Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

6.Поясните суть термина «вес разряда» для систем счисления.

7.Для логического элемента «И» приведите:

-схему из двух ключей;

-описание на естественном языке

-условные обозначения (по ГОСТ; по стандарту МЭК; по стандарту DIN; по стандарту milspek;

-таблицу истинности;

-булево выражение.

8.Для логического элемента «ИЛИ» приведите:

-схему из двух ключей;

-описание на естественном языке

-условные обозначения (по ГОСТ; по стандарту МЭК; по стандарту DIN; по стандарту milspek;

-таблицу истинности;

-булево выражение.

9.Для логического элемента «НЕ» приведите:

-описание на естественном языке

-условные обозначения (по ГОСТ; по стандарту МЭК; по стандарту DIN; по стандарту milspek;

-таблицу истинности;

-булево выражение.

10.Для логического двойного инвертирования приведите:

-описание на естественном языке

-условные обозначения (по ГОСТ; по стандарту МЭК; по стандарту DIN; по стандарту milspek;

-таблицу истинности;

-булево выражение.

11.Для логического элемента «И-НЕ» приведите:

-описание на естественном языке

-условные обозначения (по ГОСТ; по стандарту МЭК; по стандарту DIN; по стандарту milspek;

-таблицу истинности;

-булево выражение.

12.Для логического элемента «ИЛИ-НЕ» приведите:

-описание на естественном языке

-условные обозначения (по ГОСТ; по стандарту МЭК; по стандарту DIN; по стандарту milspek;

-таблицу истинности;

-булево выражение.

13.Для логического элемента «исключающее ИЛИ» приведите:

-описание на естественном языке

-условные обозначения (по ГОСТ; по стандарту МЭК; по стандарту DIN; по стандарту milspek;

-таблицу истинности;

-булево выражение.

14.Какие сигналы принято называть цифровыми?

15.Что такое «потенциальный способ» задания логических переменных?

16.Что такое «импульсный способ» задания логических переменных?

17.Что такое «синхронный способ» счёта информации?

18.Какими свойствами должны обладать элементарные узлы реального цифрового устройства для обеспечения его надежной работы?

19.Что такое совместимость уровней входных и выходных сигналов элементарных узлов цифрового устройства?

20.Что такое нагрузочная способность логического элемента?

21.Дайте объяснение формирующим свойствам логического элемента.

22.Что понимается под помехоустойчивостью базовых элементов?

23.Приведите определение характеристики импульсной помехоустойчивости.

24.Чем определяется быстродействие логического элемен-

та?

25.Какой интегральный параметр применяется для сравнения характеристик микросхем?

26.Какие способы ввода – вывода информации существуют для логических устройств? Приведите их особенности.

27.В чем различие всех логических устройств по их принципу действия?

28.Назовите виды схемотехнических решений логических устройств и приведите их особенности.

Лекция 15

Тема: схемотехника цифровых интегральных схем Схемотехника логических элементов

Цифровыми интегральными схемами (ЦИС) называют микросхемы, работающие с цифровыми сигналами. Обычно используется двоичный код, т.е. сигнал может принимать одно из двух значений, условно называемых «0» или «1». Мы будем рассматривать положительную логику, т.е. считать, что логическому нулю соответствует низкий, а логической единице - высокий уровень напряжения. Основа большинства ЦИС - транзисторный ключ.

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовойэлектроники.Параметрыихарактеристикитранзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальномуулучшениюэлектронных устройств и часто сопровождается пересмотромиспользующихсясхемотехническихрешений.

Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием при разработке импульсных силовых устройств. Эти знания оказывают существенную помощь и приконструированииустройствцифровойэлектроники.

Распространены ключи, в выходных цепях которых используются источники постоянного напряжения (источники питания). Назначение таких ключей состоит в том, чтобы создать на выходе или напряжение, близкое к нулю (когда ключ открыт), или напряжение, близкое к напряжению питания (когда ключ закрыт, а ток, потребляемый нагрузкой, подсоединенной к ключу, достаточно мал). Такая работа характерна для

ключей цифровой электроники (их называют цифровыми ключами)исиловойэлектроники.

Винформативнойэлектроникеиспользуютсятакжеиключи, имеющие другое назначение. Оно состоит в том, чтобы соединять или рассоединять источник входного, содержащего информацию аналогового сигнала и приемник этого сигнала. Такие ключи принято называть аналоговыми. Их также называют аналоговымикоммутаторами/1/.

15.1. Ключ на биполярном транзисторе

На рис.15.1 показана простейшая схема ключа на биполярном транзисторе.

