КЛЕВО_FPGA
.pdfГлава 5. Схемотехника
ТТЛ-вентиль стремя состояниями {TS) показан на рис. 5.8, он имеет разрешающий выход Еп^ с помощью которого выход можно сделать высокоомным (отключенным).
|
П |
^а |
1 Хо |
X] |
En 1 У 1 |
|
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
|
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
1 |
0 |
1 |
1 |
|
Еп о-^ |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
|
^Ь—К} |
|
d |
d |
0 |
hoch- |
|
|
|
|
|
|
|
ohmig 1 |
хо |
^ |
-о у |
|
|
b) |
|
XI о- |
|
|
|
|||
|
£ |
|
:^о |
|
& |
|
|
|
^1 |
|
1 V| |
||
|
|
En |
|
ENl |
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с) |
|
Рис . 5.8. a) принцип построения |
ТТЛ-вентилей |
типа |
tri-state |
(NAND); |
||
|
b) таблица истинности для положительной логики; с) логический |
|||||
|
символ 1-высокооомный. |
|
|
|
|
|
Если на входе Еп имеет место низкое напряжение L, то верхний выходной транзистор Тз заперт. Поскольку разрешающий вход Еп подключен к эмиттеру транзистора Ti, то этот транзистор откры вается. Вследствие этогоТ2 запирается, и на эмиттером резисторе Т2 нет падения напряжения, поэтому Т^ тоже заперт. Так как оба выходных транзистора Тз и Т^ заперты, выход вентиля находится в высокоомном состоянии.
Если на входе Еп напряжение соответствует уровню i7, то соот ветствующий эмиттер и диод ток не пропускают. Схема работает как нормальный вентиль НЕ-И.
5.2.1.Нагрузка выходов
Квыходу ТТЛ вентиля может быть подключено только ограничен ное количество входов следующих вентилей. У ТТЛ нагрузочный ток выходного каскада ограничен. Стандартные ТТЛ-элементы име ют жестко ограниченные максимальные нагрузочные токи, указан ные в табл. 5.2.
Отсюда следует, что к одному стандартному ТТЛ-вентилю мо жет быть подключено до 10 стандартных ТТЛ вентилей. Коэффи-
5.3. Эмиттерно-связанная |
логика |
циент разветвления стандартной ТТЛ-серии равен 10, но при этом существует и другой коэффициент разветвления, который имеет место при смешанном использовании различных серий. Синонима ми понятия «коэффициент разветвления» (fan-out) являются поня тия «коэффициент запуска» (drive-factor) «коэффициент нагрузки» (load-factor).
Таблица 5.2, Максимальные выходные и минимальные входные токи стан дартных ТТЛ-элементов.
|
М аксимальный |
Минимальный |
|
нагрузочный ток |
входной ток |
Низкий уровень |
16 мА |
1,бмА |
Высокий уровень |
0,4мА |
0,04мА |
Для всех ТТЛ-серий справедливо:
• Напряжение питания Vcc = 5 В
•Почти одинаковые входные и выходные уровни (ТТЛ-уровни) для всех серий:
UoLmax |
= |
О, 4 В |
UoHmin |
= |
2, 4 В |
UiLmax |
== О, 8 В |
|
выходные уровни
входные уровни
•Совместимость между выводами одинаковых типов ИС, при надлежащих к различным сериям
•Разомкнутые входы соответствуют логическому уровню (Н)
•Невозможность параллельного включения выхода.
5.3.Эмиттерно-связанная логика
Вэмиттерно-связанной логике (ECLy emitter-coupled logic) использу ется дифференцальные усилители, в которых транзисторы не в вво дятся в насыщение (рис. 5.9). Благодаря этому данные схемы имеют повышенное быстродействие.
