Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы телекоммуникаций. Базовые компоненты телекоммуникационных систем. Учебное пособие для СПО
.pdf
41
2.Логика на комплементарных транзисторах
Е
Параметры
nМОП
pМОП
CMOS
E, В
от +5 до +15
от -12 до
+2
от -15 до +5
Р
потр
0,5 мВт
0,5 мВт
от 0,3 мкВт до 3
мкВт
Тср30 нс
100 нс
от 30 до 90 пс
К
разв
20
20
50
С развитием технологий появилась возможность формировать на одном
кристалле транзисторы разной проводимости, что существенно увеличило
быстродействие, помехозащищенность, практически до нуля уменьшила
потребляемый ток в статическом режиме. Причем использование n-канальных
и p-канальных транзисторов, локализованных на одном кристалле, существенно
уменьшило массогабаритные показатели, но в то же время технология
изготовления усложнилась.
Комплементарная логика получила название CMOS-технология или
КМОП-технология. На рисунке 3.25 представлена схема NOR, построенная по
CMOS-технологии.
Рисунок 3.25 – Базовый элемент NOR на CMOS-технологии
Как ранее отмечалось, все логики характеризуются количественными
параметрами. В таблице 3.2 приводятся количественные значения логик nMOП,
pМОП и CMOS. Из таблицы видно, что наибольшим быстродействием,
меньшей потребляемой мощностью и высоким коэффициентом разветвления
обладает именно комплементарная логика.
Таблица 3.2 – Параметры логик на полевых транзисторах
CMOS-технология нашла свое применение при формировании
элементов памяти. При организации хранения данных на накопителях
выделяют две части:
− хранение информации в одной ячейки;
42
− организация хранения ячеек.
Существуют два основных типа накопителей: жесткий диск HDD и
твердотельный SSD. Жесткий диск представляет металлический короб, в
который помещены вращающиеся диски, покрытые смесью из металла и
стекла, и информация записывается на диски за счет свойств магнитного поля.
Для чтения и записи используется специальная катушка, скользящая по дискам,
а управление катушкой и диском осуществляется чипом – контроллером.
Особенности жесткого диска заключаются в следующем:
− данные хранятся в одном и том же месте;
− после удаления есть возможность восстановить данные;
− стоимость жестких дисков намного меньше твердотельных;
− невысокая скорость записи и считывания;
− возможное повреждение дисков за счет наличия подвижных
элементов.
В твердотельном накопителе SSD нет подвижных элементов, он состоит
из печатной платы, чипов флеш-памяти и контроллера. Особенности SSD
диска:
− высокая скорость записи (от 550 Мб/с до 7500 Мб/с);
− высокая надежность, обусловленная отсутствием подвижных
частей;
− компактность;
− бесшумная работа диска.
Стоимость твердотельного диска обусловлена типом кратковременного
хранилища (кэш). Объем, сложность и скорость кэш влияют на скорость
считывания и записи и на стоимость диска.
В накопителе может быть один, два и более чипов флеш-памяти. Каждая
флэш-память состоит из миллиона ячеек, а каждая ячейка – это полевой
транзистор с изолированным затвором. Каждая ячейка хранит один или
несколько бит информации. Основа формирования ячеек являются базовые
элементы NAND и NOR, построенные по технологии CMOS, т.е. на полевых
транзисторах с изолированным затвором с индуцированным каналом для
хранения и извлечения данных в электронном виде. Для системы хранения
полевые транзисторы соединяются в матрицы, хранящие слова данных по
нужным адресам.
На рисунках 3.26 и 3.27 представлены логические элементы NOR и
NAND соответственно. По рисунку 3.26 можно сделать вывод, что существует
возможность получить доступ к любой ячейки памяти и осуществить запись
данных в любую ячейку, а по рисунку 3.27 – раз одиночные ячейки памяти
соединены последовательно, то для записи бита необходимо, чтобы все ячейки
были открыты.
