книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

можно сконструировать схемы с большим логическим перепадом без превышения приемлемых уровней мощности.

Используя транзисторно-транзисторные, диодно-транзисторные схемы и схемы с непосредственной связью, а также резистивно-тран­ зисторные схемы, можно получить логический перепад 1 -ь10 В в зави­ симости от требования к скорости п мощности.

Д и о д н о - т р а н з и с т о р н ы е с х е м ы . В диодно-тран­ зисторных схемах логические функции и межкаскадная связь осуще­ ствляется с помощью диодов, тогда как транзисторы выполняют только функцию инверсии и усиления.

К достоинствам данного типа схем относят:

а) одинаковость и независимость режима работы транзисторов от числа входов, поскольку входной ток не зависит от числа входов; б) снижение требований к входным характеристикам транзисторов, поскольку исключается параллельное включение транзисторов; в) по­ вышение помехоустойчивости вследствие наличия смещающих диодов в цепи базы входного транзистора.

Недостатки диодно-транзисторных схем следующие: а) значи­ тельное потребление мощности; б) пониженное быстродействие по сравнению с транзисторно-транзисторными элементами за счет времени перезарядки емкостей диодов смещения при значительной величине логического перепада; в) относительная сложность построения.

Т р а н з и с т о р н ы е с х е м ы с н е п о с р е д с т в е н н о й с в я з ь ю . В транзисторных схемах с непосредственной связью минимальное количество компонентов и простота схем обеспечивает следующие их преимущества: а) большое быстродействие, получаемое как следствие управления транзисторами за счет больших токов включения и выключения (в этих схемах из-за разности в скорости включения и выключения транзисторов и прямой связи включаемого и выключаемого транзисторов последний выводится из насыщения сравнительно большим током); б) малая потребляемая мощность и использование одного источника питания; в) возможность работы с малой величиной перепада напряжения, что благоприятно влияет на скорость перезарядки паразитных емкостей.

Недостатки данного класса схем следующие: а) сравнительно низкая помехоустойчивость; б) повышенные требования к транзисто­ рам, поскольку при разветвлении все транзисторы включаются по вхо­ дам параллельно; в) зависимость параметров выходных сигналов от характеристик транзисторов, поскольку степень насыщения тран­ зисторов изменяется в зависимости от числа включаемых транзисторов.

Модифицированные схемы позволяют несколько уменьшить недо­ статки, но при этом усложняется схема, уменьшается быстродействие и увеличивается потребляемая мощность.

Введение емкостей в транзисторные логические схемы с непосред­ ственными связями приводит к снижению требований к входным характеристикам, поскольку возможно использование больших выра­ внивающих сопротивлений. При этом за счет наличия емкости частично компенсируется потеря быстродействия. Следовательно, для таких схем будут характерны малая величина потребляемой мощности и относи-

nd

тельно низкие требования к-компонентам. Однако эти схемы обладают существенными недостатками по сравнению со схемами с непосредствен­ ной связью: снижены быстродействие за счет времени перезарядки емкости связи при увеличенном значении величины логического пере­ пада и динамическая помехоустойчивость из-за емкостной связи между каскадами; усложнена схема вследствие использования боль­ шего количества компонентов.

С точки зрения исполнения наибольшие преимущества имеют инте­ гральные полупроводниковые схемы за счет простоты и меньшего влияния паразитных емкостей в рассматриваемом диапазоне скоростей. Типичные значения потребляемых мощностей для рассматриваемых схем 1 ч- 30 мВт.

ЦВМ с малой потребляемой мощностью. К классу ЦВМ с малой потребляемой мощностью можно отнести такие ЦВМ, у которых по­ требление мощности электронными элементами доходит только до 1 мВт. Малая потребляемая мощность приводит к времени задержки распро­ странения сигналов более 50 нс. Для указанного диапазона потребле­ ния мощности наиболее широко используют схемы транзисторно-тран­

основе биполярных приборов занимают наименьшие площади на под­ ложках при интегральном исполнении, имеют сравнительно простую технологию изготовления и поэтому довольно дешевы при массовом изготовлении. Они обладают умеренным быстродействием и сравни­ тельно малой потребляемой мощностью. В резистивно-транзисторных элементах используют транзисторы с большим коэффициентом уси­ ления, что позволяет значительно снизить напряжение насыщения во включенном состоянии.

