Рабочий стол / Alaev_A_N (1) / Алаев А.Н / DIGITAL_Konsp

11

Рис. 1.5. Суммированиезадержекэлементов.

Рис. 1.6. Суммированиевходныхтоковэлементов.

Такимобразом, проектированиецифровыхустройствпринципиально отличается от проектирования аналоговых устройств, прикоторомсложные расчетыабсолютнонеизбежны. Разработчикцифровыхустройствимеетдело толькослогикой, слогическимисигналамиисалгоритмамиработыцифровых микросхем. Ачтопроисходитвнутриэтихмикросхем, длянегопрактически не имеет значения.

Справочныеданныенацифровыемикросхемыобычносодержатбольшой наборпараметров, каждыйизкоторыхможноотнестикодномуизтрех перечисленныхуровнейпредставления, к одной из трех моделей.

Например, таблицаистинностимикросхемы(дляпростыхмикросхем) или описание алгоритма ее работы (для более сложныхмикросхем) относитсяк первому, логическомууровню. Поэтомузнатьихнаизустькаждому разработчикунеобходимо в любом случае.

Величинызадержеклогическихсигналовмеждувходамиивыходами относятсяковторомууровнюпредставления. Типичные величины задержек составляют от единиц наносекунд (1 нс= 10-9 с) додесятковнаносекунд. Величинызадержекдляразныхмикросхеммогутбытьразличными, поэтомув справочникахвсегдауказываетсямаксимальноезначениезадержки. Необходимо такжепомнить, чтозадержкаприпереходевыходногосигналаизединицывнуль

12

(tPHL), какправило, отличаетсяотзадержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу (tPLH). Например, дляоднойитойжемикросхемыtPLH < 11 нc, a tPHL < 8 нc. ЗдесьанглийскаябукваРозначаетPropagation (распространение), L означаетLow (низкийуровеньсигнала, нуль), аН— High (высокийуровень сигнала, единица). Количествовеличинзадержек, определяемыхсправочником длямикросхемы, можетизменятьсяотдвухдонесколькихдесятков.

Уровнивходныхивыходныхтоков, атакжеуровнивходныхивыходных напряженийотносятсяктретьемууровнюпредставления.

Входнойтокмикросхемыприприходенавходлогическогонуля(IIL), как правило, отличаетсяотвходноготокаприприходенавходлогическойединицы (IIH). Например, IIL = 0,1 мА, аIIH = 20 мкА(считается, чтоположительныйток втекаетвовходмикросхемы, аотрицательный— вытекаетизнего). Точнотак же выходной ток микросхемы при выдаче логического нуля (IOL) может отличаться(иобычноотличается) отвыходноготокапривыдачелогической единицы(Iон). Например, дляоднойитойжемикросхемыIOH < ~0,4 мА, a

IOL < 8 мА(считается, чтоположительныйтоквтекаетввыходмикросхемы, а отрицательный— вытекаетизнего). Надотакжеучитывать, чторазныевходы ивыходыоднойитойжемикросхемымогутиметьразличные входные и выходные токи.

Длявыходныхнапряженийлогическогонуля(UOL) иединицы(UOH) В справочникахобычнозадаютсяпредельнодопустимыезначенияпризаданной величиневыходноготока. Приэтомчембольшевыходнойток, темменьше напряжениелогическойединицыитембольшенапряжениелогического нуля.

Например, UOH > 2,5 В(при IOH < - 0,4 мА), a UOL < 0,5 В(при IOL<8MA).

Задаютсявсправочникахтакжеидопустимыеуровнивходных напряжений, которые микросхема еще воспринимает как правильные логические уровни нуля и единицы. Например, UIH> 2,0 В, UIL < 0,8 В. Какправило, входные напряжениялогическихсигналовнедолжнывыходитьзапределынапряжения питания.

ВобозначенияхнапряженийитоковбукваI означаетInput (вход), букваО означаетOutput (выход), L — Low (нуль), аН— High (единица).

13

Ктретьемууровнюпредставленияотносятсятакжевеличинывнутренней емкостивходовмикросхемы(обычноотединицдодесятковпикофарад) и допустимаявеличинаемкости, ккоторойможетподключатьсявыход микросхемы, тоестьемкостьнагрузки CL (порядка 100 пФ). Отметим, что 1 пФ = 10-12 Ф. Наэтомжеуровнепредставлениязадаютсямаксимальнодопустимые величины длительности положительного фронта (tLH) и отрицательного фронта (среза) (tHL,) входного сигнала, например tHL< 1,0 мкс, tLH < 1,0 мкс. То естьприбольшейдлительностипереходавходногосигналаизединицывнульи изнулявединицумикросхемаможетработатьнеустойчиво, неправильно, нестандартно.

Ктретьемууровнюпредставленияможноотнеститакжетакиепараметры, какдопустимоенапряжениепитаниямикросхемы (UCC) и максимальный ток, потребляемый микросхемой (ICC). Например, может быть задано:

4,5В<UCC <5,5В; ICC<100мА.

