Studiet av digitale kretser må begynne med teorien om automater. I denne artikkelen kan du finne noen grunnleggende ting som vil hjelpe deg å ikke gå deg vill i flere artikler. Jeg prøvde å gjøre artikkelen lett å lese, og jeg er sikker på at en utrent leser lett vil kunne forstå den.

Signal- et materiallagringsmedium som brukes til å overføre meldinger over et kommunikasjonssystem. Et signal, i motsetning til en melding, kan genereres, men mottaket er ikke nødvendig (meldingen må aksepteres av mottakeren, ellers er det ikke en melding, men bare et signal).

Artikkelen diskuterer et digitalt diskret signal. Dette er et signal som har flere nivåer. Det er klart at et binært signal har to nivåer - og de tas til å være 0 og 1. Når høy level er betegnet med én, og lav med null - denne logikken kalles positiv, ellers negativ.

Et digitalt signal kan representeres som et tidsdiagram.

I naturen eksisterer ikke diskrete signaler, så de erstattes av analoge. Et analogt signal kan ikke gå fra 0 til 1 umiddelbart, så et slikt signal har en forkant og en fallende flanke.
Hvis du tegner det på en forenklet måte, ser det slik ut:

1 - lavt signalnivå, 2 - høyt signalnivå, 3 - signalstigning (kant), 4 - signalfall (kutt)

Signaler kan konverteres. Til dette formålet brukes i praksis logiske elementer, og for å skrive ned dette formelt brukes logiske funksjoner. Her er de viktigste:

Negasjon - inverterer signalet.
På diagrammene er det angitt som følger:

Logisk ELLER (logisk addisjon, disjunksjon)

På diagrammet:

Logisk OG (logisk multiplikasjon, konjunksjon)

På diagrammet:

De to siste kan ha negativ utgang (NAND, NOR). Verdiene til deres logiske funksjoner er invertert, og utgangen tegnes som en sirkel i diagrammet.

En oppsummeringstabell over logiske funksjoner av to argumenter ser slik ut:

Arbeid med logiske funksjoner er basert på lovene i logisk algebra, hvor det grunnleggende er skissert i den vedlagte filen. Det er også oppgaver for egenkontroll og Kontrollspørsmål om dette emnet.

Designe logiske kretser ved å bruke logiske algebrafunksjoner

Logisk krets er et sett med logiske elektroniske elementer koblet til hverandre på en slik måte at en gitt lov for kretsens operasjon er oppfylt, med andre ord, en gitt logisk funksjon utføres.
Basert på avhengigheten av utgangssignalet på inngangssignalet, kan alle elektroniske logiske kretser deles inn i:

Ordninger av den første typen, dvs. kombinasjonskretser, hvis utgangssignal bare avhenger av tilstanden til inngangssignalene i hvert øyeblikk;

Ordninger av den andre typen eller akkumulerende kretser(opplegg sekvensiell), som inneholder akkumulerende kretser ( elementer med minne), hvis utgangssignal avhenger både av inngangssignalene og av tilstanden til kretsen ved tidligere tider.

Avhengig av antall innganger og utganger kan kretser være: med én inngang og én utgang, med flere innganger og én utgang, med én inngang og flere utganger, med flere innganger og utganger.

I henhold til metoden for synkronisering er ordninger delt inn i med ekstern synkronisering (synkrone maskiner), med intern synkronisering(asynkrone automater er deres spesielle tilfelle).

Nesten enhver datamaskin består av en kombinasjon av kretser av den første og andre typen med varierende kompleksitet. Derfor er grunnlaget for enhver digital maskin som behandler digital informasjon elektroniske elementer av to typer: hjernetrim eller kombinasjon Og memorering. Logiske elementer utfører det enkleste logiske operasjoner over digital informasjon, og lagringsenheter tjener til å lagre den. Som du vet, består en logisk operasjon av å konvertere digital informasjon til utdata i henhold til visse regler.

Vi kan anta at elementære logiske funksjoner er logiske operatorer de nevnte elektroniske elementene, dvs. ordninger Hvert slikt opplegg er indikert med et spesifikt grafisk symbol. (De ble presentert ovenfor - Elementer OG, ELLER, IKKE, NOR-NOT, AND-NOT)

Som et eksempel, nedenfor er et elektrisk funksjonsdiagram av en logisk omformer (kombinasjonsmaskin) som implementerer en logisk funksjon i et elementært grunnlag av logiske elementer OG, ELLER, IKKE.

For å konsolidere foreslår jeg å uavhengig syntetisere en logisk krets som implementerer følgende logiske funksjoner:

Dette kan for eksempel gjøres i Elektronisk arbeidsbenk.

Her er et eksempel på den første fullførte oppgaven:

Vi vil begynne studiet av de grunnleggende elementene i digital elektronikk med de enkleste, og deretter vil vi vurdere flere og mer komplekse. Eksempler på bruken av hvert neste element vil være basert på alle elementene diskutert tidligere. På denne måten vil hovedprinsippene for å konstruere ganske komplekse digitale enheter gradvis bli gitt.

Logiske elementer (eller, som de også kalles, porter) er de enkleste digitale mikrokretsene. Det er denne enkelheten som skiller dem fra andre mikrokretser. Som regel kan en mikrokretspakke inneholde fra ett til seks identiske logiske elementer. Noen ganger kan forskjellige logiske elementer være plassert i samme pakke.

Vanligvis har hvert logikkelement flere innganger (fra én til tolv) og én utgang. I dette tilfellet er forbindelsen mellom utgangssignalet og inngangssignalene (sannhetstabellen) ekstremt enkel. Hver kombinasjon av elementinngangssignaler tilsvarer et null eller ett nivå ved utgangen. Logiske elementer har ikke noe internt minne, så de tilhører gruppen av såkalte kombinasjonskretser. Men i motsetning til de mer komplekse kombinasjonskretsene som diskuteres i neste forelesning, har logiske porter innganger som ikke kan deles inn i grupper som er forskjellige i funksjonene de utfører.

De viktigste fordelene med logiske elementer, sammenlignet med andre digitale mikrokretser, er deres høye ytelse (korte forsinkelsestider), samt lavt strømforbruk (lavt strømforbruk). Derfor, i tilfeller der den nødvendige funksjonen kan implementeres utelukkende ved hjelp av logiske elementer, er det alltid fornuftig å analysere dette alternativet. Ulempen deres er at det er ganske vanskelig å implementere komplekse funksjoner på grunnlag av dem. Derfor brukes oftest logiske elementer bare som et tillegg til mer komplekse, mer "smarte" mikrokretser. Og enhver utvikler streber vanligvis etter å bruke dem så lite og så sjelden som mulig. Det er til og med en oppfatning at utviklerens dyktighet er omvendt proporsjonal med antall logiske elementer han bruker. Dette er imidlertid ikke alltid sant.

Invertere

Det enkleste logiske elementet er omformeren (logisk element IKKE, "inverter"), allerede nevnt i første forelesning. Omformeren utfører den enkleste logiske funksjonen - inversjon, det vil si å endre inngangssignalnivået til det motsatte. Den har bare én inngang og én utgang. Omformerutgangen kan være av typen 2C eller OK. På ris. 3.1 symboler for omformeren brukt her og i utlandet vises, og i bord 3.1 Sannhetstabellen til omformeren er presentert.

Ris. 3.1. Symboler for omformere: utenlandske (venstre) og innenlandske (høyre)

Det er vanligvis seks invertere i en brikkepakke. Hjemmebetegnelsen for invertermikrokretser er "LN". Eksempler: KR1533LN1 (SN74ALS04) - seks omformere med 2C-utgang, KR1533LN2 (SN74ALS05) - seks omformere med OK-utgang. Det finnes også omformere med OK utgang og med økt utgangsstrøm (LN4), samt med økt utgangsspenning (LN3, LN5). For omformere med OK-utgang må utgangsmotstanden være aktivert. Minimumsverdien kan beregnes veldig enkelt: R< U/I OL , где U - напряжение питания, к которому подключается резистор. Обычно величина резистора выбирается порядка сотен Ом - единиц кОм.

De to hovedapplikasjonene til omformere er reversering av signalpolaritet og reversering av signalkant. (Fig. 3.2). Det vil si at fra et positivt inngangssignal lager omformeren et negativt utgangssignal og omvendt, og fra en positiv kant på inngangssignalet en negativ kant på utgangssignalet og omvendt. En annen viktig anvendelse av en omformer er signalbuffring (med inversjon), det vil si å øke belastningskapasiteten til signalet. Dette kan være nødvendig når et signal må tilføres mange innganger, men utgangsstrømmen til signalkilden er utilstrekkelig.

Ris. 3.2. Signalpolaritetsinversjon og signalkantinversjon

Det er omformeren, som det enkleste elementet, som brukes oftere enn andre elementer i ikke-standard inneslutninger. For eksempel er omformere ofte brukt i firkantbølgegeneratorkretser (Fig. 3.3), hvis utgangssignal periodisk endres fra null til enhet og tilbake. Alle de ovennevnte kretsene, bortsett fra krets d, er laget på K155LN1-elementer, men kan også implementeres på omformere av andre serier med en tilsvarende endring i motstandsverdier. For eksempel, for K555-serien, er motstandsverdiene omtrent tredoblet. Krets d er laget med KR531LN1-elementer, siden den krever høyhastighetsomformere.

Ris. 3.3. Kretser av pulsgeneratorer på omformere

Kretsene a, b og c er konvensjonelle RC-oscillatorer, hvis egenskaper (utgangsfrekvens, pulsvarighet) bare kan beregnes tilnærmet. For kretsene a og b, med de indikerte verdiene til motstanden og kondensatoren, vil generasjonsfrekvensen være omtrent 100 kHz, for krets c - omtrent 1 MHz. Disse kretsene anbefales kun å brukes i tilfeller der frekvensen ikke er for viktig, men selve generasjonen er viktig. Hvis den nøyaktige verdien av frekvensen er viktig, anbefales det å bruke kretsene d og d, der frekvensen til utgangssignalet bare bestemmes av egenskapene til kvartsresonatoren. Krets d brukes for en kvartsresonator som opererer ved den første (grunnleggende) harmoniske. Kapasitetsverdien kan estimeres ved hjelp av formelen:

hvor F er generasjonsfrekvensen. Krets d brukes for harmoniske kvartsresonatorer, som opererer med en frekvens høyere enn den grunnleggende med 3, 5, 7 ganger (dette er noen ganger nødvendig for generasjonsfrekvenser over 20 MHz).

Ris. 3.4. Bruke omformere til å forsinke signal

Invertere brukes også i tilfeller der det er nødvendig å oppnå en signalforsinkelse, om enn ubetydelig (fra 5 til 100 ns). For å oppnå en slik forsinkelse slås det nødvendige antall omformere på i serie ( ris. 3.4, ovenfor). Den totale forsinkelsestiden, for eksempel for fire omformere, kan estimeres ved hjelp av formelen

tЗ = 2t PHL + 2t PLH

Riktignok må vi ta i betraktning at vanligvis viser de reelle forsinkelsene til elementene seg å være betydelig lavere (noen ganger til og med halvparten) enn de tabellerte parameterne t PHL og t PLH. Det er ca eksakt verdi Det er ikke nødvendig å snakke om den resulterende forsinkelsen, den kan bare estimeres omtrentlig.

Kondensatorer brukes også til å forsinke signalet (Fig. 3.4, nedenfor). I dette tilfellet oppstår forsinkelsen på grunn av langsom ladning og utladning av kondensatoren (spenning over kondensatoren - UC). Kretsen uten motstand (til venstre i figuren) gir en forsinkelse på ca. 100 ns. I en krets med en motstand (til høyre i figuren) skal motstandsverdien være i størrelsesorden hundrevis av ohm. Men når man velger slike kretser med kondensatorer, må man ta hensyn til at noen serier av mikrokretser (for eksempel KR1533) ikke fungerer godt med langvarige fronter av inngangssignaler. I tillegg må det tas i betraktning at antall tidskondensatorer i kretsen er omvendt proporsjonal med ferdighetsnivået til kretsdesigneren.

Til slutt, en annen anvendelse av omformere, men bare med en OK utgang, er å bygge på deres såkalte "Wired OR"-elementer. For å gjøre dette kombineres utgangene til flere omformere med OK-utganger og kobles til strømkilden gjennom en motstand (Fig. 3.5). Utgangen til kretsen er den kombinerte utgangen til alle elementene. Denne designen utfører den logiske OR-NOT-funksjonen, det vil si at utgangen vil ha et logisk ett-signal bare hvis alle innganger er null. Men logiske funksjoner vil bli diskutert mer detaljert senere.

Ris. 3.5. Kombinere omformerutganger med OK for NOR-funksjonen

Avslutningsvis av avsnittet skal det bemerkes at signalinversjon også brukes inne i mer komplekse logiske elementer, så vel som inne i digitale mikrokretser som utfører komplekse funksjoner.

Repeatere og buffere

Repeatere og buffere skiller seg fra invertere først og fremst ved at de ikke inverterer signalet (selv om inverterende buffere også finnes). Hvorfor trengs de da? For det første utfører de funksjonen med å øke belastningskapasiteten til signalet, det vil si at de lar ett signal leveres til mange innganger. Til dette er det buffere med økt utgangsstrøm og 2C-utgang, for eksempel LP16 (seks bufferrepeatere). For det andre har de fleste buffere en OK- eller 3C-utgang, som gjør at de kan brukes til å motta toveis linjer eller multiplekse signaler. La oss forklare disse begrepene mer detaljert.

Ris. 3.6. Toveis linje

Toveis linjer er de linjene (trådene) som signaler kan bevege seg gjennom i to motsatte retninger. I motsetning til ensrettede linjer, som går fra én utgang til én eller flere innganger, kan en toveis linje koble til flere utganger og flere innganger samtidig (Fig. 3.6). Det er klart at toveislinjer kun kan organiseres på grunnlag av OK eller 3C utganger. Derfor har nesten alle buffere akkurat disse utgangene.

Ris. 3.7. Enveis multiplekset linje basert på buffere

Multipleksing er overføring av forskjellige signaler over de samme linjene til forskjellige tider. Hovedformålet med multipleksing er å redusere det totale antallet trunker. En toveis linje er nødvendigvis multiplekset, og en multiplekset linje kan være enten ensrettet eller toveis. Men i alle fall er flere utganger koblet til den, hvorav kun én er i aktiv tilstand til enhver tid. De resterende utgangene er slått av på dette tidspunktet (overført til passiv tilstand). I motsetning til en toveis linje, kan kun én inngang kobles til en multiplekset linje bygget på grunnlag av buffere, men flere utganger med OK eller 3C må kobles til (Fig. 3.7). Multipleksede linjer kan bygges ikke bare på buffere, men også på multiplekserbrikker, som vil bli diskutert i forelesninger 5, 6.

Ris. 3.8. Kombinerer bufferutganger med OK

Et eksempel på buffere med OK-utgang er LP17-brikken (seks OK-buffere). Nøyaktig det samme som ved omformere med OK (se fig. 3.5), kan utgangene fra flere buffere med OK kombineres for å oppnå "Redigering OG"-funksjonen, det vil si at utgangen vil ha et logisk ett-signal bare når alle innganger er en (Fig. 3.8). Det vil si at et OG-element med flere innganger er implementert.

Buffere med 3C-utgang er representert av et mye større antall mikrokretser, for eksempel LP8, LP11, AP5, AP6, AP14. Disse bufferne har nødvendigvis en kontrollinngang EZ (eller OE), som gjør utgangene til en tredje, passiv tilstand. Som regel tilsvarer den tredje tilstanden en ener ved denne inngangen, og den aktive tilstanden til utgangene tilsvarer null, det vil si at EZ-signalet har en negativ polaritet.