Основная проблема, препятствующая снижению мощности потреб­ ления транзисторными схемами, состоит в наличии токов утечки и уменьшении коэффициента усиления транзисторов при малых рабочих токах, а также наличии паразитных емкостей.

Можно показать, что мощность, рассеиваемая различными сопро­ тивлениями в схеме, пропорциональна произведению CE2f, где С — емкость в схеме; Е — напряжение, до которого должна заряжаться емкость; / — частота.

Нижний предел емкости С определяется распределенной емкостью монтажа и паразитной емкостью компонентов. Для уменьшения С длины проводников должны быть как можно короче, а расстояния между проводниками по возможности большие; противоречивые требования к размерам и размещению электронных компонентов и создают практические ограничения на минимальное значение распре­ деленной емкости.

Уменьшение величин уровней сигналов, определяемых значением Е, вследствие квадратичной зависимости рассеиваемой мощности от напря­ жения играет значительную роль в снижении мощности при повышении частоты повторения сигналов: при повышении частоты время, в тече­ ние которого должна заряжаться емкость до данного уровня напря­

111

жения, уменьшается при увеличении тока зарядки емкости. Для того чтобы при повышении частоты потребляемый ток существенно не уве­ личивался, необходимо уменьшение логических уровней напряжения, что накладывает ограничение на помехоустойчивость схем.

Э л е м е н т ы н а у н и п о л я р н ы х т р а н з и с т о р а х . Большие возможности для применения в ЦВМ имеют электронные элементы на униполярных транзисторах, обладающие: а) простой технологией, требующей одной операции диффузии, и малой занима­ емой площадью на кристалле, обеспечивающей их низкую стоимость; наибольшей плотностью монтажа по сравнению с другими полупровод­ никовыми приборами и возможностью обеспечивать получение больших интегральных схем с высоким процентом выхода; в) высоким входным импедансом, что позволяет получить большую нагрузочную способ­ ность в схемах, где не требуется высокое быстродействие; г) малой потребляемой мощностью.

Но вследствие особенностей униполярных транзисторов необходимо учитывать следующие ограничения: а) в отличие от биполярных при­ боров, в которых процессы усиления происходят в объеме материала, принцип работы униполярных транзисторов предполагает знание и освоение технологии обработки поверхности подложки и тонких слоев диэлектрика; б) из-за большого входного импеданса для униполярных транзисторов представляют большую опасность статические электри­ ческие заряды, которые приводят к пробою диэлектрика затвора (вклю­ чение специальных диодов хотя несколько и снижает эту опасность, но приводит к возрастанию входной емкости); в) большой выходной импеданс ограничивает нагрузочные способности и быстродействие; г) поскольку сопротивление униполярного транзистора как нагрузки не должно быть чрезмерно большим, чтобы существенно не снижать быстродействие, необходимо на затвор транзистора нагрузки подавать напряжение значительно большее напряжения питания схемы, а это, как правило, приводит к необходимости использования двух различных источников питания.

Основные особенности схем на униполярных транзисторах с допол­ нительной симметрией следующие: а) низкая рассеиваемая мощность;

сигналов, допускающая работы с высоким уровнем помех и при значительных колебаниях напряжения питания; г) более высокие скорости работы, чем в схемах с транзисторами, использующими ка­ налы одного типа; д) меньшая плотность монтажа по сравнению со схемами на обычных униполярных транзисторах и значительно более сложная технология.

Совместимость различных систем электронных элементов. В ряде случаев возникает задача совместного использования различных сис­ тем электронных элементов. Можно рассматривать совместимость по трем факторам: логическим уровням входным и выходных напря­ жений, потребляемой мощности и быстродействию. Логические эле­ менты на униполярных транзисторах полностью несовместимы по всем трем показателям с системами элементов на биполярных транзисторах'.

112

Однако для повышения быстродействия схем на униполярных транзис­ торах, а также согласования уровней при совместном использовании схем на униполярных и биполярных транзисторах часто применяют специальные схемы на биполярных транзисторах.

