Микроэлектроники
 Скачать 1.83 Mb.
|
|
2.6.7. Компараторы Компаратор это устройство для сравнения двух сигналов. Рассмотрим компаратор для сравнения сигналов одинаковой полярности (риса. На временной диаграмме (см. рис. 2.23, б) видно, что пока входное напряжение u вх , подаваемое на инвертирующий вход, меньше опорного оп напряжение на выходе максимальное положительное. Из-за большого коэффициента усиления ОУ под действием большой разности напряжений он находится в глубоком насыщении. а) б) в) Рис. 2.23. Компаратора, его временные диаграммы (б) и передаточная характеристика (в) 86 Когда напряжения становятся очень близкими компаратор выходит из насыщения и быстро переключается, те. напряжение на выходе меняет знак. На рис. 2.23, в представлена передаточная характеристика компаратора. Недостаток компаратора низкая помехоустойчивость чем чувствительнее компаратор, тем ниже помехоустойчивость. Это вызвано тем, что помеха накладывается на полезный сигнал ивы- зывает многократные ложные переключения. Регенеративный компаратор (триггер Шмидта ) риса) применяется для повышения помехоустойчивости. В нем используется положительная обратная связь, подаваемая на вход через резистор ос. Коэффициент передачи цепи обратной связи oc R R R + = 2 2 γ . (2.42) На временной диаграмме (см. рис. 2.24, б) видно, что пока входное напряжение u вх , подаваемое на инвертирующий вход, меньше опорного оп, напряжение на выходе макси- а) б) в) Рис. 2.24. Регенеративный компаратора, его временные диаграммы (б) и передаточная характеристика (в) 87 мальное положительное. Через цепь обратной связи на неинвертирую- щий вход подается дополнительное напряжение max вых U U ⋅ = ∆ γ . Поэтому на входе действует сумма оп и компаратор срабатывает при ср вх U u = . После срабатывания напряжение на выходе становится отрицательным. Положительное напряжение на неинвертирующий входе уменьшается до напряжения отпускания U U U оп отп ∆ − = . Следующее переключение произойдет, если входное напряжение станет меньше напряжения отпускания. Если амплитуда помехи не превышает U ∆ 2 , то ложных переключений не происходит. За счет положительной обратной связи переключенияв регенератив- номкомпараторе происходят очень быстро. Передаточная характеристика регенеративного компаратора имеет петлю гистерезиса (см. рис. 2.24, в. Ширина петли гистерезиса γ max 2 вых г U U ⋅ = (2.43) Преимущества регенеративного компаратора большая помехоустойчивость и быстрое переключение. Недостаток меньшая точность. Временные диаграммы и передаточная характеристика для случая оп приведены на рис. 2.25. 2.6.8. Мультивибратора) б) Рис. 2.25. Временные диаграммы (аи передаточная характеристика (б) регенеративного компаратора при оп 88 Мультивибратор − это генератор прямоугольных колебаний (риса. Он представляет собой регенеративный компаратор, в котором на инвертирующий вход подается сигнал обратной связи через интегрирующую цепь RC, а опорное напряжение равно нулю. Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Временные диаграммы мультивибратора показаны на рис. 2.26, б. Пусть в момент t напряжение на выходе положительное, тогда напряжение на неинвер- тирующем входе тоже положительное. Оно определяется коэффициентом передачи цепи обратной связи oc R R R + = 2 2 γ .(2.44) Напряжение с выхода, подаваемое на RC цепь, вызывает нарастание напряжения на инвертирующем входе. В момент t, когда это напряжение превысит напряжение на неинвер- тирующем входе, произойдет переключение. Напряжение на выходе и на неинвертирующем входе станет отрица- а) б) Рис. 2.26. Мультивибратора) и его временные диаграммы (б) 89 тельным, конденсатор начнет перезаряжаться в противоположном направлении. Выходное напряжение мультивибратора имеет частоту u t T f ⋅ = = 2 1 1 , (2.45) где ) 2 1 lg( 2 oc u R R t ⋅ + = τ , (2.46) C R ⋅ = τ (2.47) На основе описанных простейших аналоговых схем строятся более сложные схемы различного назначения Контрольные вопросы Что такое операционный усилитель Как определить коэффициент усиления (коэффициент передачи) инвертирующего и неинвертирующего усилителя Какой сигнал будет на выходе интегратора, если на вход подается знакопеременный прямоугольный входной сигнал А если серия одно- полярных прямоугольных импульсов В чем преимущества регенеративного компаратора перед простым компаратором В чем его недостаток Поясните временные диаграммы мультивибратора. Как можно изменить частоту 90 Глава 3. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ 3.1. Классификация цифровых интегральных микросхем и элементы алгебры логики Цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС) оперируют комбинацией символов «0» и «1» двоичной системы счисления. Этим значениям соответствуют крайние значения входных и выходных напряжений. На рис приведен вид сигнала, подаваемого на вход ЦИМС. Участок сигнала, имеющий уровень выше напряжения соответствующего единице принимается за 1, а ниже напряжения соответствующего нулю принимается за 0. К ЦИМС относятся логические схемы, реализующие логические операции И, ИЛИ, НЕ и т.д. Цифровые схемы, которые управляются уровнями напряжения, называются потенциальными. Логические микросхемы делятся на 1) комбинационные микросхемы однотактные или без памяти, в которых выходной сигнал является функцией входных сигналов. К ним относятся ЦИМС реализующие логические операции И, ИЛИ, НЕ и т.д; 2) последовательностные микросхемы (многотактные или с памятью, где выходной сигнал дополнительно зависит от состояния схемы в предыдущем интервале времени. К ним относятся счетчики, триггеры и т.д. ЦИМС подразделяются на 1) синхронные, в которых переключение происходит после воздействия тактового импульса 2) асинхронные, в которых переключение происходит в произвольный момент времени, когда приходит сигнал. Ключевые элементы в ЦИМС называют вентилями. Логические элементы можно выполнить на основе различных схем. Рассмотрим основные типы логик. РТЛ – резистивно-транзисторная логика , выполненная на резисторах и транзисторах (устаревшая, теперь не используется. Рис. 3.1. Определение понятий ив цифровых схемах 91 ДТЛ − диодно-транзисторная логика, выполненная на диодах и транзисторах. ТТЛ − транзисторно-транзисторная логика, выполненная как на обычных, таки на специальных многоэмиттерных транзисторах. рМДПТЛ и nМДПТЛ − транзисторные логики на основе МДП- транзисторов с каналами типа р и n. КМДПТЛ − комплиментарная (взаимодополняющая) логика, выполненная на основе сочетания МДП-транзисторов с каналами типа р и n. ИЛ − интегральная инжекционная логика. Применяется в больших интегральных схемах. У нее наилучшие показания по плотности упаковки элементов и быстродействию. Логические элементы осуществляют простейшие логические операции над цифровой информацией. Логические преобразования двоичных сигналов составляют набор трех операций ИЛИ − логическое сложение (дизъюнкция, обозначаемое знаком “+” риса) И − логическое умножение (конъюнкция, обозначаемое знаком “ • ” (рис. 3.2, б y = x 1 • x 2 ; (3.2) НЕ − логическое отрицание (инверсия, обозначаемое чертой над переменной (рис. 3.2, в x y = (3.3) Контрольные вопросы Чем отличаются ЦИМС от АИМС? В чем отличие последовательностных схем от комбинационных Рис. 3.2. Условные обозначения логических элементов, выполняющих операции ИЛИ (а, И (б, НЕ (в) а) б) в) 92 3. Какие типы логик Вызнаете. В чем отличие синхронных схем от асинхронных 3.2 Комбинационные ЦИМС Принцип действия комбинационных схем рассмотрим на примере схемы типаТТЛ. На риса приведена упрощенная схема элемента И – НЕ. На входе реализуется операция И над тремя сигналами, на выходе производится операция НЕ. Если на всех входах многоэмиттерного транзистора VT1 действует сигнал 1 (высокий потенциал близкий к Е, то все переходы эмиттер - база транзистора VT1 закрыты, через базо-коллекторный переход VT1 проходит ток, открывающий VT2. На выходе появляется низкий потенциал, соответствующий уровню 0. Если хотя бы на одном входе появляется сигнал 0, то потенциал на базе VT1 понижается и закрывается транзистор. На выходе появляется высокий потенциал, соответствующий уровню 1. Состояние входов и выходов логического элемента характеризуется таблицей истинности (табл. 3.1). Рис 3.3. Упрощенная схема элемента И – НЕ (аи его условное обозначение баб Условное обозначение элемента И – НЕ приведено на рис 3.3, б. На основе простейших комбинационных схем строятся более сложные дешифраторы, мультиплексоры, сумматоры и другие элементы ЭВМ. Контрольные вопросы Принцип действия схемы ТТЛ. Что такое таблица истинности Статические и