Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровая и микропроцессорная техника. Учебное пособие
.pdf
2.1. Общие сведения о цифровых интегральных микросхемах
1
U
1
U
0
а
0
U
1
U
0
б
U
1
U
0
в
1 1 1 1 1 1 1 1 000000000000
1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 1 1
t
t
000000000000
t
Рис. 2.2. Диаграммы цифрового сигнала:
а – исходного идеа льного; б – с искажениями и помехами;
в – после нейтрализации помех среднего сигнала
Создание интегральных микросхем. Для создания электронных устройств используют электронные компоненты и элементы, радиодетали, электронные приборы. Это промышленно производимые законченные устройства с контактными выводами
и площадками для электрического соединения друг с другом и
образования электронной схемы, которые формируют заданные
связи (преобразования) напряжений и (или) токов. Типичными
примерами таких элементов являются резисторы, конденсаторы,
катушки индуктивности, диоды, транзисторы и др. Отдельно
следует рассматривать микросборки и микросхемы.
Для современной схемотехники цифровых устройств более распространенными являются промышленно выпускаемые
элементы, представляющие собой интегральные микросхемы
(ИМС), которые также часто называют чип, или микрочип.
Микросхема – электронная схема произвольной сложности,
изготовленная на полупроводниковой подложке и помещенная
в неразборный корпус или без такового в случае вхождения в
состав микросборки.
21
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
В процессе развития интегральной электроники выделилось
несколько типов схем логических элементов, имеющих достаточно хорошие характеристики и удобных для реализации в интегральном исполнении, которые служат элементной базой современных цифровых микросхем.
Базовые элементы, независимо от их микросхемотехники и
особенностей технологий изготовления, строятся в одном из базисов (как правило, в базисе И–НЕ или ИЛИ–НЕ).
Базовые элементы выпускают в виде отдельных микросхем
либо они входят в состав функциональных узлов и блоков, реализованных в виде средней интегральной схемы (СИС) – до
1000 элементов в кристалле, большой интегральной схемы
(БИС) – до 10 000 элементов в кристалле и сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) – свыше 10 000 элементов в кристалле.
В процессе реализации базовые логические элементы строят
из двух частей:
• входной логики, выполняющей операции И или ИЛИ;
• выходного каскада, выполняющего операцию НЕ.
Входная логика может быть выполнена на диодах, биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от этого различают:
• транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ, ТТЛШ (на дио-
дах Шоттки));
• интегральную инжекционную логику (ИИЛ, И2Л);
• логику на МДП-транзисторах (МДП, МОП) с каналами
р- и n-типа;
• МОП-транзисторную логику на комплементарных транзи-
сторах (КМОП-логику).
В перечисленных группах логических элементов в качестве
выходного каскада используют ключевую схему (инвертор).
Другая группа логическ их элементов основа на на перек л ючателях тока – эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ).
По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы разделяют на полупроводниковые, гибридные и пленочные.
В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные
соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.
Интегральную схему называют гибридной, если она содержит
компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника.
22
2.1. Общие сведения о цифровых интегральных микросхемах
10
В пленочных схемах отдельные элементы и межэлементные
соединения выполняют на поверхности диэлектрика (обычно используют керамику). При этом применяют различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов.
Статические характеристики и параметры цифровых интегральных схем. Основными статическими характеристиками эле-
ментов ЭВМ являются входная, выходная и передаточная характеристики. Вид этих характеристик зависит от принципиальной
схемы логического элемента.
Входную характеристику Iвх = f(Uвх) снимают для одного входа
при за данной нагрузке на входе лог и че ского элемента. «Отк л ючение» остальных входов достигается подачей на них напряжений
логи ческого «0 » или «1» в зависимости от типа логической схемы.
Выходную характеристику I
вых
= f(U
) снимают для двух со-
вых
стояний логического элемента: логического «0» и логической «1»
на выходе элемента.
Передаточную характеристику U
= f(Uвх) снимают, как и
вых
входную, для одного из входов при заданной нагрузке, подключенной к выходу логического элемента.