Логические элементы на биполярных транзисторах можно разде­ лить на схемы трех категорий: а) с переключением токов на входе; б) с выдачей токов на выходе; в) с переключением токов.

К схемам с переключением токов на входе относят диодно-транзис­ торные и транзисторно-транзисторные элементы, у которых ток с их входов протекает в выходной каскад предыдущего элемента.

В схемах с выдачей токов на выходе ток с выхода предыдущего каскада вводится во входную цепь следующего каскада, т. е. элементы работают как источники тока (например, элементы с резистивно-тран- знсторными и непосредственными связями).

Из-за противоположных направлений входного и выходного токов схемы первых двух категорий несовместимы. В пределах одной кате­ гории схемы совместимы при равенстве логических уровней.

Схемы третьей категории работают как источники токов, но они несовместимы со схемами других категорий.

Основные особенности и параметры некоторых серийных систем (серий) интегральных электронных элементов. Интегральные элект­ ронные элементы (микросхемы), заключенные в стандартный корпус, обладают значительной устойчивостью к климатическим и механиче­ ским воздействиям. Они устойчивы к изменениям температуры окру­ жающей среды от —60 до +125° С. Электронные элементы сохраняют свою работоспособность при воздействии на них: постоянных линейных ускорений до 150 м/с2; одиночных ударов с ускорением до 10 000 м с2; многократных ударов с ускорением до 1500 м/с2; вибрационных нагрузок в диапазоне частот 5 -г- 500 Гц с ускорением до 400 м/с2; относительной влажности 95—98% при температуре 40° С.

Кроме того, для электронных элементов (микросхем) могут быть заданы специальные требования по устойчивости к радиации, морскому туману, грибкам и прочим воздействиям. Наличие металлостеклянных или металлокерамических корпусов позволяет обеспечить их работо­ способность в сложных условиях, поскольку ограждает сам кристалл от многих воздействий и служит теплоотводом.

Рассмотрим состав и основные параметры некоторых выпускаемых промышленностью систем электронных элементов (серий микросхем).

на кристаллах кремния по планарно-эпитаксиальной технологии. Выпускают элементы в плоских 14-выводных металлостеклянных корпусах с плоскими выводами.

Все электронные элементы серии выполнены на базе основного логического элемента, выполняющего функцию И — НЕ (рис. 2.59). От ранее рассмотренных вариантов транзисторно-транзисторных эле­ ментов данный элемент отличается использованием корректирующей цепи на транзисторе Тв с сопротивлением в эмиттерной цепи входного транзистора Т2. Корректирующая цепь удерживает транзистор Т2 в

113

закрытом состоянии до величины входного напряжения, при которой почти одновременно начинают открываться транзисторы Т2, Т ъ и Т я.

Импеданс корректирующей цепи меньше зависит от температуры, чем импеданс диффузионного сопротивления, что позволяет получить его более низкое значение для тока рассасывания при наивысших рабо-, чих температурах. Высокое значение импеданса при низких рабочих температурах не уменьшает ток включения транзистора Т3, что обес­ печивает достаточно малое время включения элементов при понижен­ ных температурах.

Высокая помехоустойчивость (более 0,5 В), малые выходные импедансы для обеих логических состояний, обеспечиваемые внутренними сопротивлениями открытых транзисторов Т 3 и Т,%или транзистором Тъ,

отрицательных импульсов, ограничивающих амплитуду импульса на уровне 0,8 В и за счет накопления заряда представляют малое сопротивление для последующего положительного импульса колебатель­ ного процесса.

Серия 130 содержит 17 типов электронных элементов со следующим функциональным назначением:

два четырехвходовых логических элемента 4И — НЕ в одном корпусе (нагрузочная способность N — 10);

восьмивходовой логический элемент 8И —- НЕ; четыре двухвходовых элемента 2И — НЕ; три трехвходовых элемента ЗИ — НЕ;

два элемента 2И — 2ИЛИ — НЕ, один из которых с расширением по ИЛИ;

элемент (2—2—2—3) И — ИЛИ — НЕ с расширением по ИЛИ (элемент, у которого по ИЛИ объединяется три двухвходовых и одна трехвходовая схемы И);

элемент (4—4) И — 2ИЛИ — НЕ с расширением по ИЛИ; два четырехвходовых расширителя по ИЛИ;

J — Я'-триггер.