динамические характеристики и параметры ЦИМС Статические параметры ЦИМС: 0 1 ,U U − значения высокого и низкого уровня напряжений 0 1 , пор пор U U − пороговые напряжения - это наименьшее значения высокого уровня напряжения и наивысшее значение напряжения низкого уровня на входе ЦИМС, при котором схема переходит из одного устойчивого состояния в другое. U 0 пст , U 1 пст – статическая помехоустойчивость (допустимый уровень помех на входе) при уровне входного сигнала, соответствующего 0 и 1. Передаточная (амплитудная) ха- рактеристика ) ( вх вых U f U = Передаточная характеристика для схемы И-НЕ приведена на рис. 3.4. Передаточные характеристики имеют разброс даже для одного типа МС и изменяются при изменении температуры. На рис. 3.5 показана область существования передаточных характеристик для микросхем данного типа. По значениям напряжений определенным по рис. 3.5 устанавливают основные параметры микросхемы данного типа. Таблица 3.1 A B C F 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 Рис. 3.4. Передаточная характеристика схемы И-НЕ и определение пороговых напряжений Входная характеристика ) ( вх вх U f I = . Для схем ТТЛ она приведена на риса. 0 вх I – максимальный ток на входе, протекающий при нулевом уровне входного сигнала. Выходная характери - стика ) ( вых вых I f U = . Выходная характеристика для схем ТТЛ приведена на рис. 3.6, б. Выходная характеристика снимается путем подключении к выходу входов других ИМС. Когда на выходе МС сигнал 1, то из ИМС вытекает малый обратный ток эмиттерно- базовых переходов нагрузок. Поэтому внешняя характеристика проходит в области малых токов и имеет малый наклон (1 квадрант. Если на выходе 0, через транзистор VT2 см. рис. 3.3, а)протекает постоянный ток базы, определяемый резистором, который значительно больше минимально необходимого для поддержания транзистора в насыщенном состоянии. При подключении к выходу схемы входов других ИМС появляются достаточно большие входные токи 0 вх I , вте- Рис. 3.5. Область существования передаточных характеристики определение параметров ЦИМС Рис. 3.6. Характеристики схемы ТТЛ: входная (аи выходная (б. Цифры по оси абсцисс – количество подключаемых элементов а) б) 95 кающие в ИМС, и ток коллектора VT2 растет. Когда ток базы становится недостаточным для насыщения, транзистор VT2 выходит из режима насыщения и напряжение на нем превышает 0 max вых U . Таким образом, напряжение на выходе при состоянии соответствующем 0 определяет максимально допустимый ток I вых.max и характеризует нагрузочную способность микросхемы. Коэффициент разветвления по выходу к аз р – это количество единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу 0 max вх вых раз I I к = (3.4) Динамические параметры ЦИМС характеризуют скорость переключения на выходе при изменении входного сигнала. На рис. 3.7 показано, как измеряется время задержки распространения сигнала в ИМС И-НЕ. Среднее время задержки распространения сигнала ) ( 5 0 0 1 1 0 р зд р зд ср р зд t t t + ⋅ = , (3.5) где 0 1 1 0 , р зд р зд t t – время задержки при переключении ИМС из состояния 0 в состояние и наоборот. Контрольные вопросы Назовите характеристики комбинационных ИМС и объясните их вид. Что можно определить по характеристикам комбинационных схем Динамические свойства АИМС. 3.4. Последовательностные ЦИМС Логические схемы с памятью могут создаваться на основе комбинационных схем. Рис. 3.7. Определение времени задержки распространения сигнала в ИМС И – НЕ 96 Триггер −−−− это элементарная последовательностная схема с двумя устойчивыми состояниями выходов. Выходы триггеров находятся в противоположном состоянии (в противофазе. Входной сигнал может перевести триггер из одного устойчивого состояния в другое. Триггеры имеют один или несколько информационных входов. Информационные входы делятся на установочные –S и R; 2) счётные– T; 3) тактирующие – С. По структуре триггеры делятся на триггеры, JK- триггеры, Т- триггеры , триггеры и др. По способу синхронизации триггеры делятся на асинхронные и синхронные (тактируемые). Асинхронные могут переключаться при изменении входного сигнала в произвольный момент времени, синхронные только в момент прихода синхроимпульса. В асинхронных системах возможны ложные переключения из-за задержки переключения логических