Buffere kan være ensrettet eller toveis, med eller uten signalinversjon, med kontroll av alle utganger samtidig eller med kontroll av grupper av utganger. Alt dette bestemmer det store utvalget av bufferbrikker.

Tabell 3.2. Buffer sannhetstabell uten inversjon
Inngang		Exit

Den enkleste enveisbufferen uten inversjon er LP8-brikken (fire buffere med 3C-utganger og separat kontroll). Hver av de fire bufferne har sin egen EZ-oppløsningsinngang. Buffersannhetstabellen er veldig enkel (Tabell 3.2): når det er et nullsignal ved kontrollinngangen, gjentar utgangen inngangen, og når det er et enkelt signal, er utgangen deaktivert. Denne mikrokretsen er praktisk å bruke for å behandle enkeltsignaler, det vil si for å gjenta et inngangssignal med muligheten til å slå av utgangen.

Ris. 3.9. Bruke en 3C buffer som buffer med OK

De samme bufferne er noen ganger praktiske å bruke for å erstatte buffere med OK utgang (Fig. 3.9). I dette tilfellet fungerer kontrollinngangen som en informasjonsinngang. Med en null ved inngangen får vi en null ved utgangen, og med en ener ved inngangen får vi en tredje tilstand ved utgangen.

Ris. 3.10. Multipleksing av to inngangskoder ved hjelp av buffere med 3C

Svært ofte er det nødvendig å behandle ikke enkeltsignaler, men grupper av signaler, for eksempel signaler som overfører flerbitskoder. I dette tilfellet er det praktisk å bruke buffere med gruppekontroll, det vil si å ha én EZ-tillatelsesinngang for flere utganger. Eksempler er LP11 mikrokretser (seks buffere, delt inn i to grupper: fire og to buffere, som hver har sin egen kontrollinngang) og AP5 (åtte buffere, delt inn i to grupper på fire buffere, som hver har sin egen kontrollinngang ).

På ris. 3.10 viser et eksempel på multipleksing av to åtte-bits koder ved bruk av to AP5-mikrokretser. Utgangene med samme navn til begge mikrokretsene er kombinert med hverandre. Passasjen av hver av de to inngangskodene til utgangen tillates av sitt eget styresignal (eks. 1 og eks. 2), og samtidig ankomst av disse to signalene må utelukkes slik at det ikke oppstår konflikter ved utgangene.

Ris. 3.11. Aktiver toveis buffer

Toveis buffere, i motsetning til enveis buffere, lar signaler overføres i begge retninger. Avhengig av det spesielle styresignalet T (en annen betegnelse er BD), kan innganger bli utganger og omvendt: utganger kan bli innganger. Det er også en tredje tilstandskontrollinngang EZ, som kan deaktivere både innganger og utganger.

På ris. 3.11 Som et eksempel vises en toveis buffer AP6, som kan overføre data mellom to toveis busser A og B i begge retninger. På et enkelt nivå på styreinngangen T (volt.signal) overføres data fra buss A til buss B, og på nullnivå - fra buss B til buss A (Tabell 3.3). Et enkelt nivå ved kontrollinngangen EZ (Av-signal) kobler mikrokretsen fra begge bussene.

Tabell 3.3. Toveis buffer sannhetstabell
Inngang T	Logg inn-EZ	Operasjon

Toveis overføring kan også organiseres basert på enveis buffere. På ris. 3.12 det er vist hvordan dette kan gjøres på to AP5 mikrokretser. Her med nullsignal Styring. 1 informasjon vil bli overført fra buss A til buss B, og med et nullsignal på kontrollinngangen. 2 - fra buss B til buss A. Hvis begge innganger Styr. 1 og eks. 2 er i enkelttilstand, så kobles bussene A og B fra hverandre, og tilførselen av nuller til begge inngangene til styringen. 1 og eks. 2 må utelukkes, ellers vil tilstanden til både buss A og B være udefinert.

Ris. 3.12. Organisering av toveis overføring ved hjelp av enveis buffere

Buffermikrokretser i innenlandske serier har forskjellige betegnelser: LN, LP, AP, IP, noe som noen ganger gjør valget vanskelig. For eksempel LN6, LP8, LP11, AP5, AP6, IP5, IP6. Buffere med bokstavene LN har inversjon, buffere AP og IP kan være med eller uten inversjon. Alle parametere til buffere er ganske like, forskjellen er i inversjonen, antall biter og kontrollsignaler.

Tidsparametrene til bufferene inkluderer, i tillegg til signalforsinkelsen fra informasjonsinngangen til informasjonsutgangen, også forsinkelsene i overgangen til utgangen til den tredje tilstanden og fra den tredje tilstanden til den aktive tilstanden (t PHZ, t PLZ og t PZH, t PZL). Størrelsen på disse forsinkelsene er vanligvis omtrent dobbelt så store som forsinkelsene mellom inndata og utdata.

Den omskiftbare utgangen til bufferne (både OK og 3C) krever bruk av belastningsmotstander. Ellers blir inngangen koblet til den frakoblede utgangen suspendert, som et resultat av at kretsen kan fungere ustabilt og svikte. Motstanden tilkobles ved OK utgang (pull-up) på standard måte (se fig. 3.8). På samme måte kan en motstand kobles mellom 3C-utgangen og forsyningsspenningen (Fig. 3.13), så når utgangen er deaktivert, vil inngangen motta et logisk ett-nivå. Du kan imidlertid også slå på en motstand mellom utgang og jord, så når utgangen er slått av vil et logisk nullsignal sendes til inngangen. Inkludering av to motstander (resistiv deler) brukes også, mens verdien av den øvre motstanden (koblet til strømbussen) vanligvis velges 2-3 ganger mindre enn den nedre motstanden (koblet til jord), og verdien av parallellkoblede to motstander velges lik ca. 100 ohm. For eksempel kan motstander ha verdier på 240 ohm og 120 ohm, 360 ohm og 130 ohm. En deaktivert utgang oppfattes som i dette tilfellet koblet til den med en inngang som en enhet.

Ris. 3.13. Aktiverer motstander ved utgangen av 3C-buffere

Noen ganger er motstander ikke koblet til 3C-utgangene i det hele tatt, men i dette tilfellet er det nødvendig å sikre at den påfølgende inngangen mottar signalet fra 3C-utgangen (det vil si reagerer på den) bare når utgangen er i aktiv tilstand. Ellers er funksjonsfeil og feil i driften av enheten mulig.

Ris. 3.14. Bruke buffere for visning

En annen typisk applikasjon buffere, assosiert med deres store utgangsstrømmer, er en LED-indikasjon. Lysdioder kan kobles til utgangen av buffere på to hovedmåter (Fig. 3.14). I den første av dem (til venstre i figuren) lyser LED-en når det er et 3C eller 2C logisk ett-signal ved utgangen, og i det andre (til høyre i figuren) - når det er et logisk nullsignal på OK-utgangen. Motstandsverdien velges basert på egenskapene til LED-en, men er vanligvis omtrent 1 kOhm.

Elementer OG, OG-IKKE, ELLER, NOR-IKKE

Det neste trinnet mot å øke kompleksiteten til digitale elektronikkkomponenter er elementer som utfører enkle logiske funksjoner. Felles for alle disse elementene er at de har flere lik innganger (fra 2 til 12) og én utgang, hvor signalet bestemmes av en kombinasjon av inngangssignaler.

De vanligste logiske funksjonene er AND (i den hjemlige notasjonen - LI), AND-NOT (betegnet med LA), OR (betegnet med LL) og NOR-NOT (betegnet med LL). Tilstedeværelsen av ordet NOT i elementnavnet betyr bare én ting - innebygd signalinversjon. Følgende forkortelser brukes i det internasjonale notasjonssystemet: AND - AND-funksjon, NAND - AND-NOT-funksjon, OR - OR-funksjon, NOR - OR-NOT-funksjon.

Navnene på OG- og ELLER-funksjonene i seg selv indikerer tilstanden som utgangssignalet vises under ved inngangene. Det er viktig å huske at i dette tilfellet snakker vi om positiv logikk, om positive, enkeltsignaler ved inngangene og utgangene.

OG-elementet genererer en ener ved utgangen hvis og bare hvis det er ener ved alle inngangene (den første, den andre, den tredje osv.). Hvis vi snakker om et OG-IKKE-element, dannes en null ved utgangen, når alle innganger har enere (Tabell 3.4). Tallet før funksjonsnavnet indikerer antall elementinnganger. For eksempel er 8AND-NOT en OG-port med åtte innganger med inversjon ved utgangen.

Tabell 3.4. Sannhetstabell over to-input-elementer AND, NAND, OR, NOR
Inngang 1	Inngang 2	Avslutt og	NAND-utgang	Utgang ELLER	NOR-utgang

OR-elementet genererer null ved utgangen hvis og bare hvis alle innganger er null. OR-NOT-elementet gir en null utgang hvis minst en av inngangene har en ( bord 3.4). Eksempel på betegnelse: 4OR-NOT - fire-inngang ELLER element med inversjon ved utgangen.

Ris. 3.15. Betegnelser på elementer OG, OG-NOT, OR, OR-NOT: utenlandsk (venstre) og innenlandsk (høyre)

Innenlandske og utenlandske betegnelser på diagrammene for to-inngangselementer OG, OG-NOT, OR, NOR-NOT er vist i ris. 3.15. Alle disse elementene kommer med utganger av type 2C, OK og 3C. I sistnevnte tilfelle må det være en aktiveringsinngang –EZ.

Det er ikke vanskelig å legge merke til (se tabell 3.4), at i tilfelle av negativ logikk, med null inngangs- og utgangssignaler, utfører OG-elementet ELLER-funksjonen, det vil si at utgangen vil være null hvis minst en av inngangene er null. Og OR-elementet med negativ logikk utfører OG-funksjonen, det vil si at utgangen vil være null bare når alle innganger inneholder nuller. Og siden i det virkelige liv elektroniske enheter Siden signaler kan ha en hvilken som helst polaritet (både positive og negative), må du alltid velge den nødvendige i hver konkret tilfelle element. Det er spesielt viktig å huske dette når flere ulike logiske elementer med og uten inversjon er koblet i serie for å få en kompleks funksjon.

Derfor er det ikke alltid praktisk for utvikleren å bruke elementene AND, AND-NOT, OR, OR-NOT nøyaktig for å utføre de logiske funksjonene som er angitt i navnet deres. Noen ganger er det mer praktisk å bruke dem som tillat/avslå eller miks/match-elementer. Men først vil vi vurdere tilfeller av implementering av logiske funksjoner på disse elementene.

På ris. 3.16 eksempler på dannelse av utgangssignaler av elementer basert på de nødvendige tidsdiagrammer for inngangs- og utgangssignaler er gitt. I tilfelle a skal utgangssignalet være lik en med to enkle inngangssignaler er derfor 2I-elementet tilstrekkelig. I tilfelle b skal utgangssignalet være lik null, når minst ett av inngangssignalene er lik ett, er det derfor nødvendig med et 2ELLER-IKKE element. Til slutt, i tilfelle B, må utgangssignalet være lik null når et enkelt inngangssignal kommer samtidig. 1, nullsignal inn. 2 og enkeltsignal inn. 3. Følgelig kreves et 3I-NOT-element, og signalet er In. 2 må først snus.

Ris. 3.16. Eksempler på bruk av AND- og OR-elementer

Hvilke som helst av de logiske elementene i gruppen som vurderes kan betraktes som en kontrollert sender av inngangssignalet (med eller uten inversjon).

For eksempel, når det gjelder 2I-NOT-elementet, kan en av inngangene betraktes som informativ, og den andre - kontroll. I dette tilfellet, når kontrollinngangen er én, vil utgangssignalet være lik det inverterte inngangssignalet, og når kontrollinngangen er null, vil utgangssignalet være konstant lik én, det vil si passasjen av inngangssignalet vil bli forbudt. 2I-NOT-elementer med OK-utgang brukes ofte nøyaktig som kontrollerte buffere for drift på en multiplekset eller toveis linje.

På samme måte kan AND, OR, OR-NOT-elementer brukes som et tillatelses-/forbudselement (Fig. 3.17). Forskjellen mellom elementene består bare i polariteten til kontrollsignalet, i inversjonen (eller fraværet av det) av inngangssignalet, samt i nivået på utgangssignalet (null eller én) når inngangssignalet passerer. er forbudt.

Ris. 3.17. Aktivering/forbud mot passasje av signaler på AND, AND-NOT, OR, NOR-NOT-elementer

Ris. 3.18. Utseendet til en ekstra kant når inngangssignalet er deaktivert

Ved bruk av aktivere/deaktivere elementer kan det oppstå ytterligere problemer når signalet fra elementets utgang går til en inngang som reagerer på kanten av signalet. I overgangsøyeblikket fra aktiveringstilstanden til forbudstilstanden og fra forbudstilstanden til aktiveringstilstanden, kan det vises en ekstra flanke i utgangssignalet, som på ingen måte er forbundet med inngangssignalet (fig. 3.18). For å forhindre at dette skjer, må du følge følgende enkel regel: Hvis inngangen reagerer på en positiv flanke, må utgangen til elementet i inhibertilstanden være null, og omvendt.

Noen ganger er det nødvendig å implementere en funksjon for å blande to signaler med en eller annen polaritet. Det vil si at utgangssignalet må genereres både når ett inngangssignal kommer og når et annet inngangssignal kommer. Hvis begge inngangssignalene er positive og utgangssignalet er positivt, så har vi en ren ELLER-funksjon, og det kreves et 2OR-element. Men med negative inngangssignaler og et negativt utgangssignal, vil et 2I-element være nødvendig for samme blanding. Og hvis polariteten til inngangssignalene ikke faller sammen med den ønskede polariteten til utgangssignalet, er det nødvendig med elementer med inversjon (AND-NOT for positive utgangssignaler og NOR-NOT for negative utgangssignaler). På ris. 3.19 Blandingsalternativer på forskjellige elementer vises.

Ris. 3.19. Implementering av blanding av to signaler

Til slutt er elementene som vurderes AND, AND-NOT, OR, OR-NOT noen ganger praktiske å bruke som matchende kretser for forskjellige signaler. Det vil si at utgangssignalet må genereres når signalene på inngangene faller sammen (ankommer samtidig). Hvis det ikke er samsvar, bør det ikke være noe utgangssignal. På ris. 3.20 Varianter av slike tilfeldighetsskjemaer på fire forskjellige elementer er vist. De er forskjellige i polaritetene til inngangssignalene, så vel som tilstedeværelsen eller fraværet av inversjon av utgangssignalet.

Ris. 3.20. Opplegg for å matche to signaler

La oss vurdere to eksempler på felles bruk av elementene AND, NAND, OR, NOR ( ris. 3.21).

Ris. 3.21. Eksempler deling elementer

Anta at det er nødvendig å blande to signaler, som hver kan aktiveres eller deaktiveres. La polariteten til inngangssignalene og aktiveringssignalene være positive, og utgangssignalet skal være negativt. I dette tilfellet må du ta to AND-porter med to innganger og blande utgangssignalene deres ved å bruke en NOR-port med to innganger (a).

Anta at det er nødvendig å blande to negative signaler og ett positivt signal, og det resulterende signalet kan aktiveres eller deaktiveres. Polariteten til aktiveringssignalet er negativ, polariteten til utgangssignalet er negativ. For å gjøre dette må du ta et AND-element med tre innganger, en omformer for det negative inngangssignalet og et ELLER-element med to innganger (b).