Во входном дифференциальном усилителе схемы напряжения вход
ных сигналов жо и xi сравниваются с опорным сигналом. Если жо и xi имеют значение L, то транзисторы Ti и Т2 заперты, а транзистор
Глава 5. Схемотехника |
|
Тз открыт. Если, наоборот, жо и xi имеют значение Я, то Ti |
или |
Т2 открыты, а Тз заперт. Выходной сигнал ^у имеет значение |
Н. |
Следовательно, схема выполняет функцию вентиля ИЛИ-НЕ. Порог переключения может быть задан напряжением на базе Тз, устано
гт |
0V |
Хо |
_ |
>1 |
у |
вленным с помощью делителя напряжения. |
|
|
|
|
|
|
-^у |
Х\ |
_ |
|
э~-У |
|
|
|
|
|
|
|
у |
|
|
Ь) |
|
|
|
|
|
|
а)
Р и с . 5.9. НЕ-ИЛИ-вентиль на основе ELC: а) схема; в) логический символ для положительной логики.
Можно отметить следующие свойства ELC-вентилей:
•ELC вентили быстрее ТТЛ вентилей
•В стационарных состояниях они потребляют большую мощ ность, а при высоких частотах меньшую мопщость, чем КМОП
иТТЛ;
•Одинаковые значения рассеиваемой мощности при низком и высоком уровнях;
•Высокий коэффициент разветвления по выходу
•Низкий запас помехоустойчивости.
5.4. Интегральная инжекционная логика (PL)
Интегральная инжекционная логика (I^L) особенно хорошо подхо дит для интеграции, так как для нее требуется очень малая площадь поверхности кристалла.
На рис. 5.10 показан типичный инвертор. Транзистор Ti работа ет как источник постоянного IQ тока. Если входной сигнал х нахо дится на уровне (Я), весь ток втекает в базу Т2, который становится
5.4' Интегральная иноюекционная логика (РЬ) |
75 |
открытым. Выходы у1 и у2 в этом случае находятся на уровне (L). Если вход соответствует уровню (L), то ток IQ течет в предыдущий вентиль, а выходные сигналы соответствуют уровню (Н).
^СС |
У\ У2 |
|
|
|
99 |
^СС |
X У\ У2 |
|
|
р |
Fгыы |
|
|
|
|
• |
• • |
X о- |
С |
|
п |
|
|
| , „ , . . „ . . . . , . |
^ |
||
|
а) |
|
б) |
|
Р и с . 5.10. а) схема I^L-инвертора; б) физическая |
структура |
|||
Логические схемы I^L типа могут работать с очень малыми ра бочими напряжениями, лежащими ниже 1 В. В этом случае запас по помехоустойчивости очень мал. На рис. 5.11 показан ИЛИ-НЕ вен тиль, выполненный по I^L технологии. Оба открытых коллектора могут быть использованы для реализации других логических функций.
^СС
Х\ о- й tl
Х2 о-
^
Р и с . 5.11. Вентиль ИЛИ-НЕ, выполненный по I L технологии.
Глава 5. Схемотехника
5.5.Рассеиваемая мощность и характеристики переключения транзисторных переключателей
Ниже исследуются режимы переключения КМОП вентилей, к выходу которого подключена КМОП нагрузка. Для этого исполь зуется модель транзисторного переключателя, представленная на рис. 5.12. В этой модели транзистор представлен сопротивлениями Ron и Roff-, в зависимости от того, включен он или выключен. Про водники и входная схема, подключенные к выходу, представлены емкостью Ci.
|
Ron |
и Roff |
|
'Ua |
'Ua |
|
и Roff J B G |
URon ±Ci |
a) КМОП-инвертор |
b) вютючение |
с) выключение |
Рис . 5.12. а) КМОП-инвертор; в) модель для процесса включения; с) мо дель для процесса выключения.
Конденсатор Ci состоит из входных емкостей следующих венти лей, емкостей проводников и из выходной емкости Cos инвертора. В случае использования биполярной схемотехники необходимо учи тывать входное сопротивление следующих вентилей.
