элементах с небольшим количеством входов

Иногда на практике возникает задача реализовать логическую функцию большого числа логических переменных (многобуквенную функцию) на элементах с небольшим количеством входов. В качестве примера на рисунке 5.5 показана функциональная схема, реализующая логическую функцию

(5.10)

на двухвходовых элементах И-НЕ.

Рисунок 5.5

6. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ (ИМС)

Цифровая микросхема как функциональный узел характеризуется набором сигналов, которые можно разделить на информационные (Х1, Х2, ..., Хn – входные, Y1, Y1, ..., Ym – выходные) и управляющие (V1, V2, ..., Vk). Каждая конкретная ИМС в соответствии со своим функциональным назначением выполняет определенные операции над входными сигналами (переменными), а выходные сигналы представляют собой результат этих операций Yj = F(Х1,Х2, ... ,Хn). Операторами F могут быть как простейшие логические преобразования, например, И, ИЛИ, НЕ, и т. д., так и сложные многофункциональные преобразования, имеющие место, например, в микропроцессорах, БИС памяти и др.

Сигналы управления определяют вид операции, режим работы ИМС, обеспечивают синхронизацию, установку начального состояния, стробируют входные и выходные сигналы, задают адрес, и т. д.

От функциональной сложности ИМС зависит и система ее электрических параметров, которые в общем случае могут иметь десятки наименований, причем многие из параметров характерны только для ИМС какого-либо одного класса. Поэтому ниже рассмотрим те параметры и характеристики, которые характеризуют большинство микросхем. В дальнейшем при изучении отдельных устройств этот перечень по мере необходимости будет расширен.

6.1 Коэффициент объединения по входу (Коб)

Равен числу входов логического элемента. На них поступают логические переменные, над которыми данный элемент выполняет логическую операцию. Коб ограничивает наибольшее число переменных функции, которую реализует данный ЛЭ. При недостаточном количестве входов вместо одного приходится использовать несколько элементов, соединяя их определенным образом (5.2.4).

6.2 Коэффициент разветвления по выходу (Краз)

Численно равен количеству входов аналогичных элементов, которыми можно одновременно нагрузить выход данного элемента без искажения передачи информации. Этот коэффициент характеризует нагрузочную способность элемента и определяется выполнением его выходного каскада. Для различных элементов составляет от нескольких единиц до нескольких десятков.

6.3 Статические характеристики

К статическим характеристикам относятся: входная ВАХ, определяющая зависимость входного тока от входного напряжения; выходная ВАХ, показывающая связь между выходным напряжением и током; передаточная, которая определяет зависимость выходного напряжения от входного [3].

На рисунке 6.1 приведена типовая передаточная характеристика инвертора ТТЛ - типа. С ее помощью можно определить ряд параметров ЛЭ, например, уровни напряжений логической единицы (U1), логического нуля (U0), значения пороговых напряжений, при которых выходной сигнал переключается из 1 в 0 (U0пор) и наоборот из 0 в 1 (U1пор), оценить помехоустойчивость элемента.

("46")

Рисунок 6.1

6.4 Помехоустойчивость

Оценивается наибольшим напряжением статической помехи Uпом, действующей на входе, которое не вызывает ложного переключения элемента из 1 в 0, или наоборот.

Статическими принято называть помехи, величина которых остается постоянной в течение времени, значительно превышающего длительность переходных процессов в схеме. Причиной появления таких помех в большинстве случаев является падение напряжения на проводниках, соединяющих микросхемы в устройстве. Наиболее опасные помехи возникают в шинах питания. Падения напряжения на “земляной” шине, разные для различных ИМС, будут суммироваться с входными сигналами и могут приводить к сбоям. Для исключения подобных ситуаций необходимо внимательно относиться к расположению проводников, подводящих напряжение питания, и увеличивать по возможности их сечение.

Помехоустойчивость можно оценить по передаточной характеристике элемента (рисунок 6.1), определив значения U0пом и U1пом.

6.5 Динамические характеристики и параметры

Характеризуют быстродействие логических элементов.

На рисунке 6.2 изображено изменение выходного напряжения во времени при переключении из 1 в 0 и наоборот.