AND, AND-NOT, OR, NOR-NOT elementer kan også brukes som invertere eller repeatere (Fig. 3.22), for hvilke det er nødvendig å kombinere inngangene eller levere et signal med det nødvendige nivået til ubrukte innganger. Den andre er å foretrekke, siden kombinasjon av innganger ikke bare øker inngangsstrømmen, men også reduserer ytelsen til elementene noe.

Ris. 3.22. Invertere og repeatere

Ris. 3.23. Kombinere I-innganger til mikrokretser

OG-funksjonen kombinerer ofte inngangene til mer komplekse mikrokretser. Med andre ord, noen funksjoner utføres bare når alle innganger kombinert med OG mottar signaler med den nødvendige polariteten. Oftest kombineres inngangene for valg av CS-brikken og kontrollinngangene for den tredje tilstanden til utgangen til EZ-brikken ved å bruke OG. På ris. 3.23 det vises tre eksempler på en slik OG-kombinasjon Det må tas i betraktning at for å utføre funksjonen må det mottas nullsignaler på de inverse inngangene, og enkeltsignaler må mottas på de direkte inngangene. Eksempler inkluderer mikrokretser KR556RT4, KR556RT5, KR1533AP14, KR1533AP15.

Inntil nå, med tanke på elementene AND, NAND, OR, NOR, har vi ikke gått utover det første representasjonsnivået (logisk modell). Dette er ganske akseptabelt i tilfelle når inngangssignalene til elementene ikke endres samtidig eller nesten samtidig, når frontene deres er betydelig adskilt i tid (mer enn forsinkelsestiden til elementet). Med samtidige endringer i inngangssignaler vil alt være mye mer komplisert; det er nødvendig å involvere et andre og noen ganger tredje nivå av representasjon. Når inngangssignalene endres, blir utgangssignalet usikkert, ustabilt og uforutsigbart. Som et resultat, hvis designet er feil, kan det hende at en hel kompleks krets, en hel enhet eller til og med et stort system ikke fungerer.

La oss for eksempel ta et 2AND-NOT logisk element. La signaler komme til inngangene som endres samtidig, og i motfase, det vil si at en bytter fra null til en, og den andre fra en til null. Anta at av en eller annen grunn (på grunn av overføring over ledninger, på grunn av ulike forsinkelser av elementer osv.) har ett av signalene forskjøvet seg litt i tid i forhold til det andre (Fig. 3.24). I dette tilfellet vil to enkeltsignaler være tilstede ved to innganger i en kort periode. Som et resultat vil utgangen begynne å bytte fra en til null. Den kan ha tid til å bytte, og da vil det dannes en kort impuls. Han har kanskje ikke tid til å bytte, og da blir det ingen impuls. Noen ganger kan den ha tid til å bytte, og noen ganger har den kanskje ikke tid, og da vil utgangspulsen enten vises eller ikke. Alt avhenger av hastigheten til elementet og mengden forsinkelse. Den siste situasjonen er den mest ubehagelige, da den kan forårsake en ustabil feil, som er ekstremt vanskelig å identifisere.

Ris. 3.24. Kort puls ved utgangen til 2I-NOT-elementet

Som et eksempel, la oss ta en av de vanligste applikasjonene av elementene som vurderes AND, AND-NOT, OR, NOR-NOT - kodevalg. Essensen av utvalget kommer ned til følgende. La det være en viss buss som koder overføres gjennom. Det er nødvendig å oppdage utseendet til en spesifikk kode på denne bussen, det vil si å generere et utgangssignal som tilsvarer den nødvendige inngangskoden.

Ris. 3,25. Valg av portkode

Kretsen som utfører denne funksjonen er ganske enkel. (Fig. 3.25). Den er basert på AND-NOT-elementer med flere innganger. I dette tilfellet mates signalene som tilsvarer bitene i koden, som skal inneholde enere, direkte til inngangene til NAND-elementene. Og signalene som tilsvarer bitene i koden, som skal inneholde nuller, leveres til inngangene til NAND-elementene gjennom omformere. Utgangssignalene til NAND-portene kombineres ved bruk av NOR-porten. Som et resultat genereres ut-signalet ved utgangen til OR-NOT-elementet. 1 i øyeblikket når den nødvendige koden er til stede ved inngangen.

Synkronisering vil bli diskutert mer detaljert i de følgende forelesningene.

Imidlertid er det tilfeller når den spesifiserte funksjonen til OG, OG-NOT, OR, NOR-NOT-elementer for å generere korte pulser ved endring av inngangssignaler viser seg å være veldig nyttig. For eksempel må vi generere en kort puls på den positive eller negative kanten av et eksisterende signal. Deretter inverteres dette signalet, spesielt forsinket ved hjelp av en kjede av elementer eller kapasitans, og det originale signalet og det forsinkede signalet leveres til inngangene til elementet (Fig. 3.26).

Ris. 3,26. Korte pulsgeneratorer langs kanten av inngangssignalet

En puls på den positive kanten av inngangssignalet dannes på 2I- eller 2I-NOT-elementet (a), og en puls på den negative kanten av inngangssignalet genereres på 2OR- eller 2OR-NOT-elementet (b). Hvis elementet er med inversjon, vil utgangspulsen være negativ, hvis uten inversjon, så positiv. Med kapasitansverdien angitt i diagrammene, er pulsvarigheten ca. 50 ns. For å øke pulsvarigheten, er det nødvendig å øke kapasitansverdien eller antall omformere i forsinkelseskretsen (i dette tilfellet må antallet omformere være oddetall).

Den russiske føderasjonens departement

Tomsk polytekniske universitet

__________________________________________________________________

E.L. Sobakin

DIGITAL kretsteknikk

Opplæringen

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Digitale kretser. Lærebok godtgjørelse. Del I Tomsk: Forlag. TPU, 2002. - 160 s.

Håndboken skisserer hovedproblemstillingene ved forelesningskurset for studenter med spesialitet 210100 Ledelse og informatikk i tekniske systemer. Manualen er utarbeidet ved Institutt for automatisering og datasystemer TPU, tilsvarer læreplanen for disiplinen og er beregnet på studenter ved Institutt for fjernundervisning.

Publisert i henhold til resolusjonen fra redaksjons- og publiseringsrådet ved Tomsk Polytechnic University

Anmeldere:

V.M. Dmitriev professor, doktor i tekniske vitenskaper, leder av Institutt for teoretiske grunnlag for elektroteknikk, Tomsk University of Control Systems and Radioelectronics;

S.I. Korolev direktør for NPO Spetstekhauditservis LLP,

Kandidat for tekniske vitenskaper, seniorforsker.

Templan 2002

Tomsk polytekniske universitet, 2002

Introduksjon

Denne læreboken er beregnet på studenter i høyere utdanning utdanningsinstitusjoner studenter som studerer i spesialitet 210100 "Informatikk og ledelse i tekniske systemer". Den er satt sammen på grunnlag av et forelesningskurs gitt av forfatteren ved Tomsk Polytechnic University over en årrekke, og er viet en systematisk presentasjon av metoder for formalisert konstruksjon av digitale teknologiske enheter på mye brukte mikrokretser.

Disiplinen "Digital Circuit Engineering" bør betraktes som en fortsettelse av emnet "Elektronikk", som studentene må mestre først, da det kreves kunnskap. elementbase analoge elektroniske enheter.

De fleste moderne automatiseringssystemer, datasystemer, informasjonsoverføring og prosesseringssystemer utføres på digitale enheter, enten helt eller delvis. Derfor kunnskap om prinsippene for bruk av digitale enheter og byggesystemer basert på dem til ulike formål har aktuell betydning og stor praktisk verdi både i ingeniørvirksomhet og i forskning av metodisk karakter.

Materialet i manualen kan grovt deles inn i tre deler: 1) Grunnleggende om mikroelektronikk; 2) Kombinasjonsenheter av digital teknologi; 3) Sekvensielle logiske enheter av digital teknologi.

Når du begynner å mestre kurset, bør du studere materialet i den rekkefølgen de spesifiserte delene er oppført i, siden etterfølgende materiale er basert på kunnskap om det forrige, og endring av sekvensen kan føre til vanskeligheter med å mestre det. Dette forverres ytterligere av det faktum at i andre lærebøker og spesiell faglitteratur brukes ulike termer og konsepter for å forklare de samme fenomenene, prosessene, transformasjonene utført, etc. Forskjellen i begrepene som brukes eller deres feil fører til en misforståelse av essensen av materialet som presenteres, og som en konsekvens vanskeligheter med å assimilere det.

De to første av disse delene er inkludert i den første delen av denne håndboken (del 1). En egen manual er viet den tredje delen.

I 1.Bruk av digitale enheter

For tiden, i forbindelse med etableringen og utbredt introduksjon av mikroprosessorenheter og systemer i ingeniørpraksis, interesse for digitale metoder behandling og overføring av informasjon. Disse metodene gir på sin side systemene en rekke positive egenskaper og kvaliteter. Troligheten til overført informasjon øker, høy hastighet og produktivitet til informasjonsbehandlingssystemer oppnås, deres akseptable kostnader, høy pålitelighet, lavt energiforbruk, etc. er sikret.

Problemene som løses av disse systemene er svært forskjellige og forhåndsbestemmer funksjonene til enhetene som danner et spesifikt system. Derfor er det tilrådelig å vurdere enheter og deres funksjoner i lys av de oppgavene som løses av systemer, og spesielt de underoppgavene som utføres av individuelle enheter eller blokker.

Hoved typiske oppgaver som oppstår under automatisk eller automatisert styring og kontroll av produksjon eller andre prosesser er:

samling informasjon (motta den);

transformasjon informasjon (skalering, normalisering, filtrering, koding, etc.);

overføring-mottak informasjon;

bearbeiding og bruk informasjon;

Oppbevaring informasjon.

Avhengig av tiltenkt formål og hovedfunksjoner, er det:

Automatiske (eller automatiserte) kontroll- og overvåkingssystemer.

Informasjonsoverføringssystemer.

Informasjonsbehandlingssystemer (datasystemer).

For å forstå forholdet mellom disse oppgavene, stedet og rollen til elektroniske digitale enheter som brukes i disse systemene, la oss vurdere de generaliserte strukturelle diagrammene til disse systemene og det funksjonelle formålet med komponentene deres.

B1.1. Automatiske kontrollsystemer

Få til betyr å kjenne tilstanden (posisjonen) til det kontrollerte objektet og i samsvar med en gitt algoritme ( kontrollalgoritme) påvirke objektet, prøver å eliminere nye avvik.

Derfor er kontroll i det generelle tilfellet forbundet med følgende handlinger:

innhente informasjon om tilstanden til objektet;

sammenligning av den mottatte informasjonen med gitt informasjon om tilstanden til objektet;

generering av kontrollsignaler (påvirkninger);

å påvirke et objekt for å bringe det i den nødvendige tilstanden.

I samsvar med de oppførte handlingene, bør det automatiske kontrollsystemet (ACS) i det generelle tilfellet inkludere en informasjonsmålingsenhet, en kontrollenhet og en aktuator (fig. B1).

Informasjon og måleapparat (AIU) mottar informasjon om kontrollobjektet (OU) og forhåndsbehandler det. Innhenting av informasjon består i å generere primære signaler, hvis verdier er proporsjonale med verdiene til parametere som karakteriserer tilstanden til op-ampen. Et objekt kan forstås som enten en separat produksjonsenhet eller produksjonsprosessen som helhet. Og under parametrene er "utgangskoordinatene" til objektet. Dette kan for eksempel være verdier for temperatur, trykk, material- eller energiforbruk og lignende. Siden de fleste av disse koordinatparametrene er presentert i analog form og er preget av et uendelig sett med verdier, må signalene normaliseres av deres parametere, skaleres og ha en enhetlig form.

Derfor må IMU ha primære måletransdusere og sensorer, analog-til-digital omformere og andre funksjonelle enheter ved hjelp av hvilke følgende transformasjoner utføres:

verdier av fysiske mengder til enhetlige analoge signaler med likestrøm eller vekselstrøm;

skalere eller normalisere signaler etter nivå og form;

konvertering av analoge signaler til diskrete (digitale) signaler;

signalkoding og noen andre transformasjoner.

Signaler om gjeldende koordinatverdier sendes til kontrollenhet (UU). Funksjonene til denne enheten inkluderer å sammenligne gjeldende verdier med spesifiserte koordinatverdier og generere kontrollsignaler (kontrollsignaler) basert på resultatene av sammenligningen. De angitte verdiene kan legges inn av en menneskelig operatør eller automatisk av programvare. I det første tilfellet, en automatisk regulator eller flere automatiske regulatorer, hvis innstillinger bestemmes og angis av en person. I det andre tilfellet er kontrollenheten en mini- eller mikrodatamaskinprogrammaskin, og rollen til den menneskelige operatøren er redusert til å gå inn i programmet og den første oppstarten av systemet.

For å utføre disse funksjonene, må kontrollenheten utføre aritmetiske og logiske operasjoner for å beregne verdier og sammenligne signaler, kortsiktig og langsiktig memorering (lagring) av signaler og generering av enhetlige kontrollsignaler. Sistnevnte inneholder informasjon på grunnlag av hvilke påvirkninger på kontrollobjektet (kontrollhandlinger) som videre dannes, og bringer det til den nødvendige tilstanden.

Den direkte påvirkningen av de nødvendige fysiske naturformene aktuator (IE). Den konverterer styresignaler, for eksempel i form av like- eller pulsstrømspenning, til rotasjonshastigheten til en aktuatormotor, til den mekaniske bevegelsen til en ventil på en dampledning, og så videre. For å utføre disse konverteringene trenger du: digitale til analoge omformere; omformere elektriske signaler til ikke-elektriske; forsterkerutstyr osv. I dette tilfellet kan digitale signalkodeomformere eller signalrepresentasjonsformer være nødvendige som mellomliggende. For eksempel koder av binære tall til et proporsjonalt antall pulser, enfasesignaler til flerfasede, brukt til å kontrollere trinnmotorer, etc.

Under påvirkning av forstyrrende påvirkninger forlater objektet sin normale tilstand (modus), og ACS returnerer den til den nødvendige (normale) driftsmodusen. Kontrollprosessen skjer i sanntid, det vil si med en hastighet bestemt av arten til fysiske prosesser. Hvis kontrollhandlingene er forsinket i tid eller overdreven, kan det oppstå en ustabil driftsmodus for systemet, der koordinatene til objektet kan ta uakseptable verdier og enten selve objektet eller individuelle enheter i systemet vil svikte og en nødmodus vil oppstå. Derfor, i teorien om selvgående våpen hoved- er problemer med å sikre stabilitet og kontrollnøyaktighet.

De fleste av disse transformasjonene kan utføres ved hjelp av digitale mikroelektroniske enheter. En kontrollenhet er helt digital når den er bygget på basis av kontrollmikrodatamaskiner eller på digitale mikrokretser.

På digitale mikrokretser brukes digitale sensorer av fysiske mengder, samt delvis analog-til-digital og digital-til-analog signalomformere.

