5. Практическая реализация логических

   1. Схемы КМОП

   2. Задержка на распространение сигнала

   3. Ограничения по входу и выходу

6. Триггеры

   1. Вентильные защелки

   2. Двухступенчатые триггеры

   3. Тактирование фронтом сигнала

   4. Т-триггеры

   5. Триггеры с дополнительными входами для установки и очистки

7. Регистры и сдвиговые регистры

8. Счетчики

9. Дешифраторы

10. Мультиплексоры

11. Программируемые логические устройства

12. Программируемые вентильные матрицы

13. Последовательные схемы

2. 5. Практическая реализация логических вентилей

Теперь мы перейдем к вопросу о практических средствах, используемых для представления логических переменных и логических функций. Совершенно оче­видно, что выбор физического параметра, представляющего логические перемен­ные, зависит от используемой технологии. В электронных схемах для этой цели может использоваться либо напряжение, либо сила электрического тока.

Для того чтобы установить соответствие между величиной напряжения и ло­гическими значениями, или состояниями, в электронике используют концепцию порога (threshold). Напряжение, превышающее заданный порог, представляет од­но значение, а напряжение, которое ниже этого порога, — совсем другое значение. На практике напряжение в любой точке электронной схемы подвержено неболь­шим случайным колебаниям, зависящим от множества причин. Из-за этого «шу­ма» значения напряжения вблизи порога нельзя с уверенностью соотнести с кон­кретными логическими состояниями. Поэтому для электронных схем обычно устанавливают некоторый «запрещенный диапазон», как показано на рис. 2.10. На этом рисунке напряжения ниже V_{0, max} представляют логическое значение 0, а напряжения выше V_{1, min} — значение 1. Далее в настоящей книге, говоря о напря­жении, соответствующем логическим значениям 0 и 1, мы будем использовать понятия «низкое» и «высокое».

Мы начнем знакомство с электронными схемами, реализующими базовые ло­гические функции, с описания простейших из них, которые состоят из резисто­ров и транзисторов, действующих в качестве переключателей. Для начала рас­смотрим схемы, приведенные на рис. 2.11. Когда ключ S на рис. 2.11, а разомкнут, выходное напряжение V_out равно 0 («земля»). Когда же ключ S замкнут, выходное напряжение V_out равно напряжению источника V_supply. Точно так же действует схе­ма, приведенная на рис. 2.11, б, где роль ключа играет транзистор Т. Когда вход­ное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, равно 0 (то есть когда V_in = 0), ключ разомкнут и V_out = V_supply. Когда же значение V_in изменяется на V_supply, ключ замыкается и выходное напряжение V_out становится близким к нулю. Таким обра­зом, электронный ключ, схема которого показана на рис. 2.11, б, может выпол­нять функции логического вентиля НЕ.

Рис. 2.10. Представление логических значений посредством уровней напряжения

Рис. 2.11. Схемы инвертора: с использованием ключа (а); с транзистором в качестве ключа (б)

На рис. 2.12 показана электрическая цепь и эквивалентная ей электронная схема, реализующая вентиль ИЛИ-НЕ. На рис. 2.12, а выходное напряжение V_out будет высоким только в том случае, если оба ключа, S_a и S_b, будут разомкнуты. Аналогичным образом, выходное напряжение V_out на рис. 2.12, 6 будет высоким при условии, что входные напряжения V_a и V_b, низки. Поэтому данная схема экви­валентна вентилю ИЛИ-НЕ, где входные напряжения V_a и V_b представляют две входные логические переменные, х₁ и х₂. Вентиль И-НЕ можно сконструиро­вать из двух транзисторов, соединив их последовательно (рис. 2.13). Что касается логических функций И и ИЛИ, то они легко реализуются на основе вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ — достаточно вслед за вентилем включить в цепь инвертор, по­казанный на рис. 2.11. Реализовать вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ несколько проще, чем И и ИЛИ. Поэтому неудивительно, что ими так часто пользуются при реали­зации логических функций. Стараясь сделать примеры как можно понятнее, мы приводили много схем на основе вентилей И, ИЛИ и НЕ. Но на практике логиче­ские схемы могут содержать вентили всех пяти типов.

Рис. 2.12. Схемы, реализующие вентиль ИЛИ-НЕ: с использованием двух ключей (а); с транзистором в качестве ключа (б)

Рис. 2.13. Схемы, реализующие вентиль И-НЕ: с использованием двух ключей (а); с транзистором в качестве ключа (б)

2.5.1. Схемы кмоп

Приведенные выше рис. 2.11-2.13 отражают общую структуру электронных схем, создаваемых по технологии п-МОП (NMOS). В качестве ключей в электронных ло­гических схемах используются металло-оксидные полупроводниковые транзисто­ры (МОП-транзисторы), которые бывают двух типов: n-канальные и p-канальные. N-канальные транзисторы называют транзисторами типа n-МОП. Когда на вход n-канального транзистора (то есть на его затвор) подается положительное напря­жение источника питания, V_supply, ключ замыкается (рис. 2.14, а). Р-канальный транзистор действует наоборот: когда входное напряжение на его затворе V_G равно V_supply ключ разомкнут, а когда V_G = 0, ключ замкнут (рис. 2.14, б).

Рис. 2.14. Логические схемы транзисторов: n-МОП (а); р-МОП (б)

Обратите внимание на графическое обозначение транзистора р-МОП: кружок на входе показывает, что его действие противоположно действию транзистора n-МОП. Обратите также внимание, что у транзистора n-МОП символы s и d, обо­значающие исток и сток, располагаются с противоположных сторон по сравне­нию с транзистором р-МОП.

Исток n-канального транзистора соединяется с «землей», а исток р-канального транзистора — с источником напряжения V_supply. (Указанные обозначения отражают направление движения тока в транзисторах. )

Электронные схемы, приведенные на рис. 2.11-2.13, имеют один недостаток: они требуют слишком большой мощности. В состоянии, когда ключи замкну­ты и соединяют нагрузочный резистор R с «землей», электрический ток идет от источника напряжения V_supply к «земле». В противоположном состоянии, когда ключ разомкнут, соединения с «землей» нет, а значит, нет и тока. (В МОП-тран­зисторах ток через затвор не идет.) Таким образом, мощность, потребляемая электронными логическими схемами на МОП-транзисторах, зависит от состоя­ния вентилей.

У данной проблемы имеется весьма эффективное решение: использовать в од­ной схеме транзисторы обоих типов, чтобы в устойчивом состоянии не потребля­лась лишняя мощность. Эта идея была положена в основу технологии КМОП — построения схем на основе комплементарных (то есть дополняющих друг друга) металло-оксидных полупроводниковых транзисторов (Complementary Metal-Oxi­de Semiconductor, CMOS, ). Суть КМОП-технологии иллюстрирует схема инверто­ра, приведенная на рис. 2. 15. Когда V_x = V_supply что соответствует значению 1 вход­ной переменой х, транзистор T₁ открыт, а транзистор T₂ закрыт. При этом выходное напряжение транзистора T₂ уменьшается от V_f до 0. Когда входное напряжение V_x становится равным 0, транзистор T₁ закрывается, а транзистор T₂ открывается. Вы­ходное напряжение транзистора T₁ увеличивается до V_supply. Таким образом, логи­ческие значения х и f дополняют друг друга и схема реализует вентиль НЕ.

Суть этой схемы заключается в том, что транзисторы T₁ и T₂ действуют как ло­гические дополнения: когда один из них закрыт, другой наоборот открыт. Поэтому точка выхода всегда соединена либо с точкой V_supply, либо с «землей». При этом между «землей» и точкой V_supply никогда не бывает соединения, за исключе­нием краткого переходного момента, когда изменяется состояние транзисторов.

Рис 2.15. КМОП-реализация вентиля НЕ: схема вентиля (а); таблица истинности (б)

Это означает, что в устойчивом состоянии данная схема потребляет минимум энергии, и утечка происходит только в моменты перехода из одного логического состояния в другое. Таким образом, количество энергии, потребляемой логиче­ской схемой, зависит от частоты изменения состояния ее элементов.

Теперь концепцию КМОП можно распространить на схемы с n входами, как показано на рис. 2.16. Транзисторы n-МОП используются для создания пони­жающей цепи, образующей соединение между точкой выхода f и «землей», когда реализуемая функция F(x₁,..., х_n) равна 0. Повышающая цепь создается на основе транзисторов р-МОП — она образует соединение между точкой выхода f и точкой V_supply, когда F(x₁,..., х_n) = 1. Повышающая и понижающая цепи функционально дополняют друг друга, для того чтобы в устойчивом состоянии напряжение в точ­ке f равнялось либо V_supply, либо нулю («земля»).

Рис. 2. 16. Структура КМОП-схемы

Понижающая цепь, подобно схемам, приведенным на рис. 2.11-2.13, создает­ся на основе транзисторов n-МОП. Как реализуются вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ, показано соответственно на рис. 2.17 и 2.18, а вентиль И, согласно рис. 2. 19, реа­лизуется путем инвертирования выходного сигнала вентиля И-НЕ.

Значительное уменьшение потребляемой схемой мощности — это не единст­венное достоинство технологии КМОП. Еще одним ее преимуществом является очень маленький размер МОП-транзисторов. А это важно по двум причинам. Во-первых, на основе этих транзисторов производятся микросхемы с невероятно высокой степенью интеграции элементов: на одном современном чипе умещают­ся миллионы транзисторов, благодаря чему один чип может содержать мощный микропроцессор или блок памяти большой емкости. Во-вторых, чем меньше транзистор, тем быстрее он переключается из одного состояния в другое. Быстро­действие современных интегральных КМОП-микросхем измеряется в гигагерцах.

Рис. 2.17. КМОП-реализация вентиля И-НЕ: схема вентиля (а); таблица истинности и состояния транзисторов (б)

Для современных КМОП-микросхем используются источники питания с напря­жением от 1, 5 до 15 В. Напряжение питания для наиболее распространенных микро­схем равно 5 или 3, 3 В. Чем меньше напряжение питания микросхемы, тем меньше потребляемая ею мощность (потребляемая мощность пропорциональна V²_supply), а значит, на микросхему можно поместить большее количество транзисторов, не вы­зывая ее перегрева. К сожалению, снижение напряжения ведет к понижению поме­хоустойчивости микросхемы, так что здесь требуется разумный компромисс.

Рис. 2.18. КМОП-реализация вентиля ИЛИ-НЕ: схема вентиля (в); таблица истинности и состояния транзисторов (б)

Рис. 2.19. КМОП-реализация вентиля И

На рис. 2.20 показано, как осуществляется переход между низким и высоким уровнями сигнала в КМОП-инверторе. Кривая, называемая передаточной харак­теристикой, отражает выходное напряжение как функцию входного напряже­ния. На данном рисунке видно, что когда входное напряжение проходит значение V_supply/2 выходное напряжение резко падает. Это значение входного напряжения, обозначенное на рисунке как V_t называется пороговым. Отмеченное на графике значение δ, определяющее окрестность порогового напряжения, таково, что V_out ≈ V_supply, если V_in < V_t - δ, и V_out ≈ 0, если V_in > V_t + δ. Это значит, что для формирова­ния правильного выходного сигнала входной сигнал не обязательно должен быть в точности равным номинальному значению 0 или V_supply. Допускается небольшая погрешность входного сигнала, называемая шумом, которая не вызывает наруше­ний в работе схемы. Приемлемые границы шума называются запасом помехо­устойчивости. Для входного логического значения 1 запас помехоустойчивости составляет V_supply – (V_t + δ), а для значения 0 он равен V_t - δ. У микросхем КМОП запас помехоустойчивости очень высок.