элементов. Для устранения ложных переключений применяют синхронизацию логических элементов, в том числе триггеров. Синхронные триггеры делятся на тактируемые потенциалом (импульсом) и тактируемые фронтом (с внутренней памятью. В тактируемых потенциалом выполнение команд происходит с задержкой) до появления общего для всех ЦИМС синхроимпульса применяется, например, в D – триггерах В тактируемых фронтом при появлении синхроимпульса предварительно запускается триггер внутренней памяти (хозяина команда затем выполняется выходным триггером (рабом – slave) по заднему фронту синхроимпульса такие триггеры образуют семейство MS – триггеров, представителем которого является триггер. Асинхронный триггер может быть создан на основе двух комбинационных схем И – НЕ (риса. Он имеет два установочных входа S (set) – установка, R (reset) – возврат. Два выхода триггера находятся в противофазе и обозначаются Q и Q . Схема находится в устойчивом состоянии. Переключения триггера определяются по табл. 3.2, которая называется таблицей переключений. S n , R n , Q n – состояния входов и выхода в м интервале времени Q n+1 – в м. Ноне определено) – запрещенная комбинация входных сигналов, при которой теряется противофазность выходных. Рассмотрение таблицы 3.2 показывает, что реакция системы зависит от предыдущего состояния. По таблице 3.2 на рис. 3.8, б построены временные диаграммы. Триггер переключается при подаче на входы R и S нулевых сигналов. Такой триггер называется триггером с инверсным управлением. Условное обозначение триггера с инверсным управлением показано на рис. 3.8, в. а) в) б) Рис. 3.8. Схема асинхронного триггера с инверсным управлением (а, временные диаграммы напряжений на входах и выходах (б) и его условное обозначение (в) Таблица 3.2 S n R n n Q 1 1 1 − n Q 0 1 1 1 0 0 0 0 но. 98 Схема триггера с прямым управлением иего условное обозначение показаны на риса переключения триггера определяются по табл. 3.3. Схема синхронного триггера с прямым управлением иего условное обозначение показаны на риса, б, а переключения триггера определяются по табл. 3.3, однако, они могут происходить только при приходе синхроимпульса. По таблице 3.3 на рис. 3.10, в построены временные диаграммы. Рис. 3.9. Схема асинхронного триггера с прямым управлением (аи его условное обозначение (баб) Таблица 3.3 S n R n n Q 0 0 1 − n Q 1 0 1 0 1 0 1 1 Но. 99 Схема триггера иего условное обозначение показаны на риса, б, а переключения триггера определяются по табл. 3.4. По таб- Рис. 3.10. Схема синхронного триггера с прямым управлением (а, его условное обозначение (б) и временные диаграммы напряжений на входах и выходе (в) а) б) в) 100 лице 3.4 на рис. 3.11, в построены временные диаграммы. Срабатывание происходит по переднему фронту синхроимпульса. В триггере выходной сигнал повторяет входной с задержкой (до прихода синхроимпульса. Рис. 3.11. Схема триггера (а, его условное обозначение (б) и временные диаграммы напряжений на входах и выходе (в) а) б) в) 101 Условное обозначение Т-триггера показано на риса переключения триггера определяются по табл. 3.5. Это триггер со счетным входом и внутренней памятью. При приходе импульса на вход Т меняется состояние выходов, те. Он снижает частоту следования импульсов в два раза (считает. Условное обозначение триггера показано на риса, а переключения триггера определяются по табл. 3.6. JK-триггерсостоит из двух триггеров – триггера внутренней памяти и выходного триггера. При приходе синхроимпульса запускается триггер внутренней памяти, а команда выполняется выходным триггером по заднему фронту синхроимпульса. По таблице на рис. 3.13, б построены временные диаграммы- триггер является универсальным. Он может заменитьRS-триггер и при этом не имеет запрещенных комбинаций сигналов. Он может быть превращен в Т-триггер иD-триггер. Контрольные вопросы Основные виды триггеров. Что такое таблица переключений Что будет с триггером, если на его входы подать запрещенную комбинацию сигналов В чем преимущества синхронных схем перед асинхронными В чем преимущества триггера по сравнению с триггером Как превратить триггер в триггер. Таблица 3.5 C n n Q 0 1 − n Q 1 Таблица 3.6 n J n K Q n 0 0 1 − n Q 1 0 1 0 1 0 1 1 Рис. 3.12. Условное обозначение Т-триггера Таблица 3.4 C n n Q 0 1 − n Q 1 D n − 1 |