B1.2. Informasjonsoverføringssystemer (ITS)

Med en økning i avstanden mellom IU og kontrollenheten (fig. B1), samt mellom kontrollenheten og kontrollenheten, problemet oppstår med å overføre informasjon. Behovet for å overføre informasjon over betydelige avstander oppstår ikke bare i romlig utviklede systemer for automatisk kontroll og overvåking, men også i systemer andre typer kommunikasjon(telegraf, telefon, telefaks, etc.). I tillegg oppstår behovet for å overføre informasjon i datasystemer, dataoverføringssystemer, telemekaniske systemer osv. Denne oppgaven kompliseres av det faktum at i prosessen overføringer via kommunikasjonslinjer parametere er forvrengt signaler og dette kan igjen føre til forvrengning av informasjon og en reduksjon i nøyaktigheten (sannsynligheten for korrekt mottak). Forvrengningen av signaler skyldes interferens, oppstår i kommunikasjonslinjer. Interferens er som regel tilfeldig av natur, og parametrene kan ikke avvike fra parametrene til signalene. Derfor er de "i stand til" å forvrenge signaler og til og med "reprodusere" informasjon forvandle overført melding . Den siste mest uønskede hendelsen i overføringen av informasjon.

For å sikre høy kvalitet og maksimal hastighet ( ehfeffektivitet) informasjonsoverføring, ekstra signalkonverteringer og spesielle metoder for overføringen er nødvendig.

Slike transformasjoner inkluderer koding og omvendt prosedyre dekoding av informasjon(og signaler). Koding er prosedyren for å konvertere en melding til et signal. I dette tilfellet utføres transformasjoner i henhold til visse regler som helhet kalt kode.

Koding av informasjon utføres på sendersiden, og dekoding på mottakersiden. Skille støybestandig koding og effektiv. Målstøybestandig koding bygge (sfoRrediger) et signal som er mindre mottakelig for forstyrrelser, gi det en tENen slik struktur slik at feil som oppstår under overføringsprosessen på mottakersiden kan oppdages eller korrigeres. Og dermed sikre høy overføringskvalitet.

Måleffektive koding sikre maksimal hastighetOveksten av informasjonsoverføring, siden verdien i stor grad bestemmes av hvor rettidig den mottas. I henhold til dette kravet må den kodede meldingen ha den nødvendige informasjonsmengden og samtidig ha en minimumslengde slik at overføringen tar et minimum av tid.

Signaler (og informasjon) overføres via kommunikasjonskanaler. Link dette er en bane (bane) for uavhengig overføring av signaler fra kildenhkallenavn til den tilsvarende mottakeren (mottakeren) av informasjon. Kommunikasjonskanaler dannes av tekniske midler av kanaldannende utstyr og er, akkurat som kommunikasjonslinjer, utsatt for forstyrrelser.

En av hovedoppgavene som løses i SPI er oppgaven med å lage det nødvendige antallet kommunikasjonskanaler. Effektiviteten og støyimmuniteten ved overføring bestemmes i stor grad av kommunikasjonskanalene som brukes. Under støyimmunitet refererer til evnen til et system(signal, kode) utføre sine funksjoner riktig i nærvær av forstyrrelser.

Vanligvis kan det samme systemet brukes til å overføre informasjon fra mange kilder til et passende antall mottakere. Derfor er dannelsen av det nødvendige antallet kanaler med nødvendig støyimmunitet tildelt kommunikasjonsenheten. I dette tilfellet kan følgende transformasjoner utføres i kommunikasjonsenheten: modulasjon og demodulasjon signaler; forsterkning av de som sendes inn i linjen og mottas fra linjenOgforskningsinstitutt signal kommunikasjon; begrensning i nivå og frekvensspekter signaler og noen andre.

Avhengig av bruksområdet (applikasjonen) til SPI, er det behov for ytterligere transformasjoner, for eksempel å konvertere formen til signaler, deres fysiske natur, normalisering av parametere for signaler mottatt utenfra og signaler utstedt av systemet til eksterne enheter; midlertidig lagring av signaler som sendes inn i kommunikasjonskanalen og utstedes av systemet.

De oppførte transformasjonene forhåndsbestemmer den funksjonelle sammensetningen av overførings- og mottaksutstyr til informasjonsoverføringssystemer (fig. B2).

Som det fremgår av diagrammet, utføres overføring i én retning fra venstre til høyre. Enheten for input og primær konvertering av informasjon (UIPI) konverterer signaler som kommer fra informasjonskilder til enhetlige "primære" signaler som ikke kan overføres direkte til lange avstander. Vanligvis er disse enhetlige signalene likespenninger med faste nivåer. I UVPI-blokken lagres primærsignaler så lenge overføringen varer (i en bufferminneenhet), hvoretter de slettes fra minnet. En kodingsenhet (CU) konverterer primærsignaler til kodede signaler som har en viss struktur og format, slik at de (signaler) kan overføres over lange avstander ("telesignaler"). Som regel er denne enheten kombinasjonsbasert, selv om den i noen tilfeller også kan gjøres sekvensiell (multisyklus). Logiske og aritmetiske operasjoner for kodingsprosedyrer er implementert her.

Hovedformålet med kommunikasjonsenheten (fig. B2) er å lage eller organisering av kommunikasjonskanaler på den oppgitte kommunikasjonslinjen. Kommunikasjonslinje dette er det materielle miljøet mellom senderen (Prd) og mottakeren (Prm) til systemet. Figuren viser grovt sett en to-leder elektrisk kommunikasjonslinje. Imidlertid kan radioforbindelser og fiberoptiske kommunikasjonslinjer og andre brukes. Avhengig av linjetype utføres Prd og Prm ulike transformasjoner signaler for å harmonisere deres parametere og egenskaper med parameterne og egenskapene til kommunikasjonslinjen og transformasjoner rettet mot økt støyimmunitet signaler.

På mottakersiden blir de kodede signalene mottatt fra kommunikasjonslinjen igjen konvertert av dekodingsanordningen (DCU) til primære signaler. Samtidig oppdages feil i de mottatte signalene og kan korrigeres ved dekodingsprosedyrer, og sikrer dermed den nødvendige nøyaktigheten av informasjonsoverføringen. EN utgangsomformere(VP) transformerer disse primærsignalene til en form og form (fysisk natur) som kan oppfattes av mottakere av informasjon.

Det skal bemerkes at de fleste av de funksjonelle "nodene" og "blokkene" vist i fig. B2 kan implementeres på digitale brikker. Derfor er informasjonsoverføringssystemer vanligvis digitale.

B1.3. Informasjonsbehandlingssystemer

(datasystemer)

De typiske problemene oppført ovenfor kan løses og formaliseres ved hjelp av matematiske og logiske metoder. I sin tur opererer disse metodene med de enkleste operasjonene (aritmetiske eller logiske), hvis utførelse på noen "initielle data" gir et nytt resultat, tidligere ukjent. Denne fellesheten av metoder for å løse ulike gjorde det mulig å lage en egen klasse av enheter og systemer, hvis tiltenkte formål (i utgangspunktet) var automatisering av databehandlingsprosedyrer (elektroniske datamaskiner). På det nåværende stadiet av utviklingen av datateknologi har datamaskiner "gjort om" til datamaskiner, på grunnlag av hvilke moderne datasystemer for behandling og overføring av informasjon er bygget. Et generalisert blokkskjema over et bestemt datasystem er vist i fig. B3.

Dataene er tidligere behandlet gjennom inndataenhet UVV kom til Minneenhet hukommelse, hvor de lagres i hele behandlingstiden. Programmet for behandling av innkommende informasjon er også lagret i samme minne.

Systemdriftsprogrammet, så vel som "data", er lagret i en lagringsenhet i form av multi-bit binære tall skrevet inn i minneceller på spesifikke adresser (minnecelleadresser). Binære tall, hvis helhet representerer et databehandlingsprogram, er strukturert i et visst antall deler, som hver har et bestemt formål. I det enkleste tilfellet er det følgende deler: 1) koden til operasjonen som må utføres med to binære tall, som representerer "data"-verdier og kalt "operander"; 2) adressen til den første operanden; 3) adressen til den andre operanden. Kombinasjonen av disse delene danner et "team".

Arbeidet til en datamaskin består av sekvensiell utførelse av kommandoer, spesifisert av programmet. Koordinerer arbeidet til alle blokker i tide og styrer dem kontrollenhet UU. Og utfører direkte logiske og aritmetiske operasjoner (handlinger) på operandene aritmetikk logisk enhet ALU, som, basert på et signal fra "operation code"-kontrollenheten, konfigureres hver gang til å utføre en spesifikk operasjon.

Kontrollenheten dekrypterer kommandoen mottatt fra minnet (fig. B3 "neste kommando"), sender operasjonskoden til ALU og den forbereder seg på å utføre den tilsvarende operasjonen. Deretter genererer den samplingssignaler fra operandminnet (se signalet "Dataadresser") og bestemmer adressen til neste kommando som skal utføres ved neste syklus på datamaskinen ("Neste kommandoadresse"). Basert på signaler fra kontrollenheten, leses operandene fra minnet, og ALU utfører de nødvendige handlingene. I dette tilfellet dannes et mellomresultat ("Resultat av operasjonen"), som også lagrer minnet. Avhengig av resultatet av operasjonen, kan det være nødvendig å endre rekkefølgen på kommandoutførelsen, eller stoppe databehandlingen, eller vise feilmeldinger til operatøren. For dette formålet sendes signalet "Resultattegn" fra ALU til kontrollenheten. Prosessen med å behandle de angitte dataene (informasjonen) fortsetter til kommandoen "Slutt på beregninger" er hentet, eller operatøren, etter eget skjønn, stopper databehandlingsprosessen.

Det resulterende behandlingsresultatet lagres også i minnet og kan sendes ut via utgangsenhet Akk på slutten av behandlingsprosessen eller under prosessen, hvis dette er gitt av programmet.

For "kommunikasjon" mellom operatøren og datamaskinen finnes det terminalenheter AT, beregnet på at operatøren skal legge inn kommandoer og andre meldinger og sende "meldinger" til operatøren fra datamaskinen.

Figur B3 viser ikke tilkoblingene til kontrollenheten, som sikrer synkronisering av driften av alle komponenter i datamaskinen. Brede piler indikerer muligheten for parallell dataoverføring (samtidig overføring av alle biter av multi-bit binære tall).

Nesten alle blokkene vist i fig. B3 (bortsett fra terminalenheter) kan bare implementeres fullstendig på digitale integrerte kretser (IC). Spesielt kan styreenheten, ALU og en del av minnet (registerminne SRAM) lages i form av én IC med høy grad av integrasjon. Det navngitte settet med blokker dannes mikroprosessor en sentral prosessor laget ved hjelp av integrert teknologi på en enkelt halvlederbrikke.

Datainn- og utdataenheter består som regel av bufferlagringsregistre som tjener til midlertidig lagring av henholdsvis inn- og utdata, og for å koordinere systemet med eksterne enheter.

Lagringsenheten (SRAM) er vanligvis delt inn i to deler: Random Access Memory (RAM) og permanent minne. Den første tjener til å lagre mellomresultater av beregninger; dens "innhold" endres stadig under databehandling. RAM fungerer i "lese" og "skrive" datamoduser. Og det andre, skrivebeskyttet minne (ROM), brukes til å lagre standard subrutiner og noen system (tjeneste) subrutiner som kontrollerer prosessene med å slå på og av datamaskinen. Vanligvis er ROM implementert på IC-feltprogrammerbar ROM (FPROM), enten forhåndsprogrammert IC ROM fra fabrikken eller brukeromprogrammerbar ROM (RePROM). Vanligvis er dette ikke-flyktige lagringsenheter der den registrerte informasjonen ikke blir "ødelagt" selv når de er koblet fra strømkilden.

ALU inkluderer en IC med samme navn som utfører logiske og aritmetiske operasjoner med binære tall, logiske elementer og en rekke andre funksjonelle enheter som tjener til å sammenligne tall, digitale komparatorer, for å øke hastigheten på aritmetiske operasjoner utført, for eksempel " hurtigoverføringsenheter» osv.

Kontrollenheten inkluderer timerenheter som setter klokkefrekvensen til systemet og til slutt bestemmer ytelsen, kommandokodedekodere, programmerbare logiske matriser, registre, mikroprogramkontrollenheter, samt inngangs-/utgangsporter.

Alle de oppførte funksjonelle enhetene er implementert i form av integrerte digitale enheter.

Hovedproblemer datasystemer forbedrer for det første deres produktivitet(opptreden). Og for det andre å sikre at systemene fungerer i virkeligheten.

Det første problemet er av systemomfattende karakter og løses ved å bruke en ny elementbase og spesielle informasjonsbehandlingsmetoder.

Det andre problemet oppstår ved bruk av datasystemer for å kontrollere produksjonsprosesser og er at hastigheten på produksjon og databehandlingsprosesser må koordineres. Virkeligheten til et datasystem (CS) skjer i den såkalte "maskintiden", når et visst fast og udelelig tidsintervall, kalt "arbeidssyklusen" til en datamaskin eller datamaskin, tas som en tidsenhet , mens virkelige fysiske prosesser, for eksempel teknologiske prosesser, foregår i sanntid, målt i sekunder, brøkdeler av et sekund, timer osv. For å gjøre bruk av datamaskiner mulig, er det nødvendig å gjøre hastigheten på informasjonsbehandlingen ikke mindre enn hastigheten til virkelige fysiske prosesser. Løsningen på dette problemet oppnås ved å organisere spesielle metoder for å utveksle informasjon (data) av kontrolldatamaskinen med perifere enheter og bruke spesielle, s.k. inteRansiktskretser og enheter. I funksjon grensesnittkretser inkluderer:

adressebestemmelse ekstern enhet, krever utveksling av informasjon med prosessoren eller med systemlagringsenheten;

generere avbruddssignaler for BC-prosessoren og initialisere overgangen til tjenesteprogrammet for objektet som ba om avbruddet. Dette utføres i henhold til en spesiell prioriteringssystem;

implementering av køer for å betjene eksterne enheter;

koordinering av parametere og timing av utvekslingssignaler mv.

Takket være moderne fremskritt innen integrert teknologi i produksjon av mikroelektroniske enheter, etablering av mikrodatamaskiner og datamaskiner preget av små dimensjoner, lavt energiforbruk og rimelige kostnader, har det blitt mulig å bruke dem som en del av systemer for et bredt utvalg av formål. Samtidig får disse systemene nye kvaliteter og blir multifunksjonelle med mulighet for fleksibel overgang fra en driftsmodus til en annen ved ganske enkelt å endre systemkonfigurasjonen. I sin tur åpner disse fordelene opp for nye muligheter for bruk av datasystemer på en lang rekke områder av menneskelig aktivitet: innen vitenskap, medisin, utdanning og opplæring, og enda mer innen teknologi.

For eksempel ble telefonkommunikasjon tradisjonelt utført av analoge enheter, der menneskelig tale ble overført (via ledninger) av signaler i form av vekselstrømmer av lydfrekvenser. Nå har det vært en intensiv overgang til digital telefonkommunikasjon, der analoge signaler (fra en mikrofon) konverteres til digitale, sendt over lange avstander uten vesentlig forvrengning. På mottakersiden blir disse digitale signalene igjen konvertert til analoge og levert til telefonen. Overgangen til digital kommunikasjon gjør det mulig å forbedre kvaliteten på taleoverføring, i tillegg kan telefonnettet brukes til andre tjenester: trygghetsalarm; brannalarm; for "konferansesamtaler" av flere abonnenter og så videre.

AT 2. Komparativ evaluering av digitale og analoge enheter

mikroelektronisk teknologi

Når du bestemmer deg for konstruksjon eller design av en enhet, må du først bestemme deg for designretningen, hvordan vil enheten være? Analog eller diskret(digitalt)? På sin side kan denne avgjørelsen tas med kjennskap til fordelene og ulempene med begge enhetene. La oss først definere begrepene "analoge" og "digitale" enheter.

Analog dette kalles enhet, der alle inngangs-, utgangs- og mellomliggende (interne) signaler er kontinuerlige, beskrevet med kontinuerlige matematiske funksjoner. Disse signalene er preget av et uendelig sett med verdier i nivå (tilstander) og er kontinuerlige i tid, selv om spekteret av endringer i verdiene til et kontinuerlig signal er begrenset. Derfor kalles slike enheter noen ganger arrangerethstvami neintermitterende.

Diskrete enheter eller enheter diskret handling er de hvis inngangs-, utgangs- og mellomsignaler er preget av et tellbart sett med verdier i nivå og eksistens i visse tidsintervaller. Slike signaler kan vises i et eller annet posisjonsnummersystem (med tilsvarende tall). For eksempel i desimalsystem regning eller binært system Regning. Den binære representasjonen av signaler har funnet størst anvendelse innen teknologi og i formell logikk i beregning av utsagn og ved å trekke konklusjoner fra flere premisser. Derfor kalles diskrete enheter logisk(ligner formell binær logikk) eller digital, tar hensyn til muligheten for å beskrive dem ved hjelp av tall fra posisjonsnummersystemet.

Ulemper med analoge tekniske midler

Tilstedeværelse av "drift" og "støy". Drifting dette er en langsom endring i signalet, på grunn av fenomenenes diskrete natur, i forhold til dens gitte verdi. For eksempel for elektriske signaler er strømmens diskrete natur elektrisk strøm forårsaker elektroner og "hull", som er bærere av elektriske ladninger. Lyder dette er tilfeldige signalendringer forårsaket av ytre eller indre faktorer, for eksempel temperatur, trykk, styrken til jordens magnetfelt osv.

Metodiske vanskeligheter med å definere begrepene "likhet til null" og "likhet til analoge signaler". Og som en konsekvens, eksistensen av problemet med å "sikre den spesifiserte nøyaktigheten (feil)" av transformasjoner og signaloverføring.

Muligheten for fremveksten av ustabile driftsmoduser og eksistensen av problemet med å "sikre stabilitet" i driften av systemer og enheter. En ustabil modus er preget av forekomsten i en enhet eller et system av udempede oscillasjoner i endring av visse signaler. I elektronikk er dette fenomenet mye brukt i konstruksjonen av pulsgeneratorer og harmoniske oscillasjonsgeneratorer.

Tekniske vanskeligheter med å implementere lagringsenheter og tidsforsinkelsesenheter for analoge signaler.

Utilstrekkelig grad av integrering av analoge elementer og deres allsidighet.

Relativt kort overføringsområde for analoge signaler på grunn av energispredning i kommunikasjonslinjer.

Relativt høyt energiforbruk, siden analoge elementer opererer i de lineære delene av deres overgangskarakteristikk og "forbruker" energi i de initiale (initielle) tilstandene.

Fordeler med analoge tekniske midler

Tilstrekkelig visning av fysiske prosesser og mønstre: begge er beskrevet av kontinuerlige avhengigheter. Dette lar oss betydelig forenkle de grunnleggende tekniske løsningene til analoge enheter og systemer.

Effektivitet og enkel endring av driftsmoduser: ofte er det nok å endre motstanden til en motstand eller kapasitansen til en kondensator slik at en ustabil modus endres til en stabil eller for å sikre en gitt transient prosess i enheten.

Ingen konvertering nødvendig analoge mengder til diskrete. Disse transformasjonene er ledsaget av feil og en viss sløsing med tid.

Fordeler med digital teknologi

Muligheten for programkontroll, som øker fleksibiliteten til å endre strukturen og driftsalgoritmen til systemene, gjør det mulig å forenkle implementeringen av adaptive kontrolllover.

Enkelt å sikre den angitte påliteligheten, nøyaktigheten og støyimmuniteten til systemene.

Enkelt å sikre kompatibilitet av enheter med digitale informasjonsbehandlingsenheter (datamaskiner, datamaskiner).

Høy grad av konstruktiv og funksjonell integrasjon, allsidighet med evne til å bygge systemer i henhold til standard designløsninger. I sin tur lar dette deg redusere kostnadene ved produksjon og drift av systemer og enheter.

Evnen til å designe ved hjelp av formelle logiske metoder, som lar deg redusere designtiden til enheter og gjør det mulig å endre funksjonene til enheter (og systemer basert på dem) ved hjelp av metoder for aggregatkonstruksjon under drift.

Ulemper med digital teknologi

Behovet for å konvertere analoge signaler til diskrete. Disse transformasjonene er ledsaget av feil og tidsforsinkelser.

Den relative vanskeligheten med å endre driftsmodus. For å gjøre dette er det nødvendig å endre strukturen til systemet eller algoritmen for dets funksjon.

Kompleksiteten til prosessene for å analysere funksjonen til systemene, både når du sjekker riktigheten av deres drift og når du søker etter nye feil. Digitale enheter er preget av stor funksjonell kompleksitet, noe som krever spesielle "diagnostiske" enheter, som studeres i et spesielt teknologifelt kalt teknisk dOgagnostOghehe.

Økte krav til produksjonskultur og vedlikeholdskultur for digitalt utstyr. Dette stimulerer i sin tur behovet for å forbedre kvalifikasjonene til servicepersonell og krever at de er høyt kvalifisert.

En komparativ analyse av de listede fordeler og ulemper gir konklusjon i favør tekniske midler digital teknologi. Derfor blir digitale enheter for tiden mye introdusert i tilsynelatende tradisjonelle områder av analog teknologi: TV, telefonkommunikasjon, lydopptaksteknologi, radioteknologi og automatiske kontroll- og reguleringssystemer.

1. Grunnleggende om mikroelektronisk teknologi

1.1. Grunnleggende begreper og definisjoner

Mikroelektronikk hovedfeltet for elektronikk, som studerer problemene med design, forskning, opprettelse og anvendelse av elektroniske enheter med høy grad av funksjonell Og konstruksjonerVNoah integrering.

Mikroelektronisk produkt, implementert ved hjelp av integrert teknologi og utfører en spesifikk funksjon for konvertering og behandling av signaler, kalles integrert krets(IC) eller rett og slett integrert krets(ER).

Mikroelektronisk enhet et sett med sammenkoblede informasjonssystemer som utfører en komplett nok kompleks funksjon(eller flere funksjoner) for behandling og konvertering av signaler. En mikroelektronisk enhet kan være strukturelt utformet i form av en enkelt mikrokrets eller på flere IC-er.

Under funksjonell integrasjon forstå en økning i antall funksjoner implementert (utført) av en bestemt enhet. I dette tilfellet anses enheten som hel, udelelig. EN konstruktiv intenåde er en økning i antall komponenter i en enhet, ansett som hel. Et eksempel på en mikroelektronisk enhet med høy grad av strukturell og funksjonell integrasjon er mikroprosessor(se ovenfor), som som regel utføres i form av en "stor" IC.

Kretsdesign er en del av mikroelektronikk, emnet som er byggemetoder enheter for ulike formål til mikroOordninger med bred anvendelse. Emnet digital kretsdesign er metoder for å konstruere (designe) enheter som kun bruker digitale IC-er.

Funksjoner av digitale kretser er mye brukt for å beskrive funksjonsprosessene til enheter formell eller formelle naturlige språk og basert på dem formaliserte designmetoder. Formelle språk er boolsk algebra(logikkalgebra, boolealgebra) og språket til "automatiske" logiske funksjoner algebra over tilstander og hendelser. Takket være bruken av formaliserte metoder oppnås det multivarians i å løse anvendte problemer, blir det mulig optimalt valg av kretsløsninger etter ett eller annet kriterium.

Formelle metoder er preget av et høyt abstraksjonsnivå, neglisjering av de spesielle egenskapene til det beskrevne objektet. Oppmerksomheten er kun fokusert på de generelle mønstrene i de gjensidige forholdene mellom komponentene i objektet og dets bestanddeler. Slike "regelmessigheter" inkluderer for eksempel reglene for aritmetiske operasjoner i tallalgebraen (reglene for addisjon, subtraksjon, multiplikasjon, divisjon). Samtidig blir de distrahert fra betydningen av tall (enten det er antall epler, eller tabeller osv.). Disse reglene er strengt formaliserte; reglene for å oppnå komplekse aritmetiske uttrykk, samt prosedyrene for å beregne slike uttrykk, er også formaliserte. I slike tilfeller sier de, formelle er og sinatTilsis Og språk grammatikk beskrivelser.

I formelle naturlige språk er syntaksen formalisert, og grammatikken (konstruksjonsreglene) komplekse uttrykk) adlyder grammatikk naturlig språk, for eksempel russisk eller engelsk. Eksempler på slike språk er forskjellige tabellformede beskrivelsesspråk. Spesielt, teoretisk grunnlag beskrivelser av digitale enheter er "Teori om finite state machines" eller "Theory of relay devices and finite state machines".

1.2. Klassifisering av mikroelektroniske enheter

Hele utvalget av mikroelektroniske enheter (MEDs) kan klassifiseres i henhold til ulike kriterier:

etter prinsippet og arten av handlingen;

etter funksjonelt formål og funksjoner utført;

av produksjonsteknologi;

etter bruksområde;

i henhold til design og tekniske egenskaper, og så videre.

La oss nå vurdere mer detaljert inndelingen av MEU i henhold til klassifiseringskriterier.

Etter prinsippet(karakter) handlinger alle MEU er delt inn i analog og digitalt. Konseptene for analoge og diskrete enheter, inkludert digitale, er allerede gitt ovenfor. Her merker vi at hvis alle signaler i diskrete enheter bare tar to betingede verdier av logisk null (log.0) og logisk en (log.1), så kalles enhetene logisk. Som regel er alle digitale enheter klassifisert som logiske enheter.

Avhengig av funksjonene som utføres (funksjonelt formål), skilles følgende mikroelektroniske enheter ut:

I. Analog

1.1. Forsterkerenheter (forsterkere).

1.2. Funksjonelle omformere som utfører matematiske operasjoner på analoge signaler (for eksempel integrasjon, differensiering osv.).

1.3. Transdusere og sensorer av fysiske mengder.

1.4. Modulatorer og demodulatorer, filtre, miksere og harmoniske generatorer.

1.5. Lagringsenheter.

1.6. Spennings- og strømstabilisatorer.

1.7. Integrerte kretser for spesielle formål (for eksempel for behandling av radio- og videosignaler, komparatorer, brytere, etc.).

II. Digital MEA

2.1. Logiske elementer.

2.2. Krypteringer, kodedechiffrere og kodekonverterere.

2.3. Minneelementer (triggere).

2.4. Lagringsenheter (RAM, ROM, PROM, PLM, etc.).

2.5. Aritmetisk-logiske enheter.

2.6. Velgere, shapers og pulsgeneratorer.

2.7. Telleapparater (pulstellere).

2.8. Digitale komparatorer, diskrete signalbrytere.

2.9. Registrerer.

2.10. Spesielle mikrokretser (for eksempel tidtakere, mikroprosessor IC-sett, etc.).

Klassifiseringen ovenfor er langt fra uttømmende, men lar oss konkludere med at utvalget av digitale enheter er mye bredere enn utvalget av analoge MEAer.

I tillegg til de som er oppført, finnes det mikrokretser for signalnivåomformere, for eksempel Schmitt-triggere, der inngangssignalene er analoge og utgangssignalene er diskrete, binære. Slike mikrokretser opptar en mellomposisjon. På samme måte bør mikrokretser av analog-til-digital og digital-til-analog-omformere (ADC og DAC), analoge signalsvitsjer kontrollert av diskrete signaler klassifiseres som "mellomliggende" MEAer.

Avhengig av antall implementerte funksjoner, skilles de enOfunksjonell(enkelt) og multifunksjonell(kompleks) MEU. I multifunksjonelle enheter funksjoner kan utføres samtidig eller sekvensielt i tide. Avhengig av dette kalles enhetene i det første tilfellet "parallelle" handlingsenheter, og i det andre tilfellet sekvensielle eller "sekvensielle" handlingsenheter. Hvis en multifunksjonell enhet er konfigurert til å utføre en bestemt funksjon ved å bytte innganger (fysisk gjentilkobling av elektriske kretser), kalles en slik enhet en enhet med " hard logikk" arbeid. Og hvis endringer i de utførte funksjonene gjøres ved hjelp av ekstra eksterne signaler (ved de såkalte kontrollinngangene), bør slike MEAer klassifiseres som "programvarekontrollerte". For eksempel kan aritmetiske logiske enheter (ALU) ICer implementere aritmetiske eller logiske operasjoner med to multi-bit binære tall. Og oppsett for å utføre aritmetiske (eller logiske) operasjoner utføres av en ekstra eksternt signal, avhengig av verdien som de ønskede handlingene skal utføres av. Derfor bør ALUer klassifiseres som programvarekontrollerte MEUer.

I henhold til produksjonsteknologi alle IC-er er delt inn i:

halvledere;

Film;

Hybrid.

I halvleder IC alle komponenter og tilkoblinger er laget i volumet og på overflaten av halvlederkrystallen. Disse IC-ene er delt inn i bOgpolar mikrokretser (med fast polaritet på forsyningsspenningene) og på unipolar med muligheten til å endre polariteten til forsyningsspenningen. Avhengig av kretsdesignet til det "interne innholdet", er bipolare mikrokretser delt inn i følgende typer:

TTL transistor-transistor logikk;

TTLsh transistor-transistor-logikk med transistorer og Schottky-dioder;

ESL emitter-koblet logikk;

Og 2 L injeksjonslogikk og andre.

Mikrokretser med unipolar teknologi er laget på MOS-transistorer ("metall-dielektrisk-halvleder"), eller på MOS-transistorer ("metall-oksid-halvleder") eller på CMOS-transistorer (komplementær "metall-oksid-halvleder").

I film I en IC er alle komponenter og tilkoblinger kun laget på overflaten av halvlederkrystallen. Skille tynn film(med en lagtykkelse på mindre enn 1 mikron) og tykk film med en filmtykkelse på mer enn en mikron. Tynnfilm-ICer produseres ved hjelp av termisk vakuumavsetning og katodesputtering, mens tykkfilm-ICer produseres ved bruk av silketrykk etterfulgt av innbrenning av tilsetningsstoffer.

Hybrid IC-er består av "enkle" og "komplekse" komponenter plassert på samme underlag. Halvleder- eller film-IC-brikker brukes vanligvis som komplekse komponenter. Enkle inkluderer diskrete elektroniske komponenter (transistorer, dioder, kondensatorer, induktorer, etc.). Alle disse komponentene er strukturelt plassert på samme underlag, og elektriske forbindelser mellom dem er også laget på det. Dessuten danner ett substrat med komponentene plassert på det ett "lag" av en hybrid IC. Skille enkelt lag Og flerlags hybrid IC-er. Flerlags hybrid IC er i stand til å utføre ganske komplekse signalbehandlingsfunksjoner. En slik mikrokrets tilsvarer i handling en "mikroblokk" av enheter, eller, hvis den er ment for uavhengig bruk, til handlingen til en "hel" blokk.

I tillegg vurderes eventuelle mikrokretser kvantitativt forestillingENtelekom deres vanskeligheter. Som en slik indikator, " grad integrering» k, lik desimallogaritmen til totalmengden N komponenter plassert på én halvlederbrikke, altså

k = lq N. (1)

I samsvar med formel (1) er alle mikrokretser delt inn i mikrokretser av 1., 2., tredje og så videre integreringsgrad. Graden av integrasjon karakteriserer bare indirekte kompleksiteten til mikrokretser, siden den bare tar hensyn til konstruktive integrering. Faktisk avhenger kompleksiteten til mikrokretsen også av antall gjensidige forbindelser mellom komponentene.

I ingeniørpraksis brukes det kvalitetskarakteristikk kompleksiteten til mikrokretser i begrepene "liten", "middels", "stor" og "ultra-stor" IC.

Tabell 1.1 gir informasjon om den gjensidige korrespondansen mellom kvalitative og kvantitative mål på IS-kompleksitet etter type.

Tabell 1.1

IP-navn		Produksjonsteknologi	Antall komponenter på brikken	Grad av integrering k
Liten (MIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analog	Bipolar
Gjennomsnittlig (SIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analog	Bipolar
		Unipolar
Stor (BIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analog	Bipolar
		Unipolar
Ekstra stor (VLSI)	Digital	Bipolar
		Unipolar	Mer enn 10 000
	Analog	Bipolar
		Unipolar

Fra analysen av tabell 1.1 følger det at sammenlignet med digitale IC-er har analoge mikrokretser med samme grad av integrasjon mer enn tre ganger færre komponenter i sammensetningen (på en halvlederbrikke). Dette er fordi de aktive komponentene (transistorene) til en analog brikke opererer i lineær modus og sprer mer energi. Behovet for å fjerne varme generert av energispredning begrenser antall komponenter plassert på en enkelt brikke. I digitale mikrokretser fungerer aktive komponenter i byttemodus (transistorer er enten låst eller åpne og i metningsmodus). I dette tilfellet er krafttapet ubetydelig og mengden varme som genereres er også ubetydelig, og derfor kan antallet komponenter på brikken plasseres mer. (Krystallstørrelser er standardiserte og begrensede.) Med unipolar teknologi er volumet av krystallen okkupert av felteffekttransistor omtrent tre ganger mindre enn volumet som okkuperes av en bipolar transistor ( n- s- n eller s- n- s type). Dette forklarer det faktum at de aktive komponentene på brikken standard størrelser Flere kan få plass i en unipolar brikke.

Av design Avhengig av funksjonell kompleksitet er mikroelektroniske enheter delt inn i:

til enkle mikrokretser (IC);

for mikromontasjer;

til mikroblokker.

IC mikroelektronisk produkt produsert i enhetlig teknologiOgisk syklus, egnet for uavhengig bruk eller som en del av mer komplekse produkter (inkludert mikromontasjer og mikroblokker). Mikrokretser kan være uten ramme og ha et individuelt hus som beskytter krystallen mot ytre påvirkninger.

Mikromontering et mikroelektronisk produkt som utfører en ganske kompleks funksjon (funksjoner) og består av elektriske og radiokomponenter og mikrokretser, produsert med det formål å miniatyrisere elektronisk utstyr. I hovedsak er hybridbrikker mikromontasjer. Den enkleste mikromontasjen kan for eksempel være et sett med mikromotstander laget på en halvlederkrystall og plassert i en enkelt pakke (som en mikrokrets).

Mikroblokk er også et mikroelektronisk produkt, består av elektriske og radiokomponenter og integrerte kretser og utfører en kompleks funksjon(er).

Som regel produseres mikromontasjer og mikroblokker i forskjellige teknologiske sykluser, og kanskje på forskjellige produksjonsanlegg.

Som klassifisering tekniske egenskaper vanligvis brukt strømforbruk(en brikke) og forttheffekt.

Av strømforbruk alle IC-er kan deles inn i: EN) mikroOkraftig(mindre enn 10 mW); b) lite strøm(ikke mer enn 100 mW); V) middels kraft(opptil 500 mW) Og G) kraftig(mer enn eller = 0,5 W).

Av hastighet(maksimal tidsforsinkelse for signalutbredelse gjennom IC), er mikrokretser delt betinget inn i: EN) ultrarask med cutoff-frekvens f g bytter over 100 MHz; b) raskt skuespill ( f g fra 50 MHz opptil 100 MHz); V) normal hastighet ( f gr fra 10 MHz opp til 50 MHz). I dette tilfellet er forplantningsforsinkelser i størrelsesorden noen få nanosekunder (10 -9 Med.) opptil 0,1 mikrosekunder (1s =10 -6 Med.).

Digitale mikroelektroniske enheter, inkludert mikrokretser og andre diskrete handlingsenheter, praktisk å klassifisere Av X EN avhengighetens natur utgangssignaler fra inngangssignaler. Som det er vanlig i teorien om endelige tilstandsmaskiner. I samsvar med denne funksjonen er alle enheter vanligvis delt inn i kombinasjon Og sekvensiell.

I kombinasjonsenheter verdiene til utgangssignalene til enhver tid bestemmes unikt av verdiene til inngangssignalene på samme tidspunkt. Derfor kan vi anta at driften av slike enheter ikke er avhengig av tid. De kalles også "uten" enheter hukommelse», enkeltsyklus enkeltvirkende enheter eller enheter. I finitt state machine-teori kalles kombinasjonsenheter "primitive finite state machines".

I serielle enheter Verdiene til utgangssignalene (utgangssignalene) avhenger av verdiene til inngangssignalene, ikke bare på det aktuelle tidspunktet, men også på verdiene til inngangssignalene på tidligere tidspunkter. Derfor kalles slike enheter enheter med " hukommelse», flersyklus enheter, men i teorien om endelige tilstandsmaskiner, rett og slett? endelig tilstandsmaskin (ikke trivielt).

Når man vurderer undervisningsmateriellet, i fremtiden, for hoved- la oss ta denne klassifisering, fordi byggemetoder(syntese) og prosesser for funksjon av de navngitte enhetene vesentlig forskjelligENdet er.

Avsluttende presentasjonen av klassifiseringsproblemer, merker vi at den gitte listen over klassifiseringsegenskaper og listen over navn på mikroelektroniske produkter (brikker) er langt fra uttømmende. I fremtiden, etter behov, vil vi legge til denne listen.

1.3. Logiske elementer

Logiske elementer tilhører de enkleste kombinasjons-"enhetene", med en utgang og en eller to innganger. De har fått navnet sitt fordi deres funksjon kan beskrives fullt ut logiske funksjoner og spesielt boolske funksjoner.

Som i formell logikk kan alle utsagn være sanne eller usanne, og logiske funksjoner kan bare ha to betingede verdier: logisk én (log.1) «sann» og logisk null (log.0) «falsk».

Når du beskriver driften av logiske elementer utgangssignaler legge inn en-til-en korrespondanse funksjoner, A inngangssignaler argumenter disse funksjonene. Dermed er både funksjoner og funksjonsargumenter, så vel som inngangs- og utgangssignalene til logiske porter, binære. Hvis vi neglisjerer den sanne tiden for overgangen til et logisk element fra en tilstand (tilstand log.1) til en annen (tilstand log.0), vil verken argumentene eller funksjonene avhenge av tidsfaktoren til tidsvariabelen. Regler for innhenting og konvertering av logiske uttrykk vurderes algebra av logikk eller boolsk algebra.

Lignende dokumenter

Målet med kurset er å studere kretsgrunnlaget til moderne datamaskiner, datasystemer og nettverk. De viktigste generasjonene av utvikling av datakretser. Analoge og diskrete elementer. Metoder for å presentere digital informasjon, typer koding.

foredrag, lagt til 17.02.2011


Mikroelektronikk er en uavhengig vitenskapelig, teknisk, teknologisk retning, historiske stadier. Digitale integrerte kretser: logiske grunnprinsipper, signalkoding, klassifisering; utvikling, produksjon, utsikter for utvikling og anvendelse.

opplæring, lagt til 11.11.2010


Hovedfordeler digitale systemer kommunikasjon sammenlignet med analoge. Driftsprinsipper for diskrete enheter, funksjoner i deres konstruksjon. Pulsgeneratorenhet, syntese av teller, multiplekser og dekoder. Utvikling av en asynkron maskin.

kursarbeid, lagt til 21.11.2012


Funksjoner av fiberoptiske overføringssystemer. Valg av blokkskjema for digital VOSP. Utvikling av terminalstasjonen til kommunikasjonssystemet, AIM-modulatorer. Prinsipper for å konstruere kodings- og dekodingsenheter. Beregning av hovedparametrene til en lineær bane.

avhandling, lagt til 20.10.2011


Integrerte kretser: informasjon, klassifisering, grafisk betegnelse, merking. Symboler for mikrokretser, grunnleggende elektriske parametere, grunnleggende logiske elementer. Registre, tellere, dekodere, triggere, beskyttelsesenheter.

foredrag, lagt til 20.01.2010


Integrerte kretser, signaler. Driftstakt for en digital enhet. Merking av digitale brikker russisk produksjon. Grunnleggende om produksjon av digitale integrerte kretser. Typer digitale integrerte kretser. Kretsløp til sentralprosessoren.

presentasjon, lagt til 24.04.2016


Egenskaper og omfang av signaler i digitale prosesseringssystemer. Spesialisert digital signalprosessor SPF SM: utviklere og historie, struktur og egenskaper, anvendelsesområde, algoritmer og programvare.

kursarbeid, lagt til 12.06.2010


Integrerte kretser. Underlag for tykkfilmsmikrokretser. Tykkfilmledere og motstander. Grunnleggende egenskaper til resistive filmer. Resistiviteten til en kontinuerlig tykk film. Elektrisk strømoverføring gjennom en tykk filmstruktur.

sammendrag, lagt til 01.06.2009


Maskinvareprinsipper for å konstruere mikroprosessorteknologiske enheter og tilegne seg praktiske ferdigheter i å utvikle mikroprosessorsystemer. Tekniske egenskaper for ATmega-mikroprosessoren og analyse av minnebrikken. Mikroprosessorsystemdiagram.

kursarbeid, lagt til 19.11.2011


Digital behandling signaler og dets bruk i talegjenkjenningssystemer, diskrete signaler og metoder for deres transformasjon, det grunnleggende om digital filtrering. Implementering av talegjenkjenningssystemer, homomorf talebehandling, opptak og avspillingsgrensesnitt.

Jeg snakket om logiske elementer - "byggesteinene" som utgjør grunnlaget for digital teknologi og deres formål. I dette innlegget vil jeg snakke mer detaljert om bruken av digitale mikrokretser som inneholder logiske elementer.

De enkleste ordningene

Den første ordningen er den enkleste prøvetaker for testing av elektriske kretser. Ved å bruke denne sonden kan du bestemme påliteligheten til elektrisk kontakt, finne en åpen krets, kontrollere brukbarheten til motstander og halvlederdioder og transistorer.

Diagram av en sonde for å teste kontinuiteten til en elektrisk krets.

La oss beskrive arbeidet hans. Når XT-probene er åpne, settes et høyt logisk spenningsnivå ved inngangene til det logiske elementet DD1 i forhold til den felles ledningen. Følgelig vil utgangen fra element DD1 være et lavt logisk nivå, mens LED VD1 ikke vil lyse. Hvis probene er koblet til hverandre, vil DD1-inngangen ha et lavt logisk nivå, og utgangen vil være høy. En lysende diode vil indikere at utgangene er lukket for hverandre. Når probene er koblet til en arbeidskrets, vil LED-en lyse, og hvis LED-en ikke lyser, betyr det at det er en åpen krets i kretsen.

Følgende diagram nedenfor er logisk sonde. Den er designet for å bestemme det logiske spenningsnivået i elektriske kretser digitale enheter.

Logisk sondekrets.

I starttilstanden settes et høyt logisk nivå ved inngangene til logisk element DD1 og utgang DD2, og følgelig lyser LED VD1. Når LED-ene er koblet til en krets med høyt logisk nivå, fortsetter VD1-LED-en å lyse, og når et lavt logisk nivå vises ved DD1-inngangen, vil VD1-LED-en slukke tilsvarende.

Ytterligere fortelling om bruk av digitale mikrokretser er ikke mulig uten kunnskap intern enhet digitale TTL- og CMOS-mikrokretser og deres overføringsegenskaper.

Intern struktur av TTL digitale brikker

Alle familier av digitale brikker er basert på grunnleggende logiske elementer. For alle mikrokretser i TTL-familien er et slikt element element 2I-NOT, som har følgende interne struktur. Nedenfor er et diagram over 2I-NOT-elementet og dets transiente respons

Skjema for grunnelementet TTL 2I-NOT og dets transiente respons.

Ved inngangen til elementet er multi-emitter transistor VT1 da forsterker trinn på transistor VT2 og push-pull utgangstrinn på transistorene VT3, VT4.

La oss beskrive operasjonen til 2I-NOT logikkelementet. I starttilstanden overstiger ikke inngangsspenningen 0,5 V, og emitterkrysset til transistoren VT1 er åpent, denne spenningen er ikke nok til å overføre kollektorovergangen til åpen tilstand, det samme gjelder emitterkrysset til transistoren VT2, VT4. Derfor er disse transistorene lukket, og transistoren VT3 er åpen, av spenningen som kommer fra R2. Diode VD3 viser seg å være åpen og spenningen ved utgangen av elementet er omtrent 3...4 V ( punkt A). Når spenningen ved emitterne til VT1 begynner å øke, begynner transistor VT2 å åpne seg, og transistor VT3 lukkes jevnt ( seksjon A – B). En ytterligere økning i spenningen på inngangstransistoren fører til at transistor VT2 åpner enda mer, spenningen på R3 øker også og transistor VT4 åpner. Som et resultat omgår emitterkrysset til transistoren VT4 motstanden R3, og transistoren VT2 åpner seg skarpt, og spenningen ved utgangen til elementet synker. I dette øyeblikket ( seksjon B – C) alle transistorer er åpne og inne aktiv modus. Hvis du fortsetter å øke inngangsspenningen, vil transistorene VT2 og VT4 gå inn i metningsmodus ( seksjon B – D), og transistoren VT3 vil lukke og utgangsspenningen vil bli lik metningsspenningen til transistoren VT4, og strømmen vil begrenses av motstanden R4.

Seksjon B – C forbigående respons kan brukes for analog signalbehandling, V denne modusen Transientresponsen har høy linearitet og maksimalt strømforbruk.

Intern design av CMOS digitale brikker

Akkurat som i TTL-familien, CMOS-brikker grunnelementet er 2I-NOT, hvis interne struktur er vist nedenfor

Diagram over det grunnleggende 2I-NOT CMOS-elementet og dets forbigående respons.

Dette logiske elementet fungerer komplementære felteffekttransistorer. Transistorer med p-type kanal (VT1, VT2) koblet til den positive lederen til strømkilden, med n-type kanal (VT3, VT4) koblet i serie.

Ved en inngangsspenning på 2 V eller mindre er transistorene VT1 og VT2 åpne, siden spenningen i gate-source-seksjonene (med en forsyningsspenning på 9 V) er minst 7 V. Spenningen i de samme seksjonene av transistorene VT3 og VT4 er utilstrekkelig til å åpne dem, derfor vil det ved utgangen av elementet være en spenning nesten lik forsyningsspenningen, det vil si omtrent 9 V ( punkt A). Når inngangsspenningen øker, begynner transistorene å åpne seg, og VT1 og VT2 begynner å lukke. På seksjon A – B denne prosessen foregår relativt jevnt, og seksjon B – C den er raskere og mest lineær. Ved punkt B transistorene VT1 og VT2 er nesten helt lukket, og VT3 og VT4 er åpne. Utgangsspenningen i dette tilfellet er liten og med en ytterligere økning i inngangsspenningen til nivået til strømkilden, har den en tendens til null ( punkt G).

Logisk element i lineær modus

Bruken av logiske elementer av digitale mikrokretser for å arbeide med analoge signaler er bare mulig hvis de modus byttes til lineær eller i nærheten av det. Så i lineær modus TTL-element tilsvarer en forsterker med en forsterkning på 10 ... 15 (omtrent 20 dB), og CMOS-element– en forsterker med en forsterkning på 10 ... 20 (20 ... 26 dB).

Utgang av et logisk element i lineær modus: fra venstre til høyre ved strøm, spenning, tilbakemelding.

Ulike metoder brukes for å sende ut et logisk element til en lineær seksjon. En av dem er basert på inkludering ved inngangen til TTL-elementmotstanden R. Denne motstanden vil føre til at en strøm flyter gjennom emitterkrysset til TTL-elementets inngangstransistor. Ved å endre motstanden til den eksterne motstanden, kan du endre spenningen ved utgangen av elementet, det vil si endre posisjonen til driftspunktet på overføringskarakteristikken. Til TTL-elementer Motstanden til en slik ekstern motstand varierer fra 1 kOhm til 3 kOhm. Imidlertid denne metoden ikke aktuelt for CMOS-brikker, siden de opererer uten utgangsstrømmer (det er lekkasjestrømmer, men de er små og ustabile).

Den andre måten å bringe et logisk element inn i driftsmodus kan være ved å bruke til inngangen til den tilsvarende spenningen, for eksempel ved å bruke resistiv deler. Ja, for TTL-elementer midten av den lineære delen av overføringskarakteristikken tilsvarer inngangsspenning 1,5…1,8 V, og for CMOS 3…6 V(ved forsyningsspenning 9 V). For forskjellige logiske elementer er ikke denne spenningen den samme, så den velges eksperimentelt. Verdiene til inngangsmotstandene er valgt på en slik måte at inngangsstrømmene til elementene ikke påvirker spenningen som fjernes fra den resistive deleren.

Den tredje metoden er den mest effektive for dette skape negativ tilbakemelding (NF) Av DC mellom inngangen og utgangen til elementet, på grunn av hvilket driftspunktet automatisk opprettholdes i den nødvendige delen av overføringskarakteristikken og ikke krever nøye valg av eksterne motstander. Denne metoden er implementert for logiske porter med inversjon inngangssignal: NOT, AND-NOT, OR-NOT.

Motstand motstand i OOS-kretsen velges basert på å gi elementet den nødvendige inngangsstrømmen. Til CMOS-elementer det utgjør fra flere kilo-ohm til titalls mega-ohm, og for TTL – fra titalls ohm til 1 kOhm. Men bruken av OOS reduserer forsterkningen av elementet.

Logiske forsterkere

For å bruke logiske elementer som signalforsterkere, er det nødvendig å bringe driftspunktet til den lineære delen av overføringskarakteristikken. Hovedegenskapene til slike forsterkere er vist i tabellen nedenfor.

Serie	Opplegg utgang til lineær modus	Til oss, dB	Fmax, MHz	R forbruk mW	du ut, I	Rin, kOhm	R ut, kOhm	R1, kOhm	R2, kOhm
K155	OOC	18	40	20	1,2	0,6	0,05	0,68	0,68
	Nåværende	21				0,8		1,9	—
K176	OOC	25	5,5	5 … 20	1,5	0,4	0,05	7,5	5,1
	Nåværende	17	3 … 4		5,0	3,5	6	6,2	4
561	OOC	25				1000	7	1000	1000

Kretsen til den enkleste forsterkeren basert på et TTL-element er vist nedenfor. Justering av forsterkeren kommer ned til å stille inn driftspunktet til elementet med trimmemotstanden R1 i midten av den lineære delen av overføringskarakteristikken.

Den enkleste forsterkeren basert på et TTL-element

Ulempen med enkle forsterkere er lav inngangsimpedans, som begrenser deres anvendelsesområde. I tillegg er gevinsten liten. Denne ulempen elimineres ved å bruke den i forbindelse med transistorer. Forsterkningen økes ved å koble flere trinn i serie. I tillegg inneholder den digitale brikken flere identiske elementer, som gjør det mulig å lage flerkanalsforsterkere. Et eksempel er diagrammet vist nedenfor. Hovedkarakteristikker til forsterkeren: gain – 50; utgangsimpedans 50 Ohm, inngangsimpedans 5 kOhm, øvre grensefrekvens 40 MHz.

Forsterkerkrets med transistor ved inngangen

CMOS-elementer kan også brukes til forsterkere, kretsen til den ene er vist nedenfor. En vanlig ulempe med CMOS-forsterkere er høy utgangsimpedans. Det kan elimineres ved å installere et logisk element ved utgangen emitter-følger på transistoren og koble den til OOS-kretsen.

Forsterkerkretser basert på CMOS-elementer.

Terskelenheter basert på logiske elementer

Terskelenheter, kalt komparatorer, er designet for å konvertere et analogt signal til digital informasjon. Den enkleste terskelenheten er Schmitt-utløseren, som er beskrevet i denne artikkelen. I tillegg til å generere pulser og gjenopprette digitale signaler, brukes terskelenheter i analog-til-digital-omformere og pulsgeneratorer av forskjellige former.

Diagram over en terskelenhet basert på logiske elementer.

I det store og hele er det logiske elementet i seg selv en terskelenhet, men det overføringskarakteristikk ikke helt lineær. For å øke lineariteten til overføringskarakteristikken til et logisk element, må det dekkes positiv tilbakemelding (POF) ved likestrøm gjennom motstand R2. I dette tilfellet blir det en slags Schmitt trigger med evne til å regulere terskelspenninger. Hystereseløkkebredde(forskjellen mellom terskelspenningene) avhenger av forholdet mellom verdiene til motstandene R1 og R2. Følsomheten avhenger også av disse motstandene. Når R2 øker og R1 reduseres, øker følsomheten og bredden på hysteresesløyfen reduseres. Til TTL-brikker motstand R1 = 0,1 ... 2 kOhm, og R2 = 2 ... 10 kOhm. Terskelenheter basert på CMOS-elementer er svært økonomiske, men ulempen er lav følsomhet. Til CMOS-brikker R1 er flere titalls kilo-ohm, og R2 er flere hundre kilo-ohm.

Generatorer basert på logiske elementer

Digitale mikrokretser er mye brukt i kretsskjemaer for ulike generatorer med frekvenser fra brøkdeler av en hertz til titalls megahertz og et bredt utvalg av pulsformer. Generelt representerer generatorer et forsterkningstrinn eller flere, som er dekket frekvensavhengig tilbakemelding. RC, LC, RLC kretser, samt piezokeramiske og kvartsresonatorer.

Vist under generatorkrets med RC-frekvensavhengig krets. Driften av denne generatoren er assosiert med lade- og utladingsprosessene til kondensator C1 gjennom motstand R1.

RC oscillatorkrets

I denne generatorkretsen er en OOS implementert gjennom motstand R1, som setter det logiske elementet i lineær modus, og en frekvensavhengig POS implementeres gjennom kondensator C1. Denne generatoren bruker både TTL- og CMOS-elementer. Resistansen til motstanden R1 velges på samme måte som for forsterkertrinnet med OOS, og kapasitansen til kondensatoren velges avhengig av nødvendig oscillasjonsfrekvens. Generasjonsfrekvensen kan bestemmes ved å bruke den omtrentlige formelen

F\approx\frac(0.7)(RC)

Ved drift produserer en slik generator firkantede pulser med en driftssyklus tilnærmet lik 2. Den maksimale generasjonsfrekvensen er begrenset av verdien av koblingsforsinkelsen til logiske elementer, så for CMOS-brikker maksimal frekvens beløper seg til 2…4 MHz, og for TTL- noen titalls MHz.

Ved å bruke digitale brikker kan du også få sinusbølgegenerator, for dette formålet er det nødvendig å bruke LC-krets. Diagrammet for en slik generator er vist nedenfor.

LC oscillatorkrets

Både seriell og parallell brukes som frekvensavhengig kommunikasjon oscillerende krets , men i alle fall vil oscillasjonsfrekvensen samsvare Thompsons formel

F=\frac(1)(2 \pi \sqrt(LC))

Motstanden til motstand R1 velges på samme måte som for forsterkertrinnet.

Ulempen med generatorene beskrevet ovenfor er den lave stabiliteten til den genererte frekvensen. For å øke den brukes piezokeramiske og kvartsresonatorer, inkludert deres i en kjede tilbakemelding i stedet for en kondensator eller oscillerende krets.

Generatorkrets med kvartsfrekvensstabilisering

Teori er bra, men uten praktisk anvendelse er det bare ord.

SIDE 173

Forelesningskurs Teknisk elektronikk

Forelesning 26

Grunnleggende om digitale kretsløp

26.1 logiske porter

Digitale datamaskiner, automatisering og informasjonsbehandlingsenheter bruker enheter som utfører logiske operasjoner.

Logisk operasjoner en transformasjon i henhold til reglene for logisk algebra (eller boolsk algebra) av inndata digital informasjon til utgang.

Den enkleste funksjonelt logiske enheten som utfører en spesifikk logisk operasjon på inngangssignaler kalleslogisk element.

I logikkens algebra er sannheten til en dom eller utsagn om resultatene av en bestemt logisk operasjon betegnet med symbolet 1, falskhet med 0. Dermed,logiske variabler i logikkens algebra har bare to verdier: én og null. De kalles binære variabler. For å implementere logisk algebra på elektroniske elementer, er det nødvendig å oversette verdiene til parametrene til disse elementene til språket for logisk algebra (0 eller 1). Du kan stille inn parameterverdier etter spenningsnivå eller pulspolaritet.

Hvis signaler leveres i form av høy (positiv eller negativ polaritet) og lave (nær null) spenningsnivåer, kalles denne metoden for signalforsyning potensial.Hvis høyt spenningsnivå U 1 er tildelt verdien "én", og lav U ° - "null", så kalles logikken positiv (positiv), ellers - negativ (negativ). Forskjellen mellom nivåene en og null kalles en logisk kant U l = U 1 - U 0 . Det må være betydelig, ellers vil det ikke være mulig å tydelig skille et nivå fra et annet.

Hvis signaler leveres i pulsert form, kalles denne metoden for signaltilførsel pulset. I dette tilfellet tilsvarer en logisk tilstedeværelsen av en puls, og en logisk null tilsvarer fraværet av en puls (positiv logikk). Signaler som tilsvarer 1 (eller 0) kan være forskjellige ved inngang og utgang. Potensielle logiske elementer er mest brukt fordi de kan produseres ved hjelp av integrert kretsteknologi.

Elementære logiske operasjoner og typer logiske elementer.

Et system av logiske elementer, på grunnlag av hvilke en logisk krets av enhver kompleksitet kan bygges, kalles funksjonelt komplett. De viktigste og enkleste logiske elementene er elementene som utføreroperasjoner av negasjon (IKKE), konjunksjon (AND), disjunksjon (ELLER).De utgjør et funksjonelt komplett system og er et minimalt basissystem. Hver av disse operasjonene og logiske elementene har et annet navn (tabell 26.1).

Tabell 26.1 Sannhetstabell over fire logiske porter

Denne tabellen gir navn på logiske elementer, betegnelsen på denne operasjonen, viser hvordan operasjonsposten leses, betegnelsen på logiske elementer i funksjonelle diagrammer, samt en sannhetstabell for tilfellet når det er to innganger og en utgang. Sannhetstabellen inneholder reglene og resultatet av operasjonene. Hver linje registrerer tilstanden til signalene ved inngangene (x 1 x 2 ) og resultatet av den logiske operasjonen ved utgangen (y). Generelt kan et logisk element ha n innganger og n utganger.

Et funksjonelt komplett system kan leveres av sammensatte (kombinerte) logiske elementer som utfører logiske operasjoner OG - IKKE, ELLER - IKKE. Deres navn og betegnelser er også gitt i tabell. 26.1.

Logiske elementer utføres både på diskrete enheter og ved bruk av integrerte teknologimetoder.For de fleste serier med integrerte kretser grunnleggende system er de logiske elementene OG - IKKE eller ELLER - IKKE.De produseres i form av separate mikrominiatyrenheter i et forseglet hus.

La oss vurdere de logiske elementene på halvlederenheter. OG- og ELLER-porter kan implementeres ved bruk av motstander, dioder, bipolare transistorer, felteffekttransistorer og tunneldioder. Elementet utføres IKKE på transistorer.

Sammensatte logiske elementer i forskjellige stadier kan implementeres på forskjellige enheter (motstander, dioder, transistorer, både bipolar og felteffekt), dvs. de kan ha forskjellige kretsalternativer. I samsvar med deres design kalles de motstand-transistor-logikk (RTL); diode-transistor (DTL); transistor-transistor (på bipolare transistorer - TTL; på felt ener - p-kanal MOPTL, n -kanal MOPTL; på komplementære felteffekttransistorer - CMOS eller CMOPTL; på transistorer med emitterforbindelser - TLES eller ESL).

En spesifikk logikk på transistorer er injeksjonslogikk - I2L; den har ingen analoger i transistorkretser på diskrete elementer. Kommunikasjon mellom stadier av logiske elementer utføres enten direkte, eller gjennom en motstand, eller gjennom R.C. -kjede. Deretter blir de tilsvarende navnene lagt til navnet på logikken bokstavbetegnelser: NSTL - transistorlogikk med direkte kobling; NSTLM - transistorlogikk med direkte kobling på en MOS-transistor; RETL - transistorlogikk med resistiv-kapasitiv kobling.

Grunnleggende logiske elementer i diskret design.

IKKE port(Tabell 26.1) har én inngang og én utgang og utfører IKKE-operasjonen. Det er et forsterkningstrinn basert på en bipolar eller felteffekttransistor, som opererer i brytermodus. I fig. 26.1 viser NOT-elementet på en bipolar npn transistor koblet i henhold til kretsen med OE.

Elementet er designet for å fungere med signaler om positiv polaritet i positiv logikk. Transistor T er lukket av et negativt potensial ved basen forsynt fra kilden EB. Når et lavnivåsignal U tilføres inngangselementet i = U 0 , tilsvarende logisk 0, forblir transistoren lukket, kollektorstrømmen er null, dvs. gjennom motstand R K ingen strøm flyter og utgangsspenning U ut = +E K , dvs. høyt nivå U 1 , tilsvarende logisk 1.

Ved høyt spenningsnivå ved inngang U i = U 1 transistoren er i metningsmodus, en kollektorstrøm vises på motstanden R K det skapes et spenningsfall omtrent lik E K , og utgangsspenningen er omtrent null (U ut = U 0 ), dvs. det vil være en logisk null. Så hvis x = 0, så er y = 1, hvis x = 1, så er y = 0, dvs. elementet er inverter - utfører en negasjonsoperasjon.

Merk: Det skal bemerkes at hvis elementet er laget på en silisiumtransistor med n-p-n-struktur, vil forspenningskilden E B du kan ikke slå den på, siden selv ved positive potensialer ved basen (opptil 0,6 V) er transistoren praktisk talt lukket.

OG port(Tabell 26.1)

Den kan ha to (eller flere) innganger og én utgang og operere med både potensial- og pulssignaler. En analog av den kan være en krets av relékontakter koblet i serie. La oss vurdere driften av AND-elementet, laget på dioder.

Et element designet for å arbeide med signaler i form av spenninger (eller pulser)positiv polaritet i positiv logikk, vist i fig. 26.3, a. Den har tre innganger og en utgang.Elementet implementerer OG-operasjonen ifsignal 1 vises på utgangen bare når signal 1 er tilstede på alle innganger samtidig. I dette tilfellet, hvis minst én inngang inneholder et signal som tilsvarer logisk null, må det sendes gjennom en åpen diode til utgangen og sørge for blokkering av de diodene som påvirkes av signaler som tilsvarer logisk 1 fra inngangssiden. vil anta at motstanden til den åpne dioden er R dotkr << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U 0 < Е < U 1 .

Hvis ved en av inngangene til kretsen, for eksempel Bx 1 U-signalet er aktivt 0, deretter diode D 1 vil være åpen og strømmen vil flyte gjennom +E-kretsen, motstand R, diode D 1, kilde U 0 . Hele spenningen til kilden E vil bli påført motstanden R og utgangsspenningen vil være lik U 0 , dvs. utgangssignalet er logisk null. De resterende inngangene har et høyt potensial U 1 , så diodene er lukket siden deres anode er koblet til utgangsterminalen med et lavt potensial U 0 , og katoder - til et høyt positivt potensial U 1 .

Hvis spenning U tilføres alle innganger 1 , da vil alle dioder lukkes, strømmen i kretsen er +E K , R, lukket diode, kilde U 1 passerer ikke og spenningsfallet over motstand R er null. Utgangsspenning E > U 0 , som tilsvarer logisk 1. Hvis altså minst én av inngangene påvirkes av et signal som tilsvarer logisk null, tilsvarer utgangssignalet også logisk null. Utgangssignalet tilsvarer logisk 1 bare hvis signalene på alle innganger tilsvarer logisk en.

I fig. 26.3,b, d, e viser elementer designet henholdsvis for å arbeide med signaler med negativ polaritet i positiv logikk, positiv (fig. 26.3, d) og negativ (fig. 26.3, e) polaritet i negativ logikk. Merk at det samme elementet kan operere fra både positive og negative signaler, men polariteten til strømforsyningen må være positiv (+E) for positive signaler og negativ (-E) for negative signaler. Elementene fungerer på samme måte som elementet i fig. 26.3, a. De vanligste elementene vist i fig. 26.3, a, d.

OG-elementet kan fungere uten strømkilde. I dette tilfellet er bare to alternativer for å slå på dioden mulig, og elementet i fig. 26.3, implementerer OG-operasjonen bare fra signaler med negativ polaritet i positiv logikk, og elementet i fig. 26.3, e - bare fra signaler med positiv polaritet i negativ logikk. Elementer uten strømforsyning er mindre å foretrekke enn de med strømforsyning.

ELLER port(Tabell 26.1)

Den kan ha to (eller flere) innganger, én utgang og operere med både potensial- og pulssignaler. En analog av den kan være en krets av parallellkoblede releer.

La oss vurdere et OR-element laget på dioder og designet for å operere fra signaler i form av spenninger (pulser)positiv polaritet i positiv logikk.For at et element skal implementere ELLER-operasjonen, er det nødvendig at utgangssignalet har verdien 1 bare når minst en av inngangene har et signal på 1. I dette tilfellet skal signal 1 ved inngangen sørge for blokkering av alle dioder som påvirkes av signal 0 fra inngangssiden.. Potensialforhold til lav U-signalkilden 0 og høy U 1 nivåer og strømforsyning E til kretsen er den samme som i kretsen til element I: U 0 < E < U 1 (если U 1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии R Dotcr ≈ 0.

Hvis alle innganger er levert lav spenning U 0 , alle dioder er lukket, siden potensialet til anodene deres er lavere enn potensialet til katodene (φ K = -E); derfor er utgangsspenningen E< U 1 , dvs. ved utgangen tilsvarer signalet logisk 0. Når det påføres minst én av inngangene, for eksempel In 1 , høyspenning U 1 diode D vil åpne 1 , som er koblet til denne inngangen, og siden motstanden til den åpne dioden er null, så er potensialet φ K = +U 1 og utgangen har et signal U 1 (logisk 1). Hvis på dette tidspunktet en lavpotensial U påføres noen dioder på inngangssiden 0 , vil de være lukket, siden deres katoder vil få en potensiell φ K = +U 1 . Dermed vil utgangssignalet tilsvare logisk 1 hvis minst en av inngangene (enten den første, eller den andre eller den tredje) signalet tilsvarer logisk 1.

La oss sammenligne fig. 26.5, a, som viser et ELLER-element designet for å operere fra positive polaritetssignaler i negativ logikk, fra fig. 26.3, g. De er like. Dermed kan det bemerkes at en ELLER-port i positiv logikk kan utføre en OG-operasjon i negativ logikk og omvendt. Alle elementer og i fig. 26.3, i en annen logikk enn for AND-elementet, implementer OR-operasjonen.

OR-elementet, som AND-elementet, kan ikke inneholde en strømkilde. Element i fig. 26.5,b er designet for å operere fra signaler med positiv polaritet i positiv logikk, og i fig. 26,5, inn - fra signaler med negativ polaritet i negativ logikk. Sammenligning av disse OR-elementene med OG-elementene i fig. 26.3, c, f bekrefter at begge elementene kan utføre begge operasjoner: AND og OR; element AND (OR) - i positiv logikk, i negativ logikk - OR (AND).

OR - NOT og AND - NOT-operasjonene dannes ved å invertere resultatene oppnådd ved å utføre henholdsvis OR- og AND-operasjonene:

ELLER - IKKE (26.1)

OG IKKE (26.2)

som man kan se av sannhetstabellen for to inngangselementer (tabell 26.2).

Tabell 26.2 - sannhetstabell for to inngangselementer

Et element som utfører AND - NOT-operasjonen i positiv logikk (tabell 26.3) vil utføre OR - NOT-operasjonen i negativ logikk (tabell 26.4).

Tabell 26.3 Tabell 26.4

Integrerte logiske elementer er designet for å fungere med signaler i potensiell form. De kan utføres ved hjelp av forskjellige typer logikk. Typen logikk påvirker egenskapene til elementet. I integrerte bipolare mikrokretser brukes ofte n-p-n-type silisiumtransistorer (se merknad om NOT-elementet). I metningsmodus er spenningen mellom emitteren og kollektoren til slike transistorer relativt høy (0,4 V og over).

Forelesning 27

Grunnleggende om digitale kretsløp

27.1 logiske elementer på transistorer

OG-logikkelementet er IKKE diode-transistorlogikk (DTL). Inngangssignaler mates til OG-elementet, tas utgangssignalet fra IKKE-elementet. Ved utgangen av OG - IKKE-elementet vil altså signalet være logisk 1 dersom det er et signal som tilsvarer logisk 0 ved inngangen til NOT-elementet. For at dette skal skje, må minst én inngang til OG-elementet være leveres med et signal som tilsvarer logisk 0. Logisk OG element - IKKE for signaler med positiv polaritet er vist i Fig. 27.1. Det er en forbindelse gjennom dioder D Med to elementer: et diodeelement OG og et transistorelement NOT (se henholdsvis fig. 26.3, a og fig. 26.1, som viser elementene NOT og AND). I dette tilfellet har ikke "NOT"-elementet en forskyvningskilde E B , basert på en kommentar tidligere om driften av silisiumtransistorer. I tillegg må spenningsverdiene som tilsvarer logisk 0 og 1 velges riktig, siden ved en grunnspenning litt mindre enn 0,6 V, vil transistoren være lukket, og i metningsmodus, spenningen mellom emitter og kollektor er 0,4 V (og høyere).

La oss vurdere funksjonen til elementet. Hvis spenning U tilføres alle innganger 1 (logisk 1), alle dioder (D 1 D 2, D 3 ) vil bli lukket og strømmen i kildekretsen E 1, motstand R 1 , åpne dioder Dc vil gå inn i basen av transistoren. På grunn av spenningsfallet over motstand R 1 potensial φ 1 vil være litt under potensiell +E 1, diode D 1 potensialet til basen φ vil også bli åpnet B transistoren er mindre enn potensialet φ 1 til verdien av spenningsfallet over diodene Dc (men over 0,6V, så transistoren vil være i metningsmodus). Elementutgangen vil IKKE settes til lavspenning U 0 , tilsvarende logisk 0. Hvis minst én inngang, for eksempel In 1 , vil spenning U påføres 0 , deretter den tilsvarende dioden D 1 potensialet φ vil også være åpent 1 vil være ≈ U 0 . Aktuell fra kilde E 1 vil gå gjennom motstand R 1 . En del av strømmen vil lukkes gjennom den åpne dioden D 1 ; kilde U 0, kilde E 1 , delvis gjennomgående forspenningsdioder Dc, motstand R 2 og kilde E 1 . Grunnpotensial φ B = U BE vil være under potensialet φ 1 til verdien av spenningsfallet over forspenningsdiodene DC. I dette tilfellet beregnes elementet på en slik måte at spenningsfallet over diodene Dc er slik at φ B = U BE > 0, men betydelig mindre enn 0,6V. I dette tilfellet vil transistoren være lukket og spenningen ved utgangen til NOT-elementet vil være lik E K > U 0 , dvs. vi får logisk 1.

OG gate - IKKE transistor-transistor logikk (TTL). Det enkleste elementet OG - IKKE er vist i fig. 27.2, a. Den består av to deler: et OG-element på en multi-emitter transistor T 1 og NOT-elementet på transistoren T 2 . Direkte tilkobling: samler T 1 koblet til basen til transistoren T 2 . Forspenning i basiskretsen til transistoren T 2 utfører samlerovergang T 1 . Tre emitterkryss T 1 koblet til inngangen til elementet (fig. 27.2,b), utføre funksjonene til inngangsdioder i OG-kretsen på dioder.

Sammenlignet med DTL-elementer har TTL-elementer høyere ytelse. Elementet er laget ved hjelp av integrert kretsteknologi, så det inneholder ikke reaktive elementer. Den opererer fra signaler i form av spenninger med positiv polaritet.

La oss vurdere prinsippet om drift av slike elementer. Hvis spenning U tilføres alle innganger 1 , så vil alle emitterkryss forskyves i motsatt retning. Samlerpotensial for transistor T 2 viser seg å være nær null, base-kollektorkrysset er forskjøvet i foroverretningen på grunn av kilden +E K. Transistor T 1 vil være i invers modus, transistor T 2 - i metningsmodus. Samlerstrøm transistor T 1 flyter inn i bunnen av transistoren T 2 , og lar sistnevnte være i metningsmodus. Dermed vil utgangen være en lavnivåspenning U 0 , dvs. logisk 0.

Hvis spenning U påføres en av inngangene 0 , deretter transistorbasispotensialet T 1 vil bli høyere enn emitter- og kollektorpotensialene, så T 1 vil være i metningsmodus og basisstrømmen vil stenge gjennom emitterkryssene T 1 og vil ikke gå til samleren sin, og derfor til basen T 2 . Derfor transistor T 2 vil være lukket, og ved utgangen vil det være en høyspenning (logisk 1). Dermed utfører elementet OG - IKKE-operasjonen, siden et logisk nullsignal kan sendes ut ved utgangen bare når et logisk ett-signal påføres alle innganger.

27.2.1 ELLER gate - IKKE p-kanal MOSFET-logikk (MOSTL)). I logiske kretser felteffekttransistorer bruker bare MOS-transistorer med SiO-dielektrisk 2 . De viktigste fordelene med MOS-transistorkretser sammenlignet med andre kretser er en høy grad av integrasjon og økt støyimmunitet.

La oss vurdere en OR - NOT-krets på en MOS-transistor med en indusert n-kanal (fig. 27.3). I motsetning til de tidligere diskuterte kretsene, i stedet for en lastmotstand R K det er en MOS-transistor (i diagrammet i fig. 27.3 er det betegnet T K ). Dette er fordi en belastningsmotstand vil øke arealet av kretsen betraktelig. Logiske transistorer T 1 og T 2 koblet parallelt. Inngangsspenningen på hver av dem er lik portspenningen: U VX1 = U ZI1, U VX2 = U ZI2 ; utgangsspenning er lik dreneringsspenning: U UT = U SI . Tilførselsspenningen velges vanligvis til å være tre ganger større enn terskelen Uthr (Uthr er portspenningen som en kanal dannes ved).

Hvis Upor = 2.0V, er den logiske differensialen (forskjellen mellom inngangen og terskelspenning) er 4 V. Logiske nivåer tilsvarer utgangsspenningene til åpne og lukkede transistorer. Hvis begge inngangene forsynes med en spenning mindre enn terskelen (tilsvarer logisk null), vil transistorer T 1 og T 2 vil bli stengt, og avløpsstrømmen vil være nesten lik null. I dette tilfellet vil dreneringsstrømmen til lasttransistoren T K vil også være lik null. Derfor vil utgangsspenningen være nær spenningen til strømkilden E C og tilsvarer logisk 1.

Hvis en spenning som overstiger terskelen (tilsvarende logisk 1) påføres inngangen til minst en transistor, vil denne transistoren åpne og en dreneringsstrøm vises. Så ved utgangen av kretsen vil det være en restspenning betydelig mindre enn terskelspenningen, som tilsvarer logisk 0.

27.2.2 Komplementær transistor MOS-logikk (CMOS).Et særtrekk ved CMOS-kretser sammenlignet med bipolare teknologier (TTL, ESL, etc.) er svært lavt strømforbruk i statisk modus (i de fleste tilfeller kan det antas at energi bare forbrukes under tilstandsbytte). Et særtrekk ved CMOS-strukturen sammenlignet med andre MOS-strukturer (N-MOS, P-MOS) er tilstedeværelsen av både n- og p-kanals felteffekttransistorer (fig. 27.4); Som et resultat har CMOS-kretser høyere driftshastigheter og lavere strømforbruk, men er preget av mer komplekse produksjonsprosesser og lavere emballasjetettheter.

Tenk for eksempel på en 2I-NOT-portkrets bygget ved hjelp av CMOS-teknologi (Figur 27.5).

Hvis et høyt nivå påføres både innganger A og B, er begge transistorene i bunnen av kretsen åpne, og begge topptransistorene er lukket, det vil si at utgangen er koblet til jord.

Hvis et lavt nivå påføres minst én av inngangene, vil den tilsvarende transistoren være åpen øverst og lukket nederst. Dermed vil utgangen kobles til forsyningsspenningen og kobles fra jord.

Det er ingen belastningsmotstander i kretsen, så i en statisk tilstand flyter bare lekkasjestrømmer gjennom CMOS-kretsen gjennom transistorene utenfor kretsen, og strømforbruket er svært lavt. Ved bytte Elektrisk energi brukes hovedsakelig på å lade kapasitansene til porter og ledere, slik at strømmen som forbrukes (og forsvinner) er proporsjonal med frekvensen til disse svitsjene (f.eks. klokkefrekvens prosessor).

2OR-NOT-kretsen (Figur 27.6) fungerer som følger: når begge inngangene er lave, er begge transistorene på toppen åpne og utgangen er høy. Hvis et høyt nivå påføres en av inngangene, vil en av transistorene i bunnen være åpen og utgangen kobles til jord.

På figuren med topologien til 2I-NOT-mikrokretsen kan du se at den bruker to dobbelgate-felteffekttransistorer med forskjellig design. Den øvre to-gate-FET utfører 2OR-logikkfunksjonen, og den nedre to-gate-FET utfører 2I-logikkfunksjonen.

Nedenfor er 2OR-NOT-skjemaet brukt ved OJSC Integral.

Alle betegnelser i figur 27.6 er hentet fra ventilnivåbiblioteket til JSC Integral. Der (i biblioteket) er tidsforsinkelser og effekttap ved ulike ventilbelastninger og dens topologiske implementering gitt.

De aller fleste moderne logiske brikker, inkludert prosessorer, bruker CMOS-kretser.