43
1
1
1
1
GND
линия слов
линия бит
Рисунок 3.26 – Логический элемент NOR
&
&
&
&
GND
линия слов
линия бит
Рисунок 3.27 – Логический элемент NAND
Формирование памяти с помощью логических элементов NAND имеет
преимущества перед NOR, которые описаны ниже:
− в ячейку можно записать не один бит, а несколько;
− стирание информации идет поблочно;
− при записи новой информации обновляется информация для
множества ячеек, т.е. запись идет построчно;
− большие возможности для миниатюризации.
Возможность записи больше одного бита в ячейку обусловлено тем, что
полевой транзистор способен пропускать по цепи сток-исток ток разной
величины в зависимости от того, какая величина заряда на затворе. Затвор, как
известно, это ловушка для заряда и на затвор можно завести столько зарядов,
44
сколько электронов потребуется для пропускания тока через транзистор при
определенном пороговом напряжения U
. Причем значений U
пор
может быть
пор
несколько, т.е. сколько требуется для записи информации, т.е. в ячейках может
храниться один и более бит. Причем при CMOS-технологии формирование
ячеек идет вертикально, т.е. идет процесс уменьшения ячеек на поверхности
кристалла и, как было сказано выше, в ячейки NAND можно записать больше
одного бита, следовательно, идет процесс сокращения топологии при
увеличении объема памяти.
Ячейки памяти в зависимости от количества бит можно
классифицировать следующим образом:
− одноуровневые, т.е. хранится один бит (SLC – single level cell);
− многоуровневые, т.е. хранятся два бита (MLS – multi level cell);
− трехуровневые, т.е. хранятся три бита (TLS – triple level cell);
− четырехуровневые (QLS – quar level cell).
При увеличении записи количества бит в одну ячейку необходимо
учитывать следующие особенности:
− запись информации при меньшем количестве бит в одной ячейке
идет равномернее, без провалов;
− скорость считывания и количество перезаписи больше при
меньшем количестве бит в одной ячейку;
− при увеличении количества бит в одной ячейке идет более быстрый
износ диска, при котором отсутствует возможность удалить старую
информацию и записать новую.
3.3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
1. Представьте условное графическое обозначение, которое
соответствует полевому транзистору с р-n-переходом и каналом р-типа.
2. Представьте условное графическое обозначение, которое
соответствует полевому транзистору с р-n-переходом и каналом n-типа.
3. Представьте условное графическое обозначение, которое
соответствует полевому транзистору со структурой МДП и встроенным
каналом р-типа.
4. Представьте условное графическое обозначение, которое
соответствует полевому транзистору со структурой МДП и встроенным
каналом n-типа.
5. Представьте условное графическое обозначение, которое
соответствует полевому транзистору со структурой МДП и индуцированным
каналом р-типа.
6. Представьте условное графическое обозначение, которое
соответствует полевому транзистору со структурой МДП и индуцированным
каналом n-типа.
7. Приведите формулу, которую следует использовать при расчете
выходного сопротивления по постоянному току.
45
8. Приведите формулы, которую следует использовать при расчете
выходной динамической проводимости.
9. Приведите схему полевого транзистора, включенного по схеме с
общим стоком, и укажите ее особенности.
10. Нарисовать схему включения p-n-p биполярного транзистора с
общим эмиттером и схему включения полевого транзистора с общим стоком с
управляющим переходом и n-каналом. Охарактеризовать особенности этих
схем. Перечислить типы логик, построенных на полевых транзисторах, и
представить сравнительную характеристику параметров этих логик.
11. К какой из схем включения биполярного транзистора относятся
указанные характеристики коэффициентов усиления и входного
сопротивления: возможность усиления и по току, и по напряжению, достаточно
высокое входное сопротивление? Нарисовать эту схему включения.
12. Описать схему, приведенную ниже: указать входы, выходы, какая
операция выполняется, тип логики, какой транзистор представлен.
13. Перечислить все входные и выходные графические характеристики
и особенности биполярных транзисторов, включенных по схемам с ОЭ, ОК, ОБ.