Перечисленные характеристики используют для определения
основных статических параметров, к которым относят:
• входные и выходные напряжения логического «0» (U
0
U
) и логической «1» (U
вых
1
1
, U
вх
). Чтобы выход одного логиче-
вых
0
вх
ского элемента можно было непосредственно соединить с входом
другого, необходимо совпадение уровней логических «0» и «1» по
входу и выходу, т. е. U
• входной и выходной токи логического «0» I
ренные при U
вх
= U
• входной и выходной токи логической «1» I
ренные при U
вх
= U
• логический перепад Uл = U 1 – U 0;
• мощность потребления в состоянии «1» Р
• мощность потребления в состоянии «0» Р
0
вх
1
вх
0
= U
вх
и U
и U
вых
вых
0
= U 0; U
вых
0
= U
вых
1
= U
вых
1
вх
;
= U
1
вых
= U 1;
0
и I
вх
1
и I
вх
0
вых
1
вых
, изме-
, изме-
;
1
;
пот
0
;
пот
• средняя мощность потребления
,
РР
Р
ср
пот пот
.
2
В реальных условиях на входы логического элемента кроме
полезных сигналов поступают различные помехи. Помехи, оста-
23
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
ющиеся постоянными в течение времени, превышающего длительность переходных процессов в схеме, называют статическими. Способность логического элемента сохранять неизменным
уровень входного напряжения в условиях воздействия статических помех оценивают параметром, называемым статической по-
мехозащищенностью.
К статическим параметрам относят также входное (R
и выходное (R
ственно, как отношения приращения входного или выходного
напряжений к приращениям входного (I
0
вых
, I
1
вых
(I
0
вых
) токов.
1
, R
) сопротивления, определяемые, соответ-
вых
0
1
, I
) или выходного
вх
вх
0
вх
, R
1
вх
Динамические характеристики и параметры. Па р а м е т ры, зав и сящие от времени, называют динамическими. Среди них важнейшую роль играют параметры, характеризующие быстродействие
логического элемента (скорость перехода логического эемента из
состояния «0» в состояние «1» и наоборот). Графики входного и
выходного сигналов инвертора, являющегося составной частью
логического элемента, представлены на рисунке 2.3.
U
вх
в
U
вых пор
U
0,5U
н
вых пор
л
U
л
)
0,1
t
ф
0,1U
0,9U
л
U
л
л
t
U
U
U
вых
в
вых пор
0,5U
н
вых пор
1,0
t
ф
л
1,0
t
здр
0,1
t
здр
Рис. 2.3. Диаграммы входного (а) и выходного (б) сигналов инвертора
Из-за переходных процессов, обусловленных перезарядкой
паразитных емкостей, форма импульсов напряжения на входах
и выходах инверторов, как и других цифровых схем, близка к
24
t
2.1. Общие сведения о цифровых интегральных микросхемах
2
трапецеидальной. С помощью этого графика можно определить
следующие динамические параметры:
• длительность отрицательного фронта выходного сигна-
1,0
ла t
, определяемая, как время перехода напряжения на выходе
ф
логического элемента из состояния «1» в состояние «0», измеренное на уровнях 0,9 и 0,1 логического перепада;
• длительность положительного фронта выходного сигна-
0,1,
ла t
определяемая, как время перехода напряжения на выходе
ф
логического элемента из состояния «0» в состояние «1», измеренное на уровнях 0,1 и 0,9 логического перепада;
• время задержки включения t
1,0
, равное интервалу времени
зд
между входным и выходным сигналами при переходе напряжения на выходе логического элемента из состояния «1» в состояние «0», измеренное на уровне 0,1 логического перепада входного
сигнала и 0,9 логического перепада выходного сигнала;
• время задержки выключения t
0,1
, равное интервалу времени
зд
между входным и выходным сигналами при переходе напряжения на выходе логического элемента из состояния «0» в состояние «1», измеренное на уровне 0,9 логического перепада входного
сигнала и 0,1 логического перепада выходного сигнала;
• время задержки распространения сигнала при включении
логического элемента t
1,0
, определяемое, как интервал времени
здр
между входным и выходным сигналами, измеренными на уровне 0,5 логического перепада при переходе выходного напряжения
от уровня логической «1» к уровню логического «0»;
• время задержки распространения сигнала при выключении ло-
гического элемента t
0,1
, измеряемое по уровню 0,5 логического
здр
перепада между входным и выходным сигналами при переходе
выходного напряжения от уровня логического «0» к уровню логической «1»;
• среднее время задержки распространения сигнала логического
элемента, определяемое из выражения
1, 0 0 ,1
tt
t
здр ср
здр здр
.
