Цифровые устройства. Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем
 Скачать 2.25 Mb.
|
|
Введение Глава1 Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем Вся современная схемотехника разделяется на две большие области: аналоговую и цифровую. Аналоговая схемотехника характеризуется максимальным быстродействием, малым потреблением энергии и малой стабильностью параметров. Цифровая схемотехника обладает прекрасной повторяемостью параметров. Это привело к её развитию в последние годы. В результате в ряде устройств потребление цифровых модулей оказалось сравнимым и даже меньше потребления аналоговых схем, реализующих те же функции. Основные направления развития цифровых микросхем в настоящее время приведены на рисунке 1.1  Рисунок 1.1 Классификация видов цифровых микросхем Для того, чтобы лучше понимать особенности работы цифровых микросхем в данном курсе мы кратко повторим особенности основных технологий производства цифровых микросхем, применяемых в настоящее время: ТТЛ, и КМОП, По мере развития цифровых микросхем их быстродействие достигло впечатляющих результатов. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3..5 нс. (серия микросхем 74ALS), а внутри кристалла микросхемы, где нет больших ёмкостей нагрузки время переключения измеряется пикосекундами. Таким быстродействием обладают программируемые логические схемы и заказные БИС. В этих микросхемах алгоритм решаемой задачи заключён в их принципиальной схеме. Часто для решаемой задачи не требуется такого быстродействия, каким обладают современные цифровые микросхемы. Однако за быстродействие приходится платить:
Первую задачу решает применение технологии КМОП цифровых микросхем (например микросхемы серий 1564, 74HC, 74AHC). Потребляемый ими ток зависит от скорости переключения логических вентилей. Именно поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии. Вторую задачу решают несколькими способами. Для жёсткой логики это разработка специализированных БИС. Использование специализированных БИС позволяет уменьшить габариты устройства, но стоимость его снижается только при крупносерийном производстве. Для среднего и малого объёмов производства такое решение неприемлемо. Ещё одним решением уменьшения габаритов и стоимости устройства является применение программируемых логических схем (ПЛИС). Это направление активно развивается в настоящее время. Глава 2 Области применения цифровых микросхем Цифровые микросхемы первоначально разрабатывались для построения электронно-вычислительных машин, получивших в дальнейшем название компьютеры. То есть первое их предназначение было заменить человека при выполнении рутинной работы. Сейчас, наверное, никто и не вспомнит, что слово калькулятор ещё каких-нибудь шестьдесят лет назад обозначало не маленький карманный прибор, а профессию большого числа людей, которые занимались расчётами по конкретным математическим формулам. Однако вскоре после начала массового производства цифровых микросхем выяснилось, что они оказались очень удобны для управления какими либо объектами. При этом управляемая схема может обычно находиться в двух состояниях. Например: схема может быть либо включена, либо выключена, светодиод может либо гореть, либо не гореть, соединение в телефонной станции может быть или не быть, радиостанция может находиться в режиме передачи или в режиме приёма. В результате цифровые микросхемы практически полностью вытеснили применявшиеся ещё с девятнадцатого века для управления приборами электромагнитные реле и перфокарты. При выполнении задачи управления для описания состояния объекта достаточно двух значений: напряжение высокое или низкое (положительное или отрицательное) ток протекает или не протекает. Это позволило избавиться от многих неприятных моментов аналоговых схем. Например, ошибка при прохождении через схему не увеличивается (в отличие от шумов), а в ряде случаев даже может быть скомпенсирована. Сами цифровые схемы при правильном использовании не вносят ошибок. Эти свойства цифровых микросхем привели к бурному развитию цифровой техники. Приведённые преимущества привели к тому, что в дальнейшем цифровая техника стала использоваться и для решения других задач. Например для формирования высокостабильных колебаний для радиотехнических изделий или для использования в качестве