Электронно-цифровые элементы и устройства. Лабораторный практикум. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Ю. П. БАРМЕТОВ

ЭЛЕКТРОННО – ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2017

1

УДК 621.38

ББК З 85я7

Б25

Научный редактор профессор В. С. КУДРЯШОВ

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра электропривода, автоматики и управления в технических системах Воронежского государственного технического университета;

канд. техн. наук Н. Р. БОБРОВНИКОВ (ОАО «Автоматика»)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Барметов, Ю. П.

Б25 Электронно-цифровые элементы и устройства. Лабораторный практикум [Текст]: учеб. пособие / Ю. П. Барметов; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. - Воронеж : ВГУИТ, 2017. -83 с.

ISBN 978-5-00032-243-7

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки выпускников по направлениям 15.03.04 - «Автоматизация технологических процессов и производств», 27.03.04 - «Управление в технических системах» и предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплин базовой части. В пособии приведено

описание комплекса лабораторных работ по комбинационным схемам и цифровым автоматам.

ÓФГБОУ ВО «Воронеж. гос. ун-т инж. технол.», 2017

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

3

От автора

Учебное пособие разработано с целью оказания помощи студентам очной и заочной форм обучения при изучении дисциплины «Электронно-цифровые элементы и устройства».

Изучение данной дисциплины направлено на формирование следующих компетенций:

по направлению подготовки 27.03.04:

ОПК-7 - способность учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности;

по направлению подготовки 15.03.04:

ПК-9 - способность определять номенклатуру параметров продукции и технологических процессов ее изготовления, подлежащих контролю и измерению, устанавливать оптимальные нормы точности продукции, измерений и достоверности контроля, разрабатывать локальные поверочные схемы и выполнять проверку и отладку систем и средств автоматизации технологических процессов, контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством, а также их ремонт и выбор; осваивать средства обеспечения автоматизации и управления»;

4

Общие сведения

В соответствии с ГОСТ 17021-88 «Микросхемы интегральные. Термины и определения» под микросхемой понимают микроэлектронное устройство, рассматриваемое как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов (иили) компонентов, эквивалентных элементам обычной схемы. Интегральная микросхема (ИМС)– это микросхема, ряд элементов которой нераздельно выполнен и электрически соединен между собой таким образом, что с точки зрения технических требований, испытаний, торговли и эксплуатации устройство рассматривается как целое.

Взависимости от технологии изготовления ИМС или интегральные схемы (ИС) делятся на полупроводниковые, пленочные

игибридные.

Вполупроводниковой ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Впленочной ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов.

К гибридным относятся ИС, содержащие помимо элементов также простые и сложные компоненты, например, кристаллы полупроводниковых ИС.

Взависимости от функционального назначения ИС делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговая ИС предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Цифровая ИС предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

Взависимости от схемотехники базовых элементов цифровых ИС, называемых «ключами», и технологии изготовления ИС

группируются по сериям. По ГОСТ 17021-88 серия – это совокупность типов интегральных микросхем, обладающих конструк-

5

тивной электрической и при необходимости информационной и программной совместимостью и предназначенных для совместного применения.

Вклассификации ИС название«базовый элемент» или «электронный ключ» заменяют словом «логика».

Внастоящее время наиболее распространены серии ИС со следующими типами логики [1]:

ТТЛ (ТТЛШ)- транзисторно-транзисторная логика (с диодами Шоттки);

ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика; КМОП – логика на основе полевых транзисторов или тран-

зисторов со структурой «металл-окисел-полупроводник» (МОП - транзисторов) с каналами n-типа и р-типа, образующими ком-

плементарные (взаимодополняющие) пары.

И2Л — интегральная инжекционная логика.

Транзисторно-транзисторная логика явилась развитием разработанной ранее диодно-транзисторной логики, базовые элементы которой состояли из входной диодной части, реализующей логическую операцию, и транзисторного усилителя на биполярных транзисторах, работающего в ключевом режиме с насыщением. Впоследствии диодная часть была заменена многоэмиттерным транзистором, что и отражается в названии логики. Использование в схеме переходов Шоттки (диодов Шоттки) вместо обычных p-n–переходов позволило повысить быстродействие ИС

иснизить их энергопотребление.

ИС эмиттерно-связанной логики представляют собой тран-

зисторные переключательные схемы с объединенными эмиттерами на входах, ключевой части с транзисторами, работающими без насыщения, и эмиттерными повторителями на выходе. Они имеют максимальное быстродействие и максимальное энергопотребление по сравнению с другими типами логики.

КМОПлогика построена на основе полевых транзисторов или транзисторов со структурой «металл-окисел-полупроводник» (МОП-транзисторов) с каналами n-типа и р-типа, образующих комплементарные пары. Этот тип логики отличается самым малым энергопотреблением в установившемся состоянии и самым

6

высоким количеством элементов, размещаемых на одном кристалле. Это количество называют также «степенью интеграции».

Интегральная инжекционная логика – логика с непосред-

ственной связью биполярных транзисторов p-n-p и n-p-n типов в схеме без применения резисторов, ограничивающих токи в цепях.

Отличается высокой плотностью компоновки, малым энергопотреблением. Недостатком является низкая помехоустойчивость, вызванная малым напряжением питания (около 2 В).

Основные параметры цифровых интегральных схем

К основным параметрам относятся: потребляема мощность, быстродействие, помехоустойчивость, коэффициент разветвления по выходу.