К динамическим параметрам относят также динамическую
мощность P
, потребляемую логическим элементом от источ-
дин
ника питания во время переключения из состояния логического
«0» в состояние логической «1» или наоборот.
25
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
Для последовательностных устройств (триггеры, счетчики
и др.) вводятся некоторые дополнительные временны е пара-
метры, обусловленные принципом действия: разрешающее время, длительность входного импульса и др.
В общем случае анализ физических, технологических и схемотехнических особенностей интегральных логических элементов показывает, что можно создать различные их варианты, но
особенностью будут либо относительно высокое быстродействие
при низкой экономичности, либо высокая экономичность при
относительно низком быстродействии.
Коэффициенты интегральных микросхем. При реализации
микросхем необходимо учитывать коэффициенты разветвления
по выходу и объединения по входу.
Коэффициент разветвления по выходу К
(нагрузочная спо-
раз
собность) – параметр, определяющий максимальное число входов элементов данной серии, которым можно нагружать выходы
микросхемы без нарушения ее нормального функционирования.
Коэффициент объединения по входу Коб – параметр, определяю-
щий число логических входов, которые имеет логический элемент.
Простейшие логические элементы выпускают с 2, 3, 4 и 8
входами. Более сложные устройства содержат адресные, установочные и разрешающие входы, входы синхронизации и др.
Эксплуатационные параметры. Эксплуатационные параметры
характеризуют работоспоспособность интегральных микросхем в
условиях воздействия окружающей среды. К числу таких параметров относят:
• диапазон рабочих температур;
• допустимые механические воздействия (частота и ампли-
туда вибраций, ударные нагрузки, ускорения);
• границы допустимого диапазона изменения атмосферного
давления, влажности и т. д.
Основные параметры микросхем с различными технологиями изготовления представлены в таблице.
26
2.1. Общие сведения о цифровых интегральных микросхемах
К500
логика
связанная
Эмиттерно-
КР1500
КР1554
КР1564
MC10
74AC
F100
74HC
–0,96
пит
~U
щая КМОП
Быстродействую-
Комплементарная
структура «металл-
оксид-полупроводник»
логика
с диодом
транзисторная
Транзисторно-
Основные параметры микросхем
логика
Транзисторно-
транзисторная
КМОП
Шоттки
К561
К555
К155
К176
К531
К131
CD40
H4000
74A LS
КР1533
74 74LS
15 50…–70 1–5 50–…150 300…–500
10…–30 4–20 15–…50 3,5–5,0 0,5…–2,0
20 4…–40 0,002–0,1 0,002–…0,1 0,4
пит
0,4 0,5 <0,1 <0,1 –1,65
16 20 0,5 75 40
2,4 2,7 ~U
Технология
изготовления
Maксимальная частота
переключения, МГц
Напряжение питания, В 5,0 ± 0,5 5,0 ± 0,5 3…–15 2–6 –5,2 ± 0,5
Потребляемый ток
(без нагрузки), мА
Уровень логического
«0», В
Уровень логической
«1», В
Максимальный выходной
Основные серии отече-
ственных микросхем
Серии зарубежных
микросхем
Задержка распростране-
ния, нс
ток, мА
27
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
2.2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ СЕРИИ
ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ
Интегральные микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) используют в качестве элементной базы ЭВМ. ТТЛ
получила широкое распространение в компьютерах, электронных музыкальных инструментах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и автоматике. Входные и выходные цепи
электронного оборудования часто выполняют совместимыми по
электрическим характеристикам с ТТЛ. Максимальное напряжение в схемах с ТТЛ может достигать 24 В, однако это приводит к
большому уровню паразитного сигнала. Достаточно малый уровень паразитного сигнала при сохранении достаточной эффективности достигается при напряжении 5 В, поэтому данное значение вошло в технический регламент ТТЛ.
Основой ТТЛ является базовый элемент на основе многоэмиттерного транзистора VT1, который осуществляет в положительной логике операцию И, а на транзисторах VТ2–VT4 собран
сложный инвертор. Таким образом, базовым элементом ТТЛ является элемент И–НЕ (рис. 2.4).
+Е
пит
R
1
R
2
R
4
А
VT1
U
вх1
U
вх2
VD1
VD2
И
VT2
В
НЕ
VT3
VD3
U
вых
VT4
R
3
Рис. 2.4. Базовый элемент ТТЛ
Эмиттерные переходы многоэмиттерного транзистора (МЭТ)
смещены в обратном направлении (потенциалы эмиттеров выше
28
2.2. Интегральные микросхемы серии транзисторно-транзисторной логики
потенциала базы). Коллекторный переход МЭТ, наоборот, смещен в прямом направлении (потенциал коллектора ниже потенциа ла базы). Таким образом, МЭТ мож но представит ь транзис торами, работающими в активном режиме с инверсным включением. В таком включении эмиттер и коллектор меняются ролями.
Базовый ток МЭТ через коллекторный переход втекает в базу
транзистора сложного инвертора, удерживая транзистор VT4 в
состоянии насыщения. Это означает, что в случае подачи на все
входы МЭТ VT1 напряжения высокого уровня (логической «1»)
на выходе элемента устанавливается напряжение низкого уровня
(логический «0»).
Если хотя бы на одном из входов элемента действует напряжение низкого уровня (логического «0»), потенциал базы МЭТ
становится выше потенциала соответствующего эмиттера и коллектора. Следовательно, оба перехода, эмиттерный и коллекторный, смещены в прямом направлении и МЭТ находится в режиме насыщения. Весь базовый ток МЭТ замыкается через соответствующий эмиттерный переход и источник входного сигнала.
Напряжение между коллектором и эмиттером близко к нулю, и
действующий на эмиттере низкий уровень напряжения передается на базу транзистора сложного инвертора. При этом транзистор VT4 закрыт, транзистор VT3 открыт и на выходе элемента
устанавливается высокий уровень напряжения (логическая «1»).
Диоды VD1 и VD2 предназначены для защиты элемента по
входам от возможных отрицательных напряжений недопустимой
величины.
Точ к и А и В схемы, будучи выведенными на внешние выводы микросхемы, могут быть использованы для подключения
расширителя по ИЛИ, используемого для увеличения количества
логических входов элемента. Схема расширителя по ИЛИ с тремя
входами и его условное графическое обозначение приведены на
рисунке 2.5.
При построении схем различных устройств на микросхемах
ТТЛ используются не все логические входы. На эти входы, исходя из логики работы схемы, следует подать либо уровень логического «0», либо уровень логической 1. Уровень логического «0» в
микросхемах ТТЛ подается подключением неиспользуемых входов непосредственно к общему проводу (0 В). Уровень логической «1» подается на неиспользуемые входы подключением их к
29
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
источнику питания (5 В) через токоограничивающий резистор с
сопротивлением 1–2 кОм.
+Е
пит
R
1
VT2
А
В
DD2
&
А
В
VT1
U
вх1
U
вх2
U
вх3
а б
Рис. 2.5. Схема расширителя по ИЛИ с тремя входами (а)
и его условное графическое обозначение (б)
У многовходовых логических элементов неиспользуемые входы можно подключать к используемым, помня, что это приводит
к соответствующему увеличению нагрузки на выход микросхемы, подключенный к этой группе входов.
Если вход микросхемы ТТЛ не подключен ни к общему проводу, ни к источнику питания («висит в воздухе»), то логический
элемент будет работать так, как будто на этот вход подан уровень
логической «1», но надежность работы будет низкой из-за импульсных помех, вызванных переключением соседних входов и
выходов, которые могут привести к непредусмотренному срабатыванию микросхемы.
Типичные значения параметров ТТЛ:
• напряжение питания – 5 В;
• уровень логической «1» – более 2,4 В;
• уровень логического «0» – менее 0,5 В;
• среднее время задержки – 10…–20 нс;
• средняя потребляемая мощность – 10–15 Вт;
• коэффициент разветвления по выходу – до 10 (некоторые
микросхемы могут иметь коэффициент разветвления по выходу
до 30);
• коэффициент объединения по входам – до 8.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]