эталонных интервалов времени в часах. Здесь тоже нет необходимости формировать различные уровни напряжения генерируемого сигнала. Достаточно только, чтобы частота генерируемого колебания была стабильной. Затем стали разрабатываться методы и теория применения цифровых микросхем для формирования аналоговых сигналов. И здесь тоже основным фактором была возможность заранее прогнозировать уровень шумов. При этом уровень шума зависит только от сложности схемы, и не зависит (ну, или почти не зависит) от количества схем, через которые проходит сигнал. Это приводит к возможности передавать сигнал на любое расстояние (или производить любое количество копий сигнала). Особенности цифровых устройств Изучение цифровой техники начнем с самых элементарных вопросов: из каких элементов строятся цифровые схемы и как они устроены? Затем научимся реализовывать на основе этих простейших элементов цифровые устройства любой сложности. Для этого нам потребуется изучить основы алгебры логики и методы запоминания цифровых сигналов. Мы научимся отображать цифровую информацию и вводить ее в цифровые микросхемы. Прежде всего отметим, что уровни логических сигналов не уменьшаются при распространении по цифровой схеме. Это означает, что цифровые микросхемы принципиально должны обладать усилением. В то же самое время логические уровни на выходе цифрового устройства точно такие же как и на входе, то есть они не возрастают при прохождении через логический элемент. Это обеспечивается тем, что на выходе цифровой микросхемы происходит ограничение сигнала. То есть цифровые микросхемы работают в ключевом режиме: транзистор может быть только открыт или закрыт. В результате на идеальном транзисторе рассеивания энергии не происходит и это означает, что в цифровых микросхемах можно достичь к.п.д близкого к 100%. Виды цифровых микросхем. В настоящее время используется несколько видов логических элементов:
Первоначально получили распространение цифровые микросхемы, построенные на основе ТТЛ технологии. Поэтому до сих пор существует огромное количество микросхем, построенных по этой технологии или совместимые с этими микросхемами по напряжению питания, логическим уровням и цоколёвке. Глава 3Условные графические изображения цифровых микросхем (ГОСТ)Цифровая или микропроцессорная микросхема, ее элемент или компонент; цифровая микросборка, ее элемент или компонент обозначаются на принципиальных схемах условно-графическим обозначением в соответствии с ГОСТ2.743-91. Условно-графическое обозначение (УГО) микросхемы имеет форму прямоугольника, к которому подводят линии выводов. Условное графическое обозначение микросхемы может содержать три поля: основное и два дополнительных, которые располагают слева и справа от основного (рисунок 3.1). В первой строке основного поля условно-графического обозначения микросхемы помещают обозначение функции, выполняемой данным логическим элементом. В последующих строках основного поля располагают информацию по ГОСТ 2.708.  Рисунок 3.1 Условно-графическое изображение цифровых микросхем. В дополнительных полях помещают информацию о назначениях выводов (метки выводов, указатели). Дополнительные поля на условно-графическом изображении цифровых микросхем могут отсутствовать. Входы на условно-графическом изображении цифровых микросхем располагают слева, а выходы — справа. Номера выводов микросхем помещают над линией вывода ближе к изображению микросхемы. Параметры цифровых микросхемТочно так же как и аналоговые схемы, цифровые схемы должны описываться какими-то параметрами. Аналоговые схемы характеризуются напряжением питания, при котором они могут работать. Цифровые микросхемы тоже обладают этим параметром. В настоящее время наиболее распространены цифровые микросхемы с напряжением питания +5 В и +3,3 В, хотя существуют микросхемы, способные работать в диапазоне напряжений от 2 до 6 В. Уровни логического нуля и единицыКак уже говорилось ранее, цифровые микросхемы характеризуются тем, что могут находиться только в двух состояниях. Состояния цифровых микросхем могут быть описаны двумя цифрами: '0' и '1'. При этом можно состояние микросхемы характеризовать различными параметрами. Например, током или напряжением в цепях микросхемы, открыты или заперты транзисторы на выходе микросхемы, светится или нет светодиод (если он