Следует учитывать, что сопротивление в положении «включено» Ron при заданной длине затвора транзистора зависит от ширины затвора, поскольку ток стока пропорционален отношению ширины затвора к длине затвора. Поэтому транзисторы малой площади име ют высокое сопротивление в состоянии «включено». Если решить дифференциальное уравнение, описывающее изменение выходного напряжения во времени, то получим выражения р^ля переключения
от Н к L:
Ua = VDD(l-e-'/''°-^^) |
(5.1) |
и д^ля переключения от Н к L: |
|
Ua = Увве-''^-^' |
(5.2) |
Постоянная временная этой функции представляет собой аппрокси мацию времени переключения вентиля:
^5 ^ RonCi |
(5.3) |
5.5. Рассеиваемая мощность и характеристики переключателей
Из этого выражения следует — чтобы получить малое время пере ключения, сопротивление транзистора во включенном состоянии и выходная емкость должны быть минимизированы.
Рассчитав на основе уравнений (5.1) и (5.2) среднюю рассеиваю щую мощность Р при периодическом переключении с частотой / , и добавив статическую мощность потерь {VOD/ROU ~^ Roff)^ получим:
Из приведенного можно сделать следующие выводы:
-Для быстродействующих схем необходимы низкие сопротивле ния во включенном состоянии и, следовательно, транзисторы с большой шириной затвора W (если применяются ПТ).
-Быстродействующие схемы требуют, чтобы емкости провод ников были малы, поэтому в быстродействующих схемах к вы ходу можно подключать только малое число вентилей.
-При увеличении скорости переключения возрастает мощность потерь.
-У быстродействующих и высокоинтегрированных схем напря жение питания должно быть уменьшено.
Р и с . 5.13. Схематическая зависимость моыщости от частоты переключений.
На рис. 5.13 показана зависимость потребления мощности от ча стоты при использовании А^ЛЯ реализации логики на различных техно логиях. Наряду с кремниевыми КМОН-технологией и ЭСЛ-техно- логией представлены результаты, полученные А,ЛЯ технологии, на базе сложного полупроводника-арсенида галлия (GaAs). Применя емые в этой технологии специальные полевые транзисторы пред ставляют собой транзисторы с высокой проводимостью электронов
Глава 5. Схемотехника
(high-electron-mobility transistor НЕМТ). Как видно из рисунка, в со ответствии с уравнением (5.4) имеются статическая составляющая мощности и пропорциональная частоте динамически составляющая. На низких частотах предпочтительней является КМОП-технология, на высоких частотах лучшие результаты дает GaAs-технология.
5.6. Упражнения
Задача 5.1.
а) Сконструируйте КМОП-НЕ-И вентиль с тремя входами.
б) Сконструируйте КМОП-НЕ-ИЛИ вентиль с тремя входами.
Задача 5.2. Сформируйте таблицу истинности и символическое обозначение логического элемента на рис. 5.8, приняв за основу от рицательную логику.
Задача 5.3. Определите, какая логическая функция у = /(ж1,жо) реализуется представленным вентилем, если используется положи тельная логика.
ДОПОЛНЕНИЕ
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
ЭНЕРГЕТИКА ОБРАБОТКИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
Д. I. Введение
Цифровал техника обрабатывает, хранит и отображает информа цию, необходимую А^ЛЯ решения самых разнообразных проблем. Все перечисленное производится с помощью электронных схем-полупро- водниковых интегральных схем. Неизбежной платой за производ ство новой информации являются затраты энергии. От того, как организованы интегральные схемы зависит, как быстро, точно и ка кими энергозатратами обеспечивается производство информации.
Высокие скорости и низкие энергетические затраты — это две главных цели развития элементной базы цифровой техники. Эти це ли достигаются за счет совершенствования системных решений ци фровых устройств, принципов и алгоритмов их функционирования. Другая группа средств достижения этих целей включает схемотех нические, структурные и топологические решения базовых логиче ских вентилей и элементарных переключателей.
Целью данного раздела является изложение основных идей и тех нических решений, являющихся теоретических основой создания ци фровой техники на схемотехническом и структурно-топологическом уровнях.
Д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации
Энергетические затраты на производство информации в цифровых системах и скорость ее производства тесно взаимосвязаны. За высо кие скорости приходится расплачиваться высокими затратами энер гии. И наоборот, сэкономить энергию можно за счет уменьшения скорости.