Рекомендовать определенное включение для логических элементов NOR и
представить схему включения. Указать, какая характеристика представлена,
чему равно значение напряжения выхода логической единицы и логического
нуля.
46
14. Перечислить все схемы включения полевого транзистора с
управляющим p-n-переходом, указать типы графических характеристик для
этих включений. Записать, какие функции выполняют электроды в полевом
транзисторе. Нарисовать схему логического элемента NAND, реализованного
по технологии CMOS. Написать все количественные параметры данной логики.
15. Перечислить основные типы логик. Сравнить эти логики по
основным параметрам и сделать вывод, какая логика обладают лучшей
совокупностью технико-экономических показателей. Описать приведенную
ниже схему: типы транзисторов, указать входы и выходы на схеме и тип
логической операции, которую выполняет данная схема. Записать
количественные параметры данной логики.
16. Перечислить все типы транзисторов, указать типы электродов в
данных транзисторах, описать их функциональное назначение. Описать
приведенную ниже схему: типы транзисторов, указать входы и выходы на
схеме и тип логической операции, которую выполняет данная схема. Записать
количественные параметры данной логики.
17. Пояснить принцип работы полевого транзистора, привести схему
включения с общим стоком полевого транзистора с управляющим p-nпереходом. Описать приведенную ниже схему: типы транзисторов, указать
входы и выходы на схеме и тип логической операции, которую выполняет
данная схема. Записать количественные параметры данной логики.
47
18. Пояснить принцип работы биполярного транзистора, привести
схему включения с общим эмиттером и n-p-n-переходом. Описать приведенную
ниже схему: типы транзисторов, указать входы и выходы на схеме и тип
логической операции, которую выполняет данная схема. Записать
количественные параметры данной логики и представить графические
характеристики.
19. Приведите формулы для полевых транзисторов, которые следует
использовать при расчете выходного сопротивления по постоянному току, при
расчете выходной динамической проводимости, при расчете крутизны.
Пояснить, что означают эти параметры. Представьте условное графическое
обозначение, которое соответствует полевому транзистору со структурой МДП
и индуцированным каналом n-типа. Нарисуйте схему логики NOR с
использованием данного транзистора.
20. Представьте условное графическое обозначение, которое
соответствует полевому транзистору со структурой МДП и индуцированным
каналом n-типа. Охарактеризуйте логику, которая строится одновременно на
полевых транзисторах с каналами n-типа и p-типа. Нарисовать схему
логического элемента NOR по данной технологии.
21. Представьте условные графические обозначение, которые
соответствует полевому транзистору со структурой МДП и встроенным
каналом р-типа и полевому транзистору с управляющим р-n-переходом и
48
каналом р-типа. Сравните эти транзисторы по функциональному назначению и
укажите все графические характеристик этих транзисторов.
22. Написать, какие логики можно реализовать на полевых
транзисторах, сравнить их количественные характеристик, представить схему
логического элемента NAND для элементов памяти и охарактеризовать ее
принцип работы.
23. Приведите схемы элементов памяти NAND и NOR, построенных по
CMOS-технологии, и опишите особенности этих схем. Представьте
классификацию ячеек памяти по количеству хранимых бит.
24. Представьте условные графические обозначения, которые
соответствуют полевому транзистору со структурой МДП и встроенным
каналом n-типа и полевому транзистору с управляющим р-n-переходом и
каналом n-типа. Сравните эти транзисторы по функциональному назначению и
укажите все графические характеристик этих транзисторов.
25. Представить схему включения транзистора с графической
зависимостью, представленной ниже. Указать, какая характеристика
представлена, чему равно значение напряжения выхода логической единицы и
логического нуля.
26. Перечислите все типы логик, построенные на полевом транзисторе
с изолированным затвором переходом, описать количественные параметры
этих логик и их графические характеристики. Приведите формулы для полевых
транзисторов, которые следует использовать при расчете выходного
сопротивления по постоянному току, при расчете выходной динамической
проводимости, при расчете крутизны.