входит в состав микросхемы). Условились в качестве логических состояний цифровых микросхем воспринимать напряжение на их входе и выходе. При этом высокое напряжение договорились считать единицей, а низкое напряжение — считать нулем. В идеальном случае напряжение на выходе микросхем должно быть равным напряжению питания или общего провода схемы. В реальных схемах так не бывает. Даже на полностью открытом транзисторе есть падение напряжения. В результате на выходе цифровой микросхемы напряжение всегда будет меньше напряжения питания и больше потенциала общего провода. Поэтому договорились напряжение, меньшее заданного уровня (уровень логического нуля) считать нулём, а напряжение, большее заданного уровня (уровень логической единицы), считать единицей. Если же напряжение на выходе микросхемы будет больше уровня логического нуля, но меньше уровня логической единицы, то такое состояние микросхемы будем называть неопределённым. На рисунке 3.2 приведены допустимые уровни выходных логических сигналов дляТТЛ микросхем. Обратите внимание, что чем ближе выходное напряжение к напряжению питания или к напряжению общего провода схемы, тем выше к.п.д. цифровой микросхемы.  Рисунок 3.2 Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем Напряжение с выхода одной микросхемы передаётся на вход другой микросхемы по проводнику. В процессе передачи на этот проводник может наводиться напряжение от каких либо генераторов помех (осветительная сеть, радиопередатчики, импульсные генераторы). Помехоустойчивость цифровых микросхем определяется максимальным напряжением помех, которое не приводит к превращению логического нуля в логическую единицу и зависит от разности логических уровней цифровой микросхемы. U-пом = Uвых1мин-Uвх1мин То же самое относится и к помехам, превращающим логический ноль в логическую единицу. U+пом = Uвых0макс-Uвх0макс Чем меньше разница между Uвх1мин и Uвх0макс, тем большим усилением обладает цифровая микросхема. Типовое усиление ТТЛ микросхем по напряжению Ku составляет 40 раз. Это приводит к тому, что подав на вход этой микросхемы напряжение, на 40 мВ меньшее уровня Uпор, мы воспримем его как логический ноль, и на выходе этой микросхемы получим нормальный логический уровень. При подаче на вход ТТЛ микросхемы напряжения, на 40 мВ большего уровня Uпор, это напряжение будет восприниматься как логическая единица. Граница уровня логического нуля и единицы для ТТЛ микросхем приведена на рисунке 3.3.  Рисунок 3.3 Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем Вспомним, что на выходе цифровой ТТЛ микросхемы уровень логической единицы не может быть меньше 2,4 В, а уровень логического нуля не может быть больше 0,4 В. В результате, даже при наведении на вход ТТЛ микросхемы помехи, напряжением 0,96 вольт, искажение цифровой информации не произойдёт. Теперь вспомним, что микросхемы могут работать при воздействии неблагоприятных факторов таких как пониженная температура, старение микросхем, воздействие радиации. Поэтому производители микросхем гарантируют срабатывание микросхем с некоторым запасом. Например, фирма Texas Instruments объявляет для своих микросхем входной уровень единицы — 2 В, а уровень нуля — 0,8 В. Эти уровни тоже показаны на рисунке 3. А что же произойдёт, если напряжение на входе цифровой микросхемы будет близко к порогу, разделяющему уровень логического нуля и логической единицы? В этом случае микросхема перейдет в активный режим работы и оба выходных транзистора могут оказаться открытыми. В результате микросхема может выйти из строя. Поэтому входы цифровых (особенно КМОП) микросхем ни в коем случае не должны быть оставлены неподключенными! Если часть элементов цифровой микросхемы не используется, то их входы должны быть подключены к источнику питания или общему проводу схемы. И в заключение данной темы обратите внимание, что конкретное значение порога переключения для различных экземпляров микросхем и от серии к серии микросхем может изменяться в некоторых пределах. Это ещё одна причина, по которой нельзя подавать на вход логических микросхем напряжение в пределах неопределённого состояния или оставлять входы микросхем неподключенными. Входные и выходные токи цифровых микросхемЕщё один важный параметр любой микросхемы — это предельно допустимый выходной ток. Для цифровых