рис.15.1.

Пусть на вход подаются прямоугольные импульсы, т.е. чередование уровней логического нуляU0 и логической единицы U1 . Построив нагрузочные прямые на входной характеристике и на семействе выходных характеристик (рис. 152), найдем значения U0 и U1 на входе и на выходе. Из рис. 15.2. видно, что ток коллектора в режиме насыщения

на входе и на выходе были одинаковыми. При U U0 транзистор закрыт, ток коллектора мал, но напряжение на выходе соответствует уровню логической единицы и при-

ближается к напряжению питания Е. При Uвх U1 тран-

зистор открыт и насыщен, а выходное напряжение

U U0 . Это значит, что транзисторный ключ инвертирует логические сигналы, т.е. является инвертором.

15.2. Транзисторная логика с непосредственными связями (НСТЛ)

Схема показана на рис. 15.3. Если на оба входа подан низкий уровень напряжения, т.е. Х1 = Х2 = 0, то оба транзи-

стора закрыты, токи коллекторов малы, напряжение на вы-

ходе схемы почти равно напряжению питания Uк = ~Е, т.е.

Y 1 Если хотя бы на одном из входов будет высокий уровень напряжения (например, X1 1), то один из тран-

зисторов открыт и насыщен, ток коллектора Iкн I* E , на

R

коллекторе низкое остаточное напряжение, т.е. Y 0. Таким образом, схема НСТЛ выполняет операцию ИЛИ-НЕ

(табл.15.1):

рис.15.3

табл.15.1

Достоинство схемы - простота и хорошее быстродействие. Напомним, что эмиттерный переход кремниевого тран-

зистора открывается при Uбэ =0,6 В. Поскольку входные

сигналы подаются непосредственно на базы, размах логического сигнала U 0,6 В.

На рис. 15.3 пунктиром показан вход следующей схемы, являющийся нагрузкой для данной схемы.

Большим недостатком НСТЛ является то, что при небольшом разбросе входных характеристик транзисторов ток нагрузки распределяется неравномерно. Это снижает надежность работы таких схем.

15.3.Схема РТЛ (транзисторная логика

срезистивной связью)

отличается от НСТЛ только наличием резисторов в базовых цепях (рис.15.4).

рис.15.4

В схемах РТЛ не сказывается разброс входных характеристик, размах входного сигнала увеличивается до 1,5...2 В, но резко уменьшается быстродействие, так как увеличивается время нарастания.

Чтобы увеличить быстродействие, пытались применить схему РЕТЛ (резистивно-емкостная транзисторная логика), т.е. параллельно базовым резисторам подключить конденсаторы, как показано на рис. 15.4 пунктиром.

Во время переключения конденсаторы закорачивают резисторы, что уменьшает длительность переднего фронта импульса.

Однако конденсаторы занимают большую площадь на подложке, что ведет к уменьшению степени интеграции. Кроме того, всем схемам с коллекторной связью присущ общий недостаток - зависимость уровня логической единицы U1 от числа нагрузок. Чем больше однотипных микросхем подключено к выходу, тем больший ток течет через резистор R в базовые цепи нагрузок, и тем меньше становится выходное напряжение Uвых U1 E IR. Нагрузочная способность этих схем мала (п< 4). Все эти недостатки привели к отказу от схем с коллекторной связью и в современных микросхемах они не применяются.

15.4. Схема ДТЛ (диодно-транзисторной логики)

показана на рис.15.5. Если на оба входа подан высокий положительный потенциал (X1 = Х2= 1), то входные диоды будут закрыты, ток от плюса источника питания потечет через Д3 и Д4 в базу транзистора. Транзистор переходит в режим насыщения; при этом напряжение коллектора уменьшается до величины остаточного напряжения

Uвых E Iкн R, т.е. Y 0.

Если хотя бы на одном входе низкий уровень (например, Х1 = 0), то входные диоды открыты и ток течет от плюса источника в коллектор предшествующей схемы. Поскольку на открытом диоде падает U = 0,6...0,7 В, на базе транзистора с учетом диодов Дз и Д4 будет отрицательный потенциал:

рис.15.5

U U 2U U -(0,6...0,7)В.

Транзистор закрыт, напряжение коллектора почти равно напряжению питания Е. Таким образом, схема ДТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ (табл. 15.2):

Размах логического сигнала U E и практически не зависит от нагрузки, так как ток нагрузки втекает в коллектор через диоды последующей схемы. Нагрузочная способность ДТЛ n = 10, время задержки t3=10...15 нс. Недостаток – много диодов, которые занимают большую