Дополнение
Электронные схемы логических вентилей — базовые элементы цифровых интегральных устройств с точки зрения энергетики, пред ставляют собой совокупность электронных компонентов, организо ванных в единый ансамбль электронных цепей ^\ля передачи, накоп ления и диссипации электрической энергии, потребляемой с внешних источников. В совокупность электронных компонентов обязатель но входят переключатели, управляемые входными электрическими сигналами. Эти переключатели формируют электрические цепи со вместно или с другими переключателями, или с пассивными компо нентами, с помош;ью которых двоичная цифровая информация пред ставляется в виде уровней напряжений (или токов) за счет потоков энергии между полосами источников питания. При смене входной информации переключатели изменяют конфигурации цепей и соот ветственно потоков энергии в них. При этом происходит накопление энергии в одних компонентах и ее диссипация в других.
Количество энергии, необходимое ^\ля предоставления информа ции и скорости накопления и диссипации энергии, определяюп],ие скоростные характеристики производства информации, определя ются:
-принципами действия элементарных переключателей и других компонентов вентилей;
-видами их соединения в электронных схемах вентилей и спо собам подключения к источникам энергии;
-способами воплоп];ения компонентов и соединений между ними
иисточниками энергии в интегральной структуре.
Эти факторы совместно определяют как количество энергии так и скорость ее потребления, необходимые для достижения определен ной скорости обработки информации. Они тесно взаимосвязаны и трудно однозначно четко выделить их индивидуальные вклады.
Тем не менее, если приоритет отдать энергетике производства информации, то логично вначале рассмотреть факторы, в первую очередь, определяюш;ие необходимое количество энергии. С этой це лью рассмотрим логические вентили как энергопотребители.
Какое количество энергии необходимо J\RR производства инфор мации и достаточно ^\ля этого производства с заданным быстродей ствием — мало ответить на этот вопрос. Надо еще разобраться, как и какими средствами этого достигнуть.
Для этого в данном разделе излагаются принципы организации электронных схем логических вентилей.
д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации
Воплощение схемотехнических принципов в конкретные базовые элементы цифровых схем начинается с подбора элементарных пере ключателей.
Этот выбор определяется прежде всего требованиями по бы стродействию, которые предъявляются к цифровому устройству. Скорость производства информации на уровне базового логическо го вентиля в основном определяется принципом действия элемен тарного переключателя. Поэтому в данном разделе рассмотрены основные типы переключателей, как элементы цифровых вентилей, главным образом определяющие скорость производства цифровой информации.
И, наконец, электронная схема должна быть реализована в виде интегральной структуры. От того, каким образом это будет выпол нено, зависит скорость производства информации и цена, которую за это надо будет заплатить. Изготовление интегральных цифровых устройств дорогостоящее дело. Поэтому требования к параметрам физической структуры, к геометрическим (топологическим) разме рам элементов не должна быть чрезмерно жесткими. Они должны соответствовать достигнутому уровню развития технологии. Же лательно решить задачу без усложнения технологии по возможности только за счет соответствующей организации конфигурации схемы соединения компонентов и подбора вида и параметров электронных ключей. То есть схемотехническим путем. Особенности структур базовых элементов, определяющие энергетику и скоростные качества базовых вентилей будут изложены в последующих разделах дополнения.
Д.2.1. Классификация вентилей как энергопотребителей
Рассматриваемая классификация в качестве классификационных при знаков использует свойства логических вентилей, характеризующих их энергетические характеристики.
Первым классификационных признаком в соответствии со ска занным выше целесообразно использовать вид источников питания, из которого цифровые схемы потребляют энергию, необходимую для производства информации. По этому признаку все виды цифро вых схем можно сгруппировать в три класса.
К первому классу отнесены вентили, питающиеся от традици онных источников электроэнергии искусственного происхождения: вторичные источники стабилизированного напряжения, батарейки, аккумуляторы и другие. Эти источники используются р,ля подавля ющего большинства цифровых схем.