микросхем есть два различных значения выходного тока: ток единицы (высокого потенциала) и ток нуля (низкого потенциала). В цифровых микросхемах эти значения различаются. Путь протекания тока единицы цифровых микросхем показан на рисунке 3.4.1  Рисунок 3.4.1 Путь протекания выходного тока единицы цифровых микросхем На этом рисунке видно, что в простейшем случае выходной ток цифровой микросхемы (вытекающий ток) совпадает с входным током единицы нагрузочной цифровой микросхемы (микросхемы-приёмника). Часто требуется подавать сигнал с выхода одной микросхемы на несколько других микросхем. В этом случае выходной ток микросхемы будет определяться как сумма входных токов микросхем-приёмников. Количество однотипных микросхем, которые могут быть одновременно подключены к выходу микросхемы, определяютпредельную нагрузочную способность микросхемы. Путь протекания выходного тока нуля (втекающий ток) показан на рисунке 3.4.2. В этом случае выходной ток микросхемы тоже определяется суммой входных микросхем, подключенных к ее выходу.  Рисунок 3.4.2 Путь протекания выходного тока нуля цифровых микросхем Для того, чтобы цифровые микросхемы могли нагружаться на несколько микросхем, входной ток должен быть меньше выходного. Для ТТЛ микросхем нагрузочная способность составляет обычно 10. Для КМОП микросхемона может достигать 100, то есть на выход одной КМОП микросхемы можно нагружать до сотни входов других КМОП микросхем. Параметры, определяющие быстродействие цифровых микросхемБыстродействие цифровых микросхем определяется скоростями их перехода из одного состояния в другое. При этом оно определяется временем задержки выходного сигнала относительно входного. Не следует путать это время с длительностью фронта выходного импульса цифровой микросхемы. В общем случае длительность переднего (rising — нарастающего) фронта и заднего (falling — спадающего) фронта не совпадают. Длительность фронта определяется как время нарастания (спада) выходного сигнала от напряжения 0,1 U до напряжения 0,9 U, где U — это разность напряжений между уровнем логической единицы и уровнем логического нуля. На рисунке 3.5 длительность переднего (rising — нарастающий) фронта обозначена как tф01, а длительность заднего (falling — спадающий) фронта обозначена как tф10.  Рисунок 3.5 Определение длительности переднего и заднего фронта выходного импульса Время задержки выходного сигнала относительно входного обычно больше длительности фронта выходного сигнала и именно этот параметр приводится в качестве характеристики цифровой микросхемы, определяющей её быстродействие. Это время определяется по точке пересечения входным и выходном сигналами порогового уровня. В цифровых микросхемах время задержки переднего фронта и время задержки заднего фронта обычно не совпадает. Времена задержки t01 и t10 показаны на временной диаграмме, приведенной на рисунке 3.6.  Рисунок 3.6 Определение времени задержки цифровой микросхемы Описание логической функции цифровых схемДля того, чтобы упростить анализ любых схем обычно фиксируют какие-либо параметры схемы. Для того, чтобы исключить влияние задержек распространения сигналов на выходные сигналы цифровых микросхем, можно рассматривать эти сигналы в статическом режиме. Для того, чтобы исключить влияние конкретных схемных решений цифровых устройств, а также влияние конкретных значений выходного напряжения и токов нагрузки, входные и выходные сигналы цифровой схемы можно описывать цифрами '0' и '1'. Выходные сигналы в простейших цифровых схемах зависят только от входных сигналов, и не зависят от их значений в предыдущие моменты времени. Такие цифровые устройства получили название комбинационных цифровых устройств. Обычно такие устройства описываются при помощи таблиц истинности. Таблица истинности — это совокупность всех возможных комбинаций логических сигналов на входе цифрового устройства и значений выходных сигналов для каждой комбинации. Для того, чтобы не пропустить ни одной комбинации входных сигналов их обычно записывают в виде двоичного кода. Пример таблицы истинности приведен в таблице 3.1. Таблица 3.1 Таблица истинности цифровой микросхемы
Для описания принципов работы комбинационной цифровой схемы полностью достаточно таблицы истинности. Этой же таблицы достаточно для создания её принципиальной схемы. |