Тема. 9. Цифрові елементи та пристрої

9.1. Загальна характеристика цифрових логічних інтегральних мікросхеm

Для обробки і перетворення інформації в пристроях імпульсної техніки широко застосовують цифрові методи. ці методи базуються на використанні сигналів у цифровій формі, що мають два фіксованих рівня напруги: високий та низький. Цим рівням напруг приписують логічні символи 1 та 0.

Сигнали в цифровій формі обробляються цифровими (логічними) інтегральними мікросхемами (ЦІMС), на яких базуються цифрові пристрої та сис­теми. Головним елементом ЦІMС є електронний ключ, який може перебувати в одному з двох станів. Цим станам відповідає одне з двох фіксованих зна­чень електричної величини: наявність або відсутність імпульсу, високий або низький потенціал. Оскільки більшість ЦІMС потенціальні, то сигнали на їх входах й виходах створюють високий або низький рівень напруги. Такі сиг­нали, здатні приймати два дискретних значення, називають двійковими змін­ними.

За способом кодування сигналів в ЦІMС розрізняють позитивну й нега­тивну логіки. Для позитивної логіки високому рівню напруги приписують стан логічної 1 , а низькому – логічного 0, для негативної логіки – навпаки. Так само як і аналогові мікросхеми, ЦІМС випускаються серіями. Мікросхеми різних серій мають два й більше входів. Кількість виходів обмежується числом зовнішніх виводів стандартних корпусів і загалом не перевищують восьми. За функціональними ознаками ЦІМС поділяються на такі підгрупи: логічні елементи, тригери, елементи арифметичних пристроїв та ін. Найширше в цифрових пристроях і системах застосовують інтегральні логічні елеме­нти: І, АБО, HІ, І– HІ, АБО– НІ і т. д.; види тригерів: RS, Т, JK, D і т. д.

Для оцінки властивостей логічних елементів використовують вхідну, ви­хідну й передавальну статистичні характеристики. Вхідна характеристика являє собою залежність І_вх = ƒ(U_вх), коли І_вих = 0 і служить для роз­рахунку умов узгодження даного елемента з попереднім у різних режимах роботи. Вихідна характеристика описується залежністю І_вих = ƒ(U_вих), коли І_вх = 0 і дозволяє розраховувати уми ви узгодження даного елемента з наступним, тобто оцінити навантажувальну здатність даного елемента. Передавальна характеристика – залежність U_вих = ƒ(U_вх), коли І_вих = 0, необхідна для визначення порогів спрацьовування елементів і їх завадо­стійкості у тій або іншій схемі.

Статистичні характеристики дозволяють визначити стяти. нічиї па­раметри ЦІMС: потужність споживання в сполученні логічного 0 ; потужність споживання в сполученні логічної 1 ; середня потужність споживання Р_спож.с – півсума потужностей, що їх споживає мікросхема від джерел живлення в двох різних стійких станах; вхідна й вихідна напруги логічного 0; вхідна й вихідна напруги логічної 1; вхідний і вихідний струми логічного 0; вхідний і вихідний стру­ми логічної 1; порогова напруга логічного 0 – найбільше значення низького рівня напруги в момент переходу з одного стійкого стану в інший; порогова напруга логічної 1 – найменше значення високого рівня на­пруги в момент переходу з одного стану в інший; коефіцієнт об’єднання за входом К_об – число входів мікросхеми, за яким реалізується логічна функ­ція; коефіцієнт розгалуження за виходом К_розг – число одиничних наван­тажень, які можна одночасно під’єднати до виходу мікросхеми; припустима напруга статистичної завади U_{ст. з} – найбільша припустима напруга статичної завади для високого й низького рівнів вхідної напруги, за якої ще не відбувається зміна рівнів вихідної напруги мікросхеми.

Властивості мікросхеми в режимі перемикання характеризуються такими динамічними параметрами: час переходу логічної мікросхеми зі стану логіч­ного 0 до стану логічної 1 t^0,1 – інтервал часу, за який напруга на виході переходить від напруги логічного 0 до напруги логічної 1, виміряної на рівнях 0,1 та 0,9; час переходу логічної мікросхеми зі стану логічної 1 до стану логічного 0; час затримки вмикання – інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами при переході напруги на виході від напруги логічного 0 до напруги логічної 1, виміряної на рівні 0,9; час затримки поширення сигна­лу в момент вмикання – інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами при переході напруги на виході від­ напруги логічної 1 до напруги логічного 0, виміряний на рівні 0,5 амплітуди імпульсу; час затримки поши­рення сигналу в момент вимикання – інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами при переході напруги від напруги логічного 0 до напруги логічної 1, виміряної на рівні 0,5 амплітуди імпульсу; середній час затримки поширення сигналу – інтервал часу, що дорівнює півсумі часу затримки поширення сигналу в моменти вмикання й вимикання мікросхеми.

