Цифровые устройства автоматики и вычислительной техники

1. Логические элементы. Параметры логических элементов.

Логические элементы строятся на базе ключа. Под логическими элементами понимаются схемы малой интеграции. Можно реализовать на следующих элементах: электромагнитные реле, диоды, транзисторные интегральные микросхемы.

Р азличают статические и динамические параметры логических элементов:

Статические параметры:

1. П омехоустойчивость.

-это максимальное напряжение, которое можно добавить к Umax без переключения инвертора из 1 в 0.

- это напряжение, которое можно отнять от Umin без переключения инвертора из 0 в 1.

2. Коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) – это максимальное количество входов элементов той же серии на которую можно нагрузить выход логического элемента.

3. Коэффициент объединения по выходу – это наибольшее количество входов логического элемента.

4. Б ыстродействие.

5. Напряжение питания: 5В 5%

6. Потребляемая мощность: Статическая и динамическая:

7. Работа переключателя – добротность.

Разновидности цифровых интегральных схем:

ДЛ- диодная логика; ДТЛ – диодно-транзисторная логика; ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика; ТТЛШ, ЭСЛ, МОП, КМОП. Самый быстродейственный – ТТЛШ.

Гонки: Связаны с разновидностью срабатывания элементов схемы, при одновременной подаче на входы узла сигнала. Если в схеме имеются элементы памяти, то гонки могут привести к неправильной работе схемы. Методы борьбы – синхронизация.

2. Серии интегральных схем логических элементов. Типы выходных каскадов.

Серии ИС ЛЭ.

В зависимости от технологии изготовления ИЛЭ делятся на серии, отличающиеся потреблением питания и т.д. Наибольшее распространение получили ТТЛ (ТТЛШ), ЭСЛ, КМОП. Каждая из технологий совершенствовалась, поэтому каждая из них представлена разными сериями.

ТТЛ. Texas Instruments – первая ТТЛ микросхема SN74. Отечественный аналог 155. Дальнейшее усовершенствование этой серии направлено на повашение быстродействия и снижения мощности потребления.

Серия ИС	Заруб. аналог	tз, нс	fmax, МГц	Коэф. развлетвления	Pпотр. мВт
155	SN74	10	35	10	10
158	SN74L	33	3	10	1
131	SN74H	6	50	10	22
555	SN74LS	9,5	45	20	2
531	SN74S	3	125	10	19
1533	SNALS	4	50	40	1
1531	SN74F	2	130	33	4

ЭСЛ. Первым разработчиком была Motorola. MC10000 – 500 cерия, MC100000 – 1500 cерия. Базовый ЛЭ на основе дифференциального усилителя – это самая быстрая технология. Ключ не находится в насыщении, снижен порог переключения, снижается помехоустойчивость.

КМОП. В ИС в качестве базового элемента используют ключи на комплементарных МОП VT. Первые серии в 1968 RCA. Использование полевых VT обеспечивает высокое R_вх=10¹² Ом, С_вх малое. Они чувствительны к статическому электричеству. Пробой изоляции происходит от 30 до 300 В. Для защиты от статического электричества включают защитные диоды или стабилитроны. Достоинства: мощность потребления мала в определенном частотном диапазоне, высокое R_вх, широкий диапазон U_пит от 3 до 15 В, большая нагрузочная способность, высокая помехоустойчивость при больших U_пит. Недостатки: низкое быстродействие, R_вых большое. Лучшие серии КМОП приближаются к ТТЛ по быстродействию. .

Типы выходных каскадов:

1. Логический (стандартный). Выход выполняется по 2-хтактной схеме. R_вых малое. I_вых делают большим с целью быстрой перезарядки C_н. Стандартные выходы нельзя объединять. Если после объединения выходы ЛЭ будут находиться в разных сосотояниях, то выходной уровень напряжения при этом становится неопределен. При этом в выходной цепи протекает большой уравнительный ток, значение которого пропорционально U_вых. В таких каскадах возникает явление сквозного тока. Это явление состоит в том, что при переключении U_вых из 0 в 1 VT2 закрывается позже, чем открывается VT1. R_огр ограничивает амплитуду импульса I_скв.

2. Выход с открытым коллектором или с открытым стоком. Это выход с плавающей 1. Выходы с ОК можно объединять. Это один из способов организации общих линий связи. Если n выходов с ОК объединены и (n-1) из них находятся в 1, т.е. выходные VT закрыты, то выходной уровень будет определяться состоянием оставшегося ЛЭ. Выходы с ОК потенциально менее быстродействующие, чем логические. Для повышения быстродействия надо повышать I_вых. Поэтому надо понижать R_н, но при этом растет мощность потерь, что является ограничителем снизу. Выходы с ОК используют для организации информационных магистралей, в схемах согласования с линиями связи, для согласования с ИС других серий. В различных схемах формирования сигналов(ОВ, схемах задержки).

3. Выход с тремя состояниями (с уровнем слабой логической 1). Кроме 0 и 1 имеют состояние “выключено” – высокоимпедансное состояние. В этом состоянии оба VT выходного каскада закрыты и состояние U_вых не определено. ТС – третье состояние. В этих ЛЭ существует специальный вход управления выходом. EO – enable output. Выходы можно объединять, но при этом надо выполнить следующее условие. Из n объединенных выходов n-1 в ТС и только один в активном состоянии 0 или 1. Выходы используются для организации информационных шин, согласования с линиями связи.

   VT1	VT2	Uвых
   О	З	1
   З	О	0
   З	З	ТС

4. Выход с открытым эммитером (ОЭ) или с открытым истоком (ОИ). Эти выходы имеются у интегр. Схем выполненных по технологии Эммитерно-связанной логики. Эти элементы используют внутри серии и не имеют широкого применения.