4.4.4 Базовые цифровые имс

Наиболее распространенные цифровые ИМС – логические элементы. Простейшим логическим элементом является элемент логического отрицания НЕ. Выход элемента НЕ всегда находится в состоянии противоположном состоянию его входа, т.е. элемент НЕ производит инверсию сигнала. Другие базовые элементы реализуют логические функции И и ИЛИ. Изображение логических элементом на принципиальных схемах приведено на рис. 4.4.2. Практически все более сложные цифровые устройства основаны на сочетании этих логических элементов. Помимо отдельных элементов выпускаются микросхемы, содержащие комбинации типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ и др.

Рис. 4.4.2. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ

На основе логических элементов можно синтезировать схемы любых логических преобразований Булевой алгебры, а также более сложные цифровые устройства, такие как ячейки памяти, счетчики импульсов и др.

Важной характеристикой логических ИМС является быстродействие или длительность фронта импульсов на выходе ИМС. Для современных логических элементов характерными значениями длительности фронтов являются десятки и даже единицы наносекунд.

Первые МИС и СИС изготовлялись по схемотехнологиям транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). Сегодня основными схемотехнологиями производства ИС являются КМОП (комплементарная структура «метал–оксид–полупроводник») и ТТЛШ (ТТЛ с диодами Шотки).

Широкое распространение получили цифровые ИМС релейного типа, имеющие два устойчивых состояния и называемых триггерами. Переход триггера из одного устойчивого состояния в другое происходит под воздействием сигнала управления и сопровождается скачкообразным изменением выходных токов и напряжений. В настоящее время выпускаются серии различных триггеров в виде самостоятельных ИМС.

Наиболее простой симметричный триггер может быть выполнен на снове двух элементов И-НЕ или двух элементов ИЛИ-НЕ (рис. 4.4.3).

Рис. 4.4.3. Простейший триггер: а – на элементах ИЛИ-НЕ, б – на элементах И-НЕ

В отличие от комбинационных логических схем, триггеры – это последовательностные схемы, т.е. устройства с памятью. Их выходные сигналы зависят не только от сигналов на входах в данный момент времени, но и от ранее воздействовавших сигналов.

Типы триггеров в зависимости от способов управления:

1. Асинхронные или не тактируемые.

2. Синхронные или тактируемые.

Изменение состояние асинхронного триггера происходит сразу же после изменения сигналов на его управляющих входах. У синхронного триггера изменение состояния под действием управляющих сигналов возможно только при присутствии сигнала на специальном тактовом входе. Тактирование может осуществляться импульсом (т.е. потенциалом) или фронтом импульса (т.е. перепадом потенциала). Поэтому различают триггеры со статическим и динамическим управлением. Существуют также универсальные триггеры, которые могут работать как в тактируемом, так и в не тактируемом режиме. Чаще всего применяются синхронные триггеры, которые обладают большой помехоустойчивостью.

Типы триггеров в зависимости от функционального назначения:

1) RS-триггеры;

2) D-триггеры;

3) JK-триггеры;

4) T-триггеры.

На основе триггеров строятся счетчики, регистры, элементы памяти, которые составляют основу ЦВМ.

Широко распространенной является схема RS-триггера (рис. 4.4.4).RS-триггер имеет два информационных входаS(от англ.set) иR(от англ.reset) и два инверсных относительно друг друга выходаи.Приивыход принимает состояние, а приисостояние. Таким образом сигнал логической единицы на входе«устанавливает» единицу на выходе, а на входе«сбрасывает». При нулевом сигнале на входах триггер не меняет своего состояния, поэтому он может использоваться как простейший элемент памяти. Комбинацияиприводит к неопределенному состоянию на выходе и является запрещенной.

Рис. 4.4.4 RS-триггер: а – обозначение, б – принципиальная схема

D-триггер иногда называют триггером задержки. Он имеет один информационный входDи два устойчивых состояния (рис. 4.4.5). Состояние триггера в момент временисовпадает с кодом входного сигнала, существовавшего в момент времени. Время задержки переключения триггера определяется задержкой распространения сигнала в логическом элементе. Достаточно часто применяются синхронизируемыеD-триггеры. Изменение сигнала на выходе такого триггера происходит только по сигналу тактового импульса на входеC. При отсутствии тактового импульса схема не меняет своего состояния при любых изменениях на информационном входе. СхемаD-триггера может содержать четыре элемента И-НЕ, соединенных по определенной схеме (рис. 4.4.5).

Рис. 4.4.5 D-триггер: а – обозначение несинхронизируемого D-триггера, б – обозначение синхронизируемого D-триггера, в – принципиальная схема

Т-триггер иногда называют счетным, потому что он меняет свое состояние на противоположное каждый раз, когда на его вход поступает сигнал логической единицы. Т-триггер является основным элементом для построения счетных устройств.

JK-триггер имеет два входаJиK. Функционально он подобенRS-триггеру, входJкоторого соответствует входуS, а входKвходуR. Отличие заключается в том, что комбинацияине является запрещенной, а меняет состояние выхода на противоположное.

Существуют и другие типы триггеров, но они применяются гораздо реже и могут быть получены на основе вышеописанных устройств.