Потребляемая мощность. Различают мощность, потребляемую от источника питания в установившемся состоянии, или статическую среднюю мощность, мощность, потребляемую в переходном режиме, или динамическую мощность.

Быстродействие ИС определяется временем переключения ее логических элементов из состояния«логический ноль» в состояние «логическая единица» и наоборот временем чистой задержки начала переключения по отношению ко входному сигналу и т. д. В качестве усредненного показателя быстродействия наиболее часто используют среднее время задержки распространения, равное полусумме значений времени задержки переключения с «0» в «1» и с «1» в «0» относительно соответствующего изменения входного сигнала.

Помехоустойчивость ИС отражает устойчивость состояния выходов к воздействию помех по входам ИС и по цепям питания в виде импульсов различной ширины и длительности. Различают помехоустойчивость для установившегося режима (статическую), когда длительность воздействия помехи больше времени переключения ИС, и для переходного режима(динамическую). Статическая помехоустойчивость ИС определяется как разность допустимого входного напряжения низкого или высокого уровня, соответствующего паспортным данным этой ИС, и фактическим пороговым напряжением переключения ее логических элементов. Поскольку эти разности различные для низкого и высокого уров-

7

ней входных сигналов, статическая помехоустойчивость также различается по низкому и высокому уровням. Динамическая помехоустойчивость учитывает длительность, амплитуду импульсов, скорость изменения напряжения и т.д.

Коэффициент разветвления по выходуили нагрузочная способность определяет число входов, аналогичных ИС, которое можно подключить к выходу без нарушения паспортных параметров по быстродействию и уровням выходных сигналов.

Типы выходов интегральных схем

В зависимости от схемного решения выходного каскада и назначения интегральные схемы могут отличаться типом выхода.

Наиболее распространенные типы выходов:

·обычный или стандартный,

·с повышенной нагрузочной способностью,

·с тремя состояниями,

·с открытым коллектором или открытым стоком,

·с открытым эмиттером или открытым истоком. Обычный выход при нормальной работе держит уровни ло-

гического нуля и единицы при подключении к нему оговоренного паспортом количества входов. Для ИС ТТЛ коэффициент разветвления по выходу равен 10, ТТЛШ - 20.

Выход с повышенной нагрузочной способностью допускает подключение большего числа входов элементов этой же серии, например, для ТТЛ, ТТЛШ к выходу ИС с повышенной нагрузочной способностью можно подключать до 30 входов.

Выход с тремя состояниями помимо стандартных низкого (логический 0) и высокого уровней (логическая 1) имеет также

8

только один уровень, обычно низкий. Для обеспечения высокого уровня выход с открытым коллектором подключают через ограничивающий резистор к шине питания. Применяются такие ИС для передачи данных по общим шинам, для получения так называемых «монтажных И».

У выхода с открытым эмиттером или открытым истоком отсутствует транзистор, подключающий выход к общей шине.

На схемах для указания типа выхода зачастую используют дополнительные обозначения.

Условное символьное обозначение интегральных схем

В одном корпусе ИС малой и средней степеней интеграции может содержаться несколько простых логических элементов, размещаемых на одном кристалле и объединенных общим питанием. Для этих ИС наиболее распространены металлостеклянные, металлокерамические, пластмассовые или керамические корпуса с 14 или 16 выводами.

Условное обозначение отечественных ИС содержит семь элементов или групп символов, например:

Первый символ или группа (1) определяют область применения ИС и материал корпуса (К – общего применения (ОП), КР

– ОП в пластмассовом корпусе, КМ – ОП в керамическом корпусе, при отсутствии символа – ИС специального назначения);

2 – группа по конструктивно-технологическому исполнению (для цифровых ИС: 1 – традиционная технология, 5 – с диодами Шоттки, 15 – улучшенная технология);

3– порядковый номер серии;

4– подгруппа по функциональному назначению ( Л – логические элементы);

5– вид по функциональному назначению в подгруппе(А –

влогических элементах функция И-НЕ);

6– условный номер разработки ИС в заданной серии определяет особенности элемента, такие как количество входов, тип выхода и т.д.;

7– разброс параметров (может не присутствовать).

9

Полная классификация ИС по функциональному назначению приведена в [2], ниже дан сокращенный перечень:

А – формирователи: АГимпульсов прямоугольной формы,

...,АП – прочие; Б – схемы задержки: БМ – пассивные, БР – активные;

В – схемы вычислительных средств: ВА – сопряжения с магистралью; ВБсинхронизации;

ВВ – управления вводом, выводом (интерфейсы); ВГ – контроллеры; ВЕ – микро-ЭВМ;

ВЖ – специализированные; ВИ – времязадающие; ВК – комбинированные; ВМ – микропроцессоры;

ВН – управления прерываниями; ВП – прочие;

ВР – расширители, в т.ч. умножители; ВС – микропроцессоры секционные; ВТ – управления памятью; ВУ – микропрограммного управления;

ВФ – функциональные преобразователи информации; Г – генераторы; В – детекторы;

Е – элементы вторичных источников питания (стабилизаторы);

И – схемы арифметических и дискретных устройств: ИА – арифметикологические устройства; ИВ – шифраторы; ИД – дешифраторы; ИЕ – счетчики;

ИК – комбинированные устройства; ИЛ – полусумматоры; ИМ – сумматоры; ИП – прочие; ИР – регистры;

10