27. Задание: Разработать функциональную схему цифрового
устройства, выполняющего определенные заданием функции, и произвести
оценку параметров устройства. Для выполнения задания необходимо выделить
основные этапы:
− на основе анализа исходных уравнений задания произвести их
упрощение (если это возможно) и преобразование. Цель преобразования –
привести уравнения к виду, удобному для реализации;
− составить формальную функциональную схему устройства, выбрав
компоненты из приложения Б, и привести список необходимых базовых
49
элементов. Выбор логики и конкретных серий транзисторов осуществлять с
ВE
ПИТ5.
=
;2.0;2.5
22
;22;22
;25
;5
1
.
0
.
..
01
..
10
..
....
..
мАIмАI
нсt
нсtнсt
мкВтIEР
мкАI
ВЫХВЫХ
СРРЗД
РЗДРЗД
СРПОТРПИТПОТР
СРПОТ
−==
=
==
==
=
6543213
43212
6516511
2
ХХХХХХY
ХXXXY
ХХХХXXXY
+++++=
=
++=
учетом данных, приведенных ниже:
• суммарная потребляемая мощность устройства не должна превышать
50 мВт;
• время задержки распространения сигнала при переключении с
логического «0» на логическую «1» должно быть меньше 200 мс.
В задании приведены три уравнения:
;
;
.
В этих уравнениях Y1, Y2, Y3 – выходные логические сигналы
устройства, Х1, Х2, Х3, Х4, Х5, Х6 – входные логические сигналы.
При выполнении задания необходимо:
− для упрощения использовать основные законы алгебры логики.
Исходные функции лучше реализовать не на базе элементов И, ИЛИ, а на базе
элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, применяя законы дуальности, а именно:
Х1Х2 = Х1 + Х2 или Х1Х2 = Х1 +Х2,
Х1 + Х2 = Х1Х2 или Х1 +Х2 = Х1 Х2;
− учесть, что базовыми элементами при выполнении задания
являются элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, причем элементы И, ИЛИ имеют
обычно большее время задержки и большую потребляемую мощность;
− из приложения Б выбрать подходящие компоненты и расписать с
указанием значений параметров в соответствии с примером:
Три логических элемента «3И»:
КР1564ЛИ3
50
Шесть логических элементов «НЕ»:
ВE
ПИТ5.
=
;24;24
18
;18;18
;25
;5
1
.
0
.
..
01
..
10
..
....
..
мАIмАI
нсt
нсtнсt
мкВтIEР
мкАI
ВЫХВЫХ
СРРЗД
РЗДРЗД
СРПОТРПИТПОТР
СРПОТ
−==
=
==
==
=
ВE
ПИТ5.
=
;24;24
25.7
;5.7;7
;20
;4
1
.
0
.
..
01
..
10
..
....
..
мАIмАI
нсt
нсtнсt
мкВтIEР
мкАI
ВЫХВЫХ
СРРЗД
РЗДРЗД
СРПОТРПИТПОТР
СРПОТ
−==
=
==
==
=
ВE
ПИТ5.
=
;24;24
5.13
;5.13;5.13
;40
;8
1
.
0
.
..
01
..
10
..
....
..
мАIмАI
нсt
нсtнсt
мкВтIEР
мкАI
ВЫХВЫХ
СРРЗД
РЗДРЗД
СРПОТРПИТПОТР
СРПОТ
−==
=
==
==
=
КР1564ЛН2
Четыре логических элемента «2И»:
КР1554ЛИ1
Четыре логических элемента «исключающее ИЛИ»:
КР1554ЛП5
− определить общую сумму потребляемой мощности, задержки
сигнала всех используемых ЛЭ и сравнить с заданными параметрами
(рассчитанные значения должны быть меньше заданных);
− на основе проведенного анализа представить функциональную
схему.
Ниже представлен пример функциональной схемы.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]