Рисунок 6.2

По этой характеристике определяется время перехода элемента из состояния единицы в нуль t1,0 и перехода в обратное состояние t0,1. Эти временные интервалы измеряются на уровнях 0,1 и 0,9 от перепада выходного напряжения при переключении элемента (ΔU = (U1вых – U0вых)) (при этом емкость нагрузки должна соответствовать заданной).

Часто быстродействие оценивается временами задержки распространения сигнала при включении t0,1зд. р. и выключении t1,0зд. р. ,а также средним временем задержки распространения tзд. р.ср (определяется как полусумма задержек при включении и выключении). Эти параметры измеряются на уровнях 0,5 от перепадов входного и выходного сигналов (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3

6.6 Вид реализуемой логической функции

Выше, при изложении курса, были рассмотрены основные логические элементы, выполняющие различные функции: И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ; ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ; И-ИЛИ-НЕ; ПОВТОРЕНИЕ (усиление цифрового сигнала) и др.

6.7 Потребляемые токи и мощность

К основным параметрам часто также относят токи, потребляемые цифровой ИМС для двух её состояний: I1пот, I0пот, и потребляемую мощность Рпот.

Рпот представляет собой мощность, потребляемую микросхемой от источника питания в заданном режиме. Различают Р1пот и Р0пот, потребляемые ИМС в состояниях логических 1 и 0, а также среднюю потребляемую мощность

("47") Рпот. ср = 0,5*( Р1пот + Р0пот).(6.1)

6.8 Входные и выходные токи, напряжения

I0вх – предельный входной ток при сигнале 0 на входе;

I1вх – предельный входной ток при сигнале 1 на входе;

U1вых – минимальное выходное напряжение при логической 1 на выходе при заданном токе нагрузки;

U0вых – максимальное выходное напряжение при сигнале 0 на выходе при заданном токе нагрузки;

I0вых max – максимальный выходной ток при логическом нуле на выходе;

I1вых max – максимальный выходной ток при логической единице на выходе.

6.9 Пороговые напряжения

Входное напряжение, при котором происходит резкое изменение выходного напряжения, называется порогом переключения Uпор. Амплитудная передаточная характеристика реального логического элемента в переходной области (штриховая линия) не имеет явно выраженного порога переключения (рисунок 6.1). Изменение выходного напряжения начинается при одном значении входного напряжения U0пор, а заканчивается при другом U1пор. Характеристика имеет зону неопределенности ΔUпор=U1пор-U0пор, что вызвано, в частности, переходом транзистора из режима отсечки в режим насыщения и наоборот.

Пороговое напряжение логического нуля U0пор – наибольшее значение низкого уровня входного напряжения, при котором происходит переход из единичного состояния в нулевое (рисунок 6.1);

Пороговое напряжение логической единицы U1пор – наименьшее значение высокого уровня входного напряжения, при котором происходит переход из нулевого состояния в единичное (рисунок 6.1).

Значение U0пор и U1пор отличаются на несколько десятых долей вольта, поэтому часто передаточная характеристика аппроксимируется, как показано на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4

Теперь Uпор= U1пор= U0пор.

6.10 Допустимые значения основных параметров

Emin, Emax – допустимые значения напряжения питания;

U1min, U0max – допустимые значения уровней логических сигналов единицы и нуля;

Iвх. max, I0вых. max, I1вых. min – допустимый входной и выходной токи в состоянии 0 и 1.

("48") Существует еще ряд параметров, например, технико-экономических, которые приводятся в технической документации, прилагаемой к ИМС, и в справочниках.

7. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Для построения цифровых устройств наиболее широкое применение находят интегральные логические элементы на базе ТТЛ -, ТТЛШ -, ЭСЛ - и КМОП - технологий. Всякая микросхема, реализующая сложную функцию, по существу представляет совокупность элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ.

7.1 Базовый ТТЛ (ТТЛШ) - элемент И-НЕ

Простейший ТТЛ элемент, название которого расшифровывается как транзисторно-транзисторная логика, состоит из конъюнктора, выполненного на многоэмиттерном транзисторе VТм и транзисторного инвертора VT1 (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1

При высоких уровнях напряжения на всех входах схемы (логические 1) все переходы эмиттер-база многоэмиттерного транзистора VTм смещаются в обратном направлении (заперты), а переход база-коллектор за счет напряжения +Епит – в прямом (инверсное включение транзистора). Ток коллекторного перехода транзистора VТм, протекающий через переход эмиттер-база транзистора VТ1, вводит последний в режим насыщения. При этом с выхода снимается низкий уровень напряжения (логический нуль). Если хотя бы на один вход схемы поступит сигнал логического 0(низкий уровень напряжения), VТм открывается и на базу VТ1 подается низкий уровень напряжения. Последний закрывается и с выхода снимается высокий уровень сигнала (логическая единица). Таким образом, элемент реализует функцию И-НЕ ().

Выходное сопротивление рассмотренного элемента зависит от состояния транзистора VТ1. Когда он открыт, оно близко к нулю, а когда заперт – Rвых≈Rк=R2.

Для повышения помехоустойчивости и увеличения нагрузочной способности ТТЛ элементы содержат дополнительные транзисторы (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2

Подобная схема называется ТТЛ элементом со сложным инвертором, выполненном на трех транзисторах VT1, VT2 и VT3. Если на всех входах элемента присутствует логическая 1, то эмиттерный переход VТм заперт, а коллекторный – открыт. Ток базы VТм через переход БКVTм поступает в базу VT1. В результате VT1 входит в режим насыщения. Положительным потенциалом, снимаемым с резистора R4, транзистор VT3 открывается и с выхода схемы снимается логический 0. Благодаря наличию диода VD транзистор VT2 при этом надежно закрыт.

Диод обеспечивает дополнительное положительное приращение напряжения на эмиттере VT2 и называется смещающим. Использование таких диодов – один из типовых приемов интегральной технологии, позволяющий обеспечить надежное запирание выключенных транзисторов. Наличие запертого VT2 в коллекторной цепи открытого VT3 практически исключает потребление тока выходной цепью сложного инвертора в состоянии покоя (без нагрузки). Нагрузка, включенная между +Епит и коллектором VT3 может вызывать достаточно большой ток (Iк. VT3=Iн).

Если хотя бы на один вход схемы (рисунок 7.2) поступит логический 0, то транзистор VТм насыщается, на его коллекторе (базе VT1) появляется низкий уровень напряжения и транзистор VT1 запирается. Потенциал его эмиттера стремится к нулю, а потенциал коллектора – к напряжению +Епит. Транзистор VT3 закрывается, VT2 – открывается. С выхода снимаем высокий уровень напряжения (логическая 1). Каскад на транзисторе VT2 работает в активном режиме как эмиттерный повторитель (значение резистора R3 мало (десятки Ом) и может не учитываться). Выходное сопротивление эмиттерного повторителя очень мало, поэтому нагрузочная способность второй схемы (рисунок 7.2) по сравнению с первой (рисунок 7.1) значительно увеличивается.

Потребление тока в выходной цепи ненагруженного сложного инвертора в этом состоянии также мало, так как VT3 закрыт. Если между выходом (коллектором VT3) и корпусом включить сопротивление нагрузки, то потребляемый схемой ток увеличивается (Iн=IэVT2).

Отсутствие собственного потребления тока выходной цепью сложного инвертора делает рассматриваемый элемент достаточно экономичным.

Вместе с тем, эта схема имеет существенный недостаток. При формировании логической единицы на выходе ток закрытого транзистора VT3 Iкоз протекает через резистор R4 (рисунок 7.2), создавая на нем падение напряжения, направленное на отпирание транзистора. Чтобы снизить это напряжение значение резистора R4 берется не очень большим (сотни Ом).

Малое значение R4 шунтирует переход база-эмиттер VT3 при его отпирании. Например, при напряжении Uбэ. нVT3=0,6 В через резистор R4=1 кОм протекает ток 0,6 мА. Следовательно, VT3 начнет отпираться только после того, как ток через резистор R4 возрастает до 0,6 мА. Это приводит к растягиванию во времени переходной области передаточной характеристики рассматриваемого элемента (рисунок 6.1).

Кроме того, наличие R4 влияет на стабильность параметров ТТЛ - элемента в рабочем диапазоне температур. Этот резистор имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). При возрастании температуры значение R4 увеличивается, его шунтирующее действие уменьшается, ток базы VT3 увеличивается, транзистор VT3 насыщается сильнее, что может увеличить время его выключения, т. е. ухудшает быстродействие. При снижении температуры значение R4 падает, его шунтирующее действие возрастает, что приводит к увеличению времени включения (растягиванию во времени переходной области передаточной характеристики микросхемы (рисунок 6.1)).