114

Остальные типы элементов серии имеют пр”и одном и том же функ­ циональном назначении различные нагрузочные коэффициенты, кото­ рые меняются от 5 до 20 для элементов данной серии. Триггер J — К типа при нагрузочном коэффициенте 10 имеет частоту переключения

30 мГц.

На рис. 2.60 приведена принципиальная схема вспомогательного элемента серии 130 расширителя и схема логического элемента (2—2) И — 2ИЛИ — НЕ с подклю­ чением расширителя. Под­ ключение расширителя на

четыре входа А ь -ь A s пока­ зано на этом рисунке пункти­ ром. Расширитель позволяет в два раза увеличить количе­ ство входов рассматриваемого логического элемента (2—2) И — 2ИЛИ—НЕ: входов А 4 и А 2, а также входов А я и А 4, включенных по схеме И. Объ­ единение по ИЛИ выполня­ ется включением коллекторов транзисторов 7\ и Т2 на об­ щую нагрузку.

С е р и я 137 б ы с т р о ­ д е й с т в у ю щ и х э л е к-

тр о н н ы х э л е м е н т о в

на м и к р о э л е к т р о н ­

ны х п е р е к л ю ч а т е ­ л я х т о к а . В качестве ба­ зового логического элемента серии используют переключа­ тель тока (дифференциальный усилитель) и эмиттерные по­ вторители. Переключатель

уровней схемы, а также высокую нагрузочную способность электрон­ ных элементов.

Электронные элементы (микросхемы) серии 137 имеют встроенный источник опорного напряжения на базе двух диодов и резисторов, улучшающий температурную стабильность параметров схем и рабо­ тают в диапазоне температур от •—10 до +70 С°.

В состав серии электронных элементов входят следующие микро­ схемы:

трехвходовой логический элемент ИЛИ — НЕ/ИЛИ с возможностью расширения по ИЛИ;

сдвоенный трехвходовой логический элемент ИЛИ — НЕ/ИЛИ;

115

Как было показано ранее, электронные элементы на переключа­ телях тока допускают объединение по ИЛИ на выходе путем соедине­ ния выходов эмиттерных повторителей на одном сопротивлении. Поэтому микросхемы имеют выводы, на которые выведены эмиттеры повторителей и один вывод резистора.

Расширитель позволяет получить объединение по ИЛИ на входе логических элементов.

С е р и я К 1 47 и н т е г р а л ь н ы х э л е к т р о н н ы х э л е м е н ­ т о в на у н и п о л я р н ы х т р а н з и с т о р а х . Серия состоит из 4 микросхем со следующим функциональным назначением:

два трехвходных логических элемента ИЛИ — НЕ; восьмивходовой логический элемент ИЛИ — НЕ; два четырехвходовых логических элемента И — ИЛИ — НЕ; триггер с раздельными входами.

Микросхемы выпускаются в плоских 14-выводных корпусах и имеют источник питания 12,6 В и источник смещения 27 В. Длитель­ ность задержки фронтов сигналов не более 1,5 мкс, триггер работает с частотой до 300 кГц.

С е р и я 1 4 6 с п е ц и а л ь н ы х и н т е г р а л ь н ы х м и к ­

данной серии выпускают в круглых корпусах с 18 выводами и имеют следующий набор специальных элементов:

формирователь разрядного тока запрета записи; формирователи и приемники адресных токов;

усилители воспроизведения однополярных и двухполярных инфор­ мационных сигналов.

Формирователи разрядных и адресных токов обеспечивают выдачу и прием импульсов тока амплитудой от 80 до 330 мА при задержке включения тока не более 30 нс и задержке выключения не более 60 нс. Напряжение питания формирователей разрядных и адресных токов 5 В, средняя рассеиваемая мощность формирователя разрядного тока

200 мВт.

Усилители воспроизведения обеспечивают усиление и формирова­ ние сигналов амплитудой от 8 до 30 мВ с максимальной задержкой включения 100 нс и потребляемой мощностью 100—150 мВт.

116

Г л а в а 3

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УЗЛЫ ЦВМ И ВС

§ 3.1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ

При разработке ЦВМ и систем значительное внимание уделяют выбору состава операционных блоков процессоров и определению совокупности микроопераций, выполняемых для реализации заданных логических и арифметических операций. Микрооперации представляют собой последовательность элементарных действий машины, которые, как правило, не могут быть разделены на отдельные ступени при их выполнении (например, передача числа с одного регистра на дру­ гой) .

Чем на большее число микроопераций способна ЦВМ, тем легче в ней обеспечить выполнение большего числа операций при наимень­ ших затратах на программирование. Однако при увеличении коли­ чества микроопераций значительно усложняется схема управления операционными блоками. Для реализации заданного алгоритма работы ЦВМ в соответствии с определенной последовательностью операций должна выполнить определенную последовательность микроопераций.

Электронную схему, выполняющую одну или несколько микро­ операций и состоящую из некоторой совокупности, электронных, логических и запоминающих элементов, называют узлом ЦВМ.

Таким образом, можно установить следующую функциональную иерархию составных частей при построении ЦВМ и ВС: электронные элементы; электронные узлы; операционные блоки; устройства.

Электронные узлы могут быть комбинационного или накапливаю­ щего типа. Узлами комбинационного типа называют совокупность таких электронных схем, в которых окончательный результат микро­ операций, представляющий определенную функцию от входных пере­ менных исходной информации, получают в том же цикле, в котором цифровые информационные коды подаются на входы узла. Узлы этого типа обладают большим быстродействием, но для осуществления после­ довательного преобразования цифровой информации они требуют использования узлов для хранения промежуточных результатов.

В электронных узлах накапливающего типа преобразование кодовой информации происходит за несколько тактов, причем в течение каж­ дого такта образуются и временно сохраняются промежуточные ре­ зультаты. Поэтому в узлах накапливающего типа нет необходимости подавать сигналы нескольких цифровых кодов одновременно, как это требуется в комбинационных узлах.

118

Если задана определенная совокупность микроопераций узла, то алгоритм проектирования электронных узлов следующий:

1)составление таблицы истинности переключательных функций;

2)запись в ДСНФ и КСНФ логических выражений для выходных

величин;

3)минимизация полученных выражений;

4)составление функциональной схемы;

5) выбор схемы элементов и разработка принципиальной схемы.

§ 3.2. РЕГИСТРЫ

Назначение регистров и основные микрооперации, выполняемые в них. Регистром называют узел ЦВМ, представляющий собой упоря­ доченную совокупность электронных запоминающих элементов с сис­ темой управления входными и выходными сигналами и предназначен­ ный для выполнения следующих основных микроопераций над п-раз- рядным входным кодом ххх2х3 ... хпЛхп:

4)передача числа из регистра в прямом или обратном'коде;

5)сдвиг хранимого в регистре кода на заданное число разрядов вправо или влево;

6)преобразование представления кода из параллельной формы записи в последовательную и, наоборот, при приеме или выдаче п-раз­ рядного кода.

Врегистрах также могут выполняться поразрядные логические арифметические микрооперации над кодами двух чисел х±ХоХ3 ...

x„_iXn и У\У4)з ...УплУп- Пусть код одного числа ххх.гх3... хп_ххп хранится в регистре, на входы которого параллельно поступает код числа УгУгУз -■■УплУп- В процессе передачи кода второго числа в регистр, например, могут выполняться микрооперации, ведущие к образова­

в) логического умножения в соответствии с выражением zx = х-ь•£//.

Прием и выдача кодов в регистрах. Рассмотрим приведенную на рис. 3.1 функциональную схему регистра на электронных триггерах Тх ч- Т„. Все входы установки триггеров в «0» состояние соединены между собой шиной установки регистра в состояние 00 ...00, которое возникает после подачи сигнала Уст. «О». Установку триггеров реги­ стра в состояние 11 ...11 можно осуществить аналогично, объединив входы «1» триггеров одной шиной.

Для приема в регистр любого кода числа ххх.,х3 ...хп_ххп, заданного в потенциальной форме, на входы системы входных схем Их подают сиг­ нал прием кода Пр. При этом через схемы Их на входы «1» триггеров

119