ПриэтомпотребляемыйтокICC зависитотуровнейвыходныхтоков микросхемыIOH ИIOL.ЭТИпараметрынадоучитыватьпривыбореисточника питаниядляпроектируемогоустройства, атакжевпроцессеизготовления печатныхплатпривыбореширины токоведущих дорожек.

Наконец, ктретьемууровнюотноситсярядпараметров, которыечасто упоминаютсявлитературе, ноневсегдаприводятсяв справочных таблицах:

•Порогсрабатывания — уровеньвходногонапряжения, вышекоторого сигналвоспринимаетсякакединица, аниже— какнуль. Длянаиболее распространенныхТТЛмикросхем он примерно равен 1,3... 1,4 В.

•Помехозащищенность — параметр, характеризующий величину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние выходных сигналов.

Помехозащищенность определяетсяразницеймеждунапряжениемUIH и порогомсрабатывания (это помехозащищенность единичного уровня), а также разницей между порогом срабатывания и UIL, (это помехозащищенность нулевого уровня).

•Коэффициент разветвления — число входов, которое может быть

14

подключено к данному выходу без нарушения работы. Этот параметр определяется отношением выходного тока к входному. Стандартная величина коэффициента разветвления при использовании микросхем одного типа (одной серии) равна 10.

•Нагрузочная способность — параметр выхода, характеризующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный

выход без нарушения работы. Чаще всего нагрузочная способность прямо связана скоэффициентом разветвления.

Таким образом, большинство справочных параметров микросхемы относятся к третьему уровню представления (к модели сучетом электрических эффектов), поэтому в большинстве случаев (до 80%) знать их точные значения наизусть не обязательно. Достаточно знать примерные типовые значения параметров для данной серии микросхем.

1.3. Входыивыходыцифровыхмикросхем

Характеристики и параметры входови выходовцифровых микросхем определяются прежде всего технологией и схемотехникой внутреннего строения микросхем. Но для разработчика цифровых устройств любая микросхема представляет собой всего лишь «черный ящик», внутренности которого знать не обязательно. Ему важно только четко представлять себе, как поведет себя таили иная микросхема в данном конкретном включении, будет ли она правильно выполнять требуемую от нее функцию.

Наибольшеераспространениеполучилидветехнологиицифровых микросхем:

•ТТЛ(TTL) иТТЛШ(TTLS) — биполярнаятранзисторно-транзисторная логикаиТТЛсдиодамиШоттки;

•КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы соструктурой «металл-окисел-полупроводник».

15

Рис. 1.7. ВходнойивыходнойкаскадымикросхемТТЛШ.

Рис. 1.8. ВходнойивыходнойкаскадымикросхемКМОП.

Различаютсяонитипамииспользуемыхтранзисторовисхемотехническими решениямивнутреннихкаскадовмикросхем. Отметимтакже, чтомикросхемы КМОПпотребляютзначительноменьшийтокотисточникапитания, чемтакиеже микросхемыТТЛ(илиТТЛШ), правда, тольковстатическомрежимеилина небольших рабочих частотах. На рис. 1.7 и 1.8 показаны примерысхем входныхивыходныхкаскадовмикросхем, выполненных по этим технологиям. Понятно, что точный учет всехэффектоввэтихсхемах, включающихвсебя множествотранзисторов, диодовирезисторов, крайнесложен, нообычноон простоненуженразработчикуцифровыхсхем.

Рассмотримсначалавходымикросхем.

Напервомуровнепредставления(логическаямодель) инавторомуровне представления(модельсвременнымизадержками) овходахмикросхемвообще ничегознатьненадо. Входрассматриваетсякакбесконечнобольшое

16

сопротивление, никакневлияющеенаподключенныекнемувыходы. Правда, количествовходов, подключаемыхкодномувыходу, влияетназадержку распространениясигнала, но, какправило, незначительно, поэтому это влияние учитывается редко.

Даженатретьемуровнепредставления(электрическаямодель) в большинствеслучаевненадознатьовнутреннемстроениимикросхемы, о схемотехникевходов. Достаточносчитать, чтоприподаченавходсигнала логическогонуляизэтоговходавытекаетток, непревышающийIIL, априподаче сигналалогическойединицывэтотвходвтекаетток, непревышающийIIH. А дляправильнойлогикиработымикросхемыдостаточно, чтобыуровень напряжениявходногосигналалогическогонулябылменьшеUIL,ауровень напряжениявходногосигналалогическойединицы был больше UIH .

Особым случаем является ситуация, когда какой-нибудь входне подключенникодномуизвыходов, никобщемупроводу, никшинепитания (такназываемыйвисящийвход). Иногдавозможностимикросхемыиспользуются неполностью, инанекоторыевходынеподаютсясигналы. Однакоприэтоммикросхемаможетнеработатьилиработатьнестабильно, таккакееправильное включениеподразумеваетналичиенавсехвходахлогическихуровней, пусть дажеинеизменных. Поэтомурекомендуетсяподаватьнанеиспользуемыевходы напряжениепитаниямикросхемыUCC илиподключатьихкобщемупроводу (земле) в зависимости от того, какой логