ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

1.1 Классификация

В зависимости от схемотехники логического элемента (ЛЭ) современные цифровые микросхемы можно разделить на следующие типы:

ТТЛ– транзисторно-транзисторная логика (универсальная);

ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки;

КМОП – с комплементарными МОП-транзисторами;

ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика;

МСХ на основе арсенида галлия.

По принципу построения активного элемента интегральные схемы (ИС) делятся на биполярные и полевые, по способу передачи информации – на синхронные и асинхронные, по типу информационных сигналов – потенциальные (основной тип), импульсные и импульсно-потенциальные.

По технологическим, схемотехническим и конструктивным признакам ИС выпускается сериями. Серия – это совокупность ИС различного функционального назначения, имеющих общие электрические и эксплуатационные характеристики, выполненные по единой технологии, объединенных одним конструктивным решением (вид корпуса).

По функциональному назначению в цифровых ИС выделяют следующие устройства.

Логические элементы – это ИС, реализующие базовые логические функции НЕ, И, ИЛИ и их комбинации И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ. Часть ЛЭ, помимо логических операций, выполняет функции усилителей мощности.

Драйверы. Драйверами принято считать ИС с повышенной нагрузочной способностью, основным назначением которых является организация связи с периферийными устройствами.

Шифраторы. Назначение шифратора – преобразование входного унитарного кода в натуральный двоичный.

Дешифраторы выполняют функции обратные шифраторам, т.е. преобразуют двоичный код в унитарный. К специальным дешифраторам относятся преобразователи двоичного кода в коды управления знакосинтезирующими индикаторами.

Мультиплексоры направляют один из m входных сигналов на - один выход.

Демультиплексоры решают обратную задачу – направляют один входной сигнал в один из m - выходных каналов.

Арифметическими устройствами являются сумматоры двоичных чисел, умножители двоичных чисел, АЛУ – арифметическо-логические устройства, схемы контроля четности, преобразователи двоичных кодов, цифровые компараторы (устройства сравнения двоичных чисел).

Триггеры – устройства последовательного типа, служащие для запоминания логических состояний.

Регистры. Регистром называется триггерная линейка, служащая для записи, хранения, сдвига и вывода информации.

Счетчики числа импульсов – суммирующие, вычитающие, реверсивные. Счетчики могут выполнять роль программируемых делителей частоты.

Релаксационные устройства – типа мультивибраторов и одновибраторов.

Запоминающие устройства предназначены для записи, хранения и выдачи информации.

Степень интеграции (показатель сложности) ИС оценивается числом элементов, размещенных на одном кристалле или подложке:

− малая интегральная схема (МИС) …….……. до 100;

− средняя интегральная схема (СИС)……... 101 –1000;

− большая интегральная схема (БИС) …..1001 – 10000;

− сверхбольшая интегральная схема (СБИС)…..свыше 100000.

1.2 Система обозначений ИС

Условное обозначение ИС состоит из четырех основных цифро-буквенных элементов (рисунок 1.1).

Первый элемент – цифра, обозначающая конструкторско - технологическую группу. Таких групп три: группа полупроводниковых ИС имеет обозначение 1, 5, 7; группа гибридных ИС – 2, 4, 8 и прочие – 3.

Рисунок 1.1 – Пример условного обозначения интегральных схем

Второй элемент (две - три цифры) обозначает порядковый номер серии.

Третий элемент состоит из двух букв, определяющих функциональное назначение ИС. Первая из букв определяет принадлежность ИС к конкретной группе, а вторая – к виду.

Четвертый элемент – это порядковый номер разработки ИС данного функционального типа.

Первый и второй элементы совместно характеризуют конструкцию корпуса ИС:

Р, А – пластмассовый;

Е – металлополимерный;

И – стеклокерамический.

Деление ИС на подгруппы и виды по функциональному назначению приведено в таблице 1.1.

Для ИС коммерческого применения условное обозначение начинается с буквы К, а в экспортном варианте с букв ЭК. После условного номера разработки ИС по функциональному признаку может быть приставлена буква А, Б, В..., указывающая на отличие в электрических параметрах микросхем, имеющих одинаковое функциональное обозначение.

Таблица 1 − Подгруппы и виды ИС

1.3 Основные характеристики логических элементов

Основной статической характеристикой ЛЭ является передаточная характеристика – зависимость выходного напряжения U_ВЫХ от напряжения на одном из входов при постоянных напряжениях на остальных, равных U⁰ или U¹. По виду передаточной характеристики различают инвертирующие (рисунок 1.2, а)и неинвертирующие ЛЭ (рисунок 1.2, б). Передаточные характеристики имеют три четко выраженных участка. Участок 1 – состояние низкого выходного напряжения U_ВЫХ, соответствующего уровню лог. 0 или U⁰, участок 2 – состояние U_ВЫХ = U¹ или лог.1. Участок 3 – это переход из одного состояния в другое: U¹ – U₀, U₀ – U¹. Границы участков определяются точками единичного усиления ( ). Входные напряжения, определяющие границы участков, называются порогами переключения U⁰_П и U¹_П. Разность напряжений лог.1 и лог.0 называют логическим перепадом U_ЛП = U¹ – U⁰.

Помехоустойчивостьопределяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы и непосредственно связана с ее передаточной характеристикой. В зависимости от длительности помехи различают статическую и динамическую помехоустойчивость. Если на входе действует низкое напряжение U⁰, то опасны помехи, имеющие положительную полярность, так как они повышают входное напряжение.

Рисунок 1.2 – Передаточные характеристики ЛЭ:

а − инвертирующие; б − неинвертирующие

При этом рабочая точка на передаточной характеристике может сместиться в область переключения, что приведет к сбою в работе. Максимально допустимое постоянное напряжение положительной помехи можно определить по передаточной характеристике как U⁰_ПОМ = U⁰_П – U⁰. Если на входе действует высокое напряжение U¹, то опасна помеха отрицательной полярности, понижающая уровень входного напряжения. Максимальное значение помехи по высокому уровню U¹_ПОМ = U¹–U¹_П. Статическая помехоустойчивость служит основным показателем защищенности микросхемы от помех. Динамическая помехоустойчивость выше статической, так как при кратковременных помехах сказываются паразитные емкости и инерционные процессы в микросхемах.

Входная характеристика – это зависимость входного тока I_ВХ от напряжения на входе при постоянных напряжениях на остальных входах. Для ЛЭ на биполярных транзисторах по этой характеристике определяют входные токи для низкого и высокого уровня входного напряжения. При U_ВХ = U⁰ ток вытекает из данного входа и I⁰_ВХ ≤ 0, при U_ВХ = U¹ ток втекает в этот вход I¹_ВХ ≥ 0.

Выходная характеристика – это зависимость выходного напряжения от тока нагрузки I_ВЫХ. Определяется также для низкого уровня напряжения на выходе U⁰_ВЫХ = f (I⁰_ВЫХ) и для высокого – U¹_ВЫХ = f (I¹_ВЫХ), где I⁰_ВЫХ и I¹_ВЫХ – выходные токи низкого и высокого уровней.

Нагрузочную способность характеризует коэффициент разветвления на выходе К_РАЗ. Этот параметр определяет максимальное число ЛЭ, аналогичных рассматриваемому, которые одновременно можно подключить к его выходу. Увеличение нагрузочной способности ограниченно, поскольку с ростом числа нагрузок снижаются помехоустойчивость и быстродействие.

Коэффициент объединения по входу К_ОБ определяется числом входов ЛЭ. Логические элементы массового производства выпускаются с 2, 3, 4 и 8 входами. Если возникает необходимость в увеличении числа входов, то следует использовать несколько однотипных ЛЭ, соединяя их с учетом законов булевой алгебры.

Потребляемая мощность ЛЭ оценивается как средняя потребляемая мощность в статическом режиме:

Р_СР = 0,5 Е_П ( I⁰_И.П + I¹_И.П),

где I⁰_И.П и I¹_И.П – ток, потребляемый от источника питания;

Е_П – напряжение источника питания.

Мощность, потребляемую дополнительно в процессе переключения, называют динамической. Она пропорциональна частоте переключения ЛЭ, в связи с чем ее определяют при заданной рабочей частоте, близкой к максимальной. Для оценки временных свойств микросхем существует несколько параметров. Быстродействие ЛЭ оценивают средним временем задержки распространения сигнала t_ЗД.СР, определяющим среднее время задержки выполнения логической операции:

t_ЗД.СР = 0,5 (t^0,1_ЗД + t^1,0_ЗД),

где t^0,1_ЗД, t^1,0_ЗД – времена задержки распространения сигнала при переходах U⁰/ U¹ и U¹ / U⁰, соответственно.

Значение задержки распространения оценивается, как правило, на уровне 0,5 от напряжения логического перепада U_ЛП (рисунок 1.3). Иногда оценку ведут по времени задержки включения и выключения, которые измеряются на уровнях 0,1 или 0,9 от логического перепада U_ЛП. Оценку быстродействия последовательных устройств (триггеров, счетчиков, регистров) ведут по максимальной частоте переключения, времени задержки распространения управляющих сигналов и некоторых других. Уменьшить время задержки ЛЭ в определенных пределах можно путем увеличения тока, потребляемого от источника питания, так как при этом уменьшаются времена перезаряда паразитных емкостей. Поэтому существует обратная связь между временем задержки и потребляемой мощностью: чем больше потребляемый ток, тем меньше средняя задержка. Для сравнения по быстродействию ЛЭ различных типов используют параметр, называемый энергией (работой) переключения: А = Р_СР t_ЗД.СР. Для большинства серий цифровых микросхем энергия переключения находиться в пределах 1¸500 п×Дж для устройств малой средней степени интеграции и 0.1¸1 п×Дж для ЛЭ в БИС и СБИС. К прочим показателям можно отнести надежность и стойкость микросхем к механическим и климатическим воздействиям. Эти показатели у интегральных микросхем исключительно высокие.

а − входной импульс; б − выходной импульс с инверсией

Рисунок 1.3 – Оценка задержки сигналов

Вероятность безотказной работы за 15000 часов может составить 99,8 %. МСХ могут работать при больших механических нагрузках (вибрации, удары ...) в широком температурном диапазоне (от –10 до +70 ⁰С для МСХ широкого применения и от – 60 до + 120 ⁰С – специального) и высокой влажности.