Перші ЦІMС виготовлялися в гібридному тонкоплівковому (серії К205, К217, К243) або товстоплівковому (серії К202, К204, К215) варіантах. Тепер перевага надається напівпровідниковим ЦІМС, що мають завдяки вдоскона­ленню технологічних процесів стабільніші параметри й меншу вартість.

Аналіз роботи ЦІMС базується на використанні апарату математичної логіки, в основі якої лежить розуміння події, яка оцінюється лише з позиції її настання. Подія може настати або не настати. Подій, які б одночасно і наста­вали і не наставали, не існує. Отже, кожній події можна приписати значення істинності, що дорівнює 1 або 0. Наприклад, будь–яку подію можна позначити символом х і вважати, що х = 1, якщо подія відбулася, і х = 0, якщо подія не відбулася. Це дуже зручно для виконання операцій у двійковій системі числення, де є лише дві цифри: 1 та 0.

Будь–яку величину, яка може мати два значення (1 або 0), в алгебрі логіки називають двійковою змінною. При цьому кожній двійковій змінній, напри­клад Х, ставиться у відповідність зворотна інверсія або додаткова до неї змінна так, що коли х = 0, то коли х = 1, то . Змінну належить читати як НЕ х.

Якщо з простими подіями здійснити логічні операції, можна отримати складну подію або логічну функцію, що називається двійковою функцією. Виконання логічних операцій над двійковими змінними лежить в основі обробки інформації.

Як відзначалося раніше, ЦІМС являє собою ключі, які мають в загаль­ному випадку т ≥ 1 входів та п ≥ 1 виходів (рис. 9.1) і реалізують означе­ну логічну перемикальну функцію:

y_j = ƒ(x₁, x₂, x₃, ... , x_і, ... , x_m), j = 1,2,3,…, п, (9.1)

де х_і – інформаційне значення вхідних сигналів, що дорівнюють логічній 1 та логічному 0; у_j – інформаційні значення вихідних сигналів, які в залежності від Х; можуть приймати лише значення 1 або 0. При цьому для зображення двійкових змінних в електронних системах використовують електри­чні сигнали. Для кращого сприйняття суті логічної дії, вираженої логічною функцією (9.1), її часто задають у вигляді таблиці стану вхідних х_і та вихід­них у_j змінних. Таку таблицю називають таблицею істинності або перемика­льною. Розглянемо основні логічні функції двох змінних.

Найпростішою логічною функцією є функція НІ, що називається також логі­чним запереченням або інверсією. Така функція позначається рискою над змінною

у = (9.2)

і читається так: у дорівнює не х. Логічну функцію HІ реалізує логічна мікросхема НІ, умовне графічне позначення якої показано на рис: 9.2, а.

Логічна функція АБО називається диз'юнкцією (логічним додаванням) і позначається символами "+" або V (від латинського слова vеl – або):

у = х₁ + х₂ + х₃ + ... + х_т = х₁ V х₂ V х₃ V ... V х_т. (9.3)

Логічна функція АБО справжня тоді, коли справжні хоча б одна змінна х або декілька змінних. Схема, що реалізує цю функцію, називається логічною схемою АБО (схемою збирання) і має умов не графічне позначення, подане на рис. 9.2, б (символ І позначає функцію АБО).

Логічна функція І називається кон’юнкцією (логічним множенням і позначається символами «·» або Λ:

у = х₁·х₂·х₃· ... ·х_т = х₁Λ х₂ Λ х₃ Λ...Λ х_т. (9.4)

Логічна функція І справжня тоді, коли справжні всі логічні змінні х. Логічну функцію І реалізують логічні мікросхеми І (схеми збігу).

Рис. 9.2

Графічне позначення схеми І показано на рис. 9.2, в (символ & позначає функцію І).

За допомогою розглянутих логічних схем НІ, АБО, І можна реалізувати логі­чну функцію будь–якої складності чи створити скільки завгодно складний у функціональному відношенні цифровий пристрій. Система рівнянь (9.2)­ – (9.4) є функціонально повною, а схеми НІ, АБО, І називають функціонально повною системою логічних елементів. При цьому доведено, що для побудо­ви будь–яких цифрових систем достатньо використовувати лише дві схеми з трьох основних: схеми АБО та НІ, попарно об’єднавши які, отримують два універсальних логічних елементи: І–HІ, АБО–НІ.

Елемент І–НІ виконує логічну функцію, що називається запереченням кон’юнкції (штрих Шефера). Ця функція хибна лише тоді, коли всі змінні х істинні:

(9.5)

Функцію І–НІ називають також функцією заперечення логічного добутку вхідних сигналів. Умовне графічне позначення логічного елемента І–НІ показано на рис. 9.2, г.

Елемент АБО–НІ виконує логічну функцію, що називається запереченням диз’юнкції (стрілка Пірса), яка справжня лише тоді, коли всі змінні х хибні:

(9.6)

Функцію АБО–НІ називають також функцією заперечення логічного до­давання вхідних сигналів. Умовне графічне позначення логічного елемента АБО–НІ, що реалізує логічну функцію заперечення диз’юнкції, показано на рис. 9.2 д.