1.5. Основні характеристики цифрових мікросхем.

1.5.1. Поняття елементів, вузлів і пристроїв.

У цифровій схемотехніці виділяють такі поняття, як:

- елементи;

- вузли;

- пристрої.

Мал.1.7

Елементи це найменші неподільні мікроелектронні вироби, призначені для виконання логічних операцій або зберігання біта інформації. До елементів умовно відносяться підсилювачі, перетворювачі, формувачі сигналів та ін. Елементи будуються на основі двопозиційних ключів, що технічно реалізується найпростіше всього. Елементи з двома станами називаються двійковими.

На входах і виходах двійкового елемента діють напруги, які набувають у сталому режимі двох значень – високого UH і низького UL рівнів ( від англійських слів High i Low). Ці напруги відображають електричні сигнали. 2. Основні характеристики логічних елементів. Сигнал з двома станами називається двійковим. Перехід елемента з одного стану в інший називається його перемиканням. До елементів відносяться логічні елементи НЕ, І, ЧИ, НЕ-І, НЕ-ЧИ, НЕ-І-ЧИ, тригери, підсилювачі, генератори імпульсів, перетворювачі сигналів. Елементарні дії, які виконуються за один машинний такт називаються мікро операціями.

Вузли це комбіновані схеми, побудовані на елементах і здатні виконувати декілька мікро операцій за машинний такт. Вони бувають комбіновані і послідовнісні.

У комбінованих схемах логічний стан виходів елементів залежить від комбінації вхідних сигналів у даний момент часу (суматори, дешифратори, шифратори, мультиплексори і демультиплексори, схеми порівняння (компаратори) кодопередавачі).

У послідовнісних схемах логічне значення виходів визначають як комбінацією вихідних сигналів, так і станам пам’яті схеми у даний момент часу (регістри, лічильники, генератори чисел).

Пристрої це функціональні системи, які здатні виконувати певні функції. До них відносяться пристрої введення і виведення інформації, пристрої запам’ятовування, арифметико-логічні пристрої, пристрої керування, пристрої відображення інформації.

У цифровій схемотехніці для керування логічними операціями, одночасним включенням елементів та вузлів, керуванням пристроями використовують генератори тактових імпульсів (ГТІ) або синхронізатори, які виробляють періодичну послідовність прямокутних імпульсів (Мал. 1.8). Ці імпульси називають тактовими або синхроімпульсами (С). Початок кожного імпульсу С називається тактовим моментом. Часовий інтервал між двома сусідніми імпульсами С називається машинним тактом Тс. На початку кожного імпульсу С відбувається зміна інформації на входах елементів, вузлів і пристроїв. Частота ГТІ вимірюється у мегагерцах (МГц). Принцип подачі інформації на входи елементів, вузлів і пристроїв у тактові моменти називається дискретизацією сигналів у часі. У цифровій схемотехніці застосовуються два основних види двійкових сигналів: потенціальні й імпульсні (Мал. 1.9).

Сигнал, який змінюється тільки в тактові моменти часу, називаються потенціальним.

Сигнал, що наростає в тактовий момент, а спадає до закінчення такту, називається імпульсним.

У логіці значення двійкового сигналу і відповідно змінної Х кодується символами 0 – логічний нуль та 1 – логічна одиниця. Напруга +5 вольт відповідає лог. 1, а напруга 0 вольт відповідає лог. 0. Це позитивне кодування. При негативному кодуванні навпаки: напруга + 5 вольт – лог.0, а напруга 0 вольт – лог. 1.

За конструкційно – технологічним виготовленням елементна база цифрової схемотехніки складається з інтегральних мікросхем (ІМС). Мікросхеми класифікують за такими ознаками:

- технологією виготовлення: напівпровідникові, гібридні, плівкові;

- конструкційним оформленням: корпусні, без корпусні;

- формою оброблення інформації: аналогові, цифрові й аналогово-цифрові;

- ступенем інтеграції (складності): малі - до 100 компонентів, середні - від 100 до 1000 компонентів, великі - до 100 000 компонентів, надвеликі - до 1 млн. компонентів й ультра великі – 10 млн. й більше;

- типом активних елементів: на біполярних транзисторах і МОН – транзисторах;

- областю застосування: широкого застосування, спеціалізовані;

- використовуваними матеріалами: кремнієві, арсенід – галієві;

- перспективними напрямками є кріомікроелектронні, акустоелектронні, оптоелектронні, молекулярної електроніки та інш.

Щільність упакування елементів в напівпровідникових ІМС складає компонентів на сантиметр кубічний, а для гібридних 100 – 200 компонентів на сантиметр кубічний.