Skhemotekhnika_Bassalin

15

Функциональная микроэлектроника, обеспечивая конструктивно-технологическую базу электронной вычислительной аппаратуры, реализует принципиально отличный подход, основанный на использовании физических явлений в твердом теле. Он заключается в придании локальному объему твердого тела определенных свойств, обеспечивающих выполнение заданной функции посредством механизмов того или иного физического явления. Данный подход использует не схемотехнические, а физические принципы интеграции, исключая необходимость представления желаемой функции эквивалентной электрической схемой.

Функциональная микроэлектроника может использовать следующие физические явления и эффекты.

Оптические явления в твердом теле. Их свойства обусловлены такими свойствами светового потока, как однонаправленность, двухмерность, зарядовая нейтральность, отсутствие электрических контактов, высокая несущая частота и др. Исследованием и практическим использованием этих свойств занимается область функциональной микроэлектроники –

оптоэлектроника.

Оптоэлектронный прибор – это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно. Элементы оптоэлектронного устройства оптически связаны, но электрически изолированы друг от друга. Это упрощает согласование высоковольтных и низковольтных, высокочастотных и низкочастотных цепей. Световые потоки могут нести большую функциональную нагрузку. Это обеспечивается возможностью управления многими параметрами: амплитудой, частотой, фазой, направлением, поляризацией.

Акустоэлектроника - это направление функциональной микроэлектроники, занимающееся преобразованием акустических сигналов в электрические и обратно. Оно базируется на использовании механических резонансных эффектов,

16

пьезоэлектрического эффекта, законов взаимодействия электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале.

Магнетоэлектроника – это направление функциональной микроэлектроники, связанное с исследованием новых магнитных материалов, характеризующихся малой намагниченностью насыщения. Прикладное направление – разработка технологий получения тонких магнитных пленок для использования в микроэлектронных запоминающих устройствах, обладающих малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием и надежностью.

Молекулярная электроника – область микроэлектроники,

занимающаяся проблемами организации функциональных электронных элементов и устройств на уровне отдельных молекул и их комплексов.

Биоэлектроника – это направление бионики, связанное с изучением нервной системы живых организмов и применением результатов для разработки новых устройств радиоэлектронной аппаратуры.

Криоэлектроника – направление электроники, основные задачи которого состоят в исследовании взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах и создание новых приборов на основе получаемых результатов.

17

ГЛАВА 2. ИЕРАРХИЯ ЦИФРОВОЙ АППАРАТУРЫ

2.1. Логические элементы

Нижний уровень в иерархии цифровой аппаратуры занимают логические элементы. Это наименьшие функциональные части, из которых складываются цифровые устройства при их логическом проектировании и конструктивнотехнологическом исполнении. Логические элементы реализуют простейшие функции или системы функций в соответствии с формулами алгебры логики (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.).

По способу кодирования двоичных (булевых) переменных логические элементы классифицируются на:

-потенциальные (логические «0» и «1» ассоциируются с определенными, отличными друг от друга уровнями напряжения);

-импульсные (логические «0» и «1» ассоциируются, соответственно, с отсутствием и наличием импульсов напряжения или тока);

-импульсно-потенциальные (комбинируют в себе импульсный и потенциальный способы кодирования двоичных переменных).

Наиболее широкое применение из-за технологичности, надежности и простоты проектирования находят потенциальные логические элементы.

Схемотехнической основой логического элемента является базовая схема, построенная из аналоговых элементов (транзисторов, диодов, резисторов). Простейшие примеры таких схем изображены на рис.2.1 (рядом со схемами справа приведены условные графические обозначения соответствующих логических элементов, используемые для представления их в функциональнологических схемах). Представленные на рисунке вентили И-НЕ,

18

19

Ucc

а)

Ucc

___

F = x1x2

x1

&

x2

б)

Ucc

20

ИЛИ-НЕ могут иметь более двух входов. Маленькие кружочки на выходах элементов обозначают инвертирующие выходы.

Если выход элемента И-НЕ подать на инвертор, то получается вентиль И. Его условное обозначение совпадает с обозначением вентиля И-НЕ, только кружочек у него на выходе отсутствует. Аналогично из вентиля ИЛИ-НЕ можно получить вентиль ИЛИ.

Надо заметить, что используемые на практике базовые схемы логических элементов выглядят несколько сложнее, ибо при их проектировании, помимо реализуемой логической

помехоустойчивость, среднее время задержки, предельная рабочая частота, потребляемая мощность.

Конкретная базовая схема определяет серию логических элементов (серию микросхем), т.е. совокупность логических элементов (микросхем), отличающихся выполняемой функцией алгебры логики, нагрузочной способностью и, возможно, функциональным назначением, но совместимых по архитектуре, конструктивно-технологическому исполнению, электрическим параметрам, допускающим возможность их совместного применения.

Значения основных характеристик логического элемента определяются схемотехническими и конструктивнотехнологическими особенностями его реализации. Так с

биполярной технологией связана транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), наиболее широко применяемая в цифровой аппаратуре, и эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), отличающаяся высоким быстродействием и значительным потреблением энергии (на рис.2.2 в качестве примера приведена одна из базовых схем ТТЛ). Более медленными, но компактными и экономными в плане потребления энергии являются элементы, реализуемые по МОП (метал-окисел-полупроводник)-технологии. Детальную информацию об особенностях существующих

21

технологий и их базовой схемотехнике можно получить из источника [17].

22

Ucc

x1

Т2

x2

F

x3

Т4

x4

Рис.2.2. Базовая схема четырехвходового логического элемента И-НЕ ТТЛ.

23

К уровню элементов цифровой аппаратуры (цифровых элементов), помимо логических элементов, следует также отнести запоминающие и вспомогательные элементы.

Запоминающие элементы (защелки, триггеры), используемые для хранения одного бита информации, легко строятся из вентилей в соответствии со схемами, которые будут рассмотрены позже. Что касается вспомогательных элементов, не выполняющих логические операции и функции хранения данных (генераторы импульсных сигналов, элементы задержки и т.д.), знакомство с ними не входит в содержание данного учебника.

В зависимости от условий работы в более сложных структурах (логических цепях, запоминающих устройствах, магистрально-модульных микропроцессорных системах) цифровые элементы (логические, запоминающие, буферные) могут иметь выходы четырех типов:

-логические;

-с открытым коллектором (стоком);

-с открытым эмиттером (истоком);

-с третьим состоянием.

Элементы с логическим выходом широко используются в схемотехнике комбинационных цепей. На логическом выходе могут формироваться два уровня напряжения: U0, соответствующий логическому 0, и U1, соответствующий логической 1. С целью увеличения быстродействия элемента выходное сопротивление логического выхода стремятся уменьшить, чтобы обеспечить достаточно большие токи перезаряда емкостных нагрузок. Это достигается применением на выходе элемента двухтактного каскада, представленного на рисунке 2.3. Малое выходное сопротивление такой схемы при любом направлении переключения обеспечивается двумя работающими противофазно (один открыт, другой закрыт) транзисторами Т1 и Т2.

24

Ucc

Т1

. . . . .

x1

.

.

.

. F

.

Рис. 2.3. Логический выход

Как пример элемента с логическим выходом можно рассматривать четырехвходовый логический элемент И-НЕ ТТЛ, базовая схема которого представлена на рис.2.2.

Недостатком логических выходов является невозможность их параллельного соединения. Это приводит к логической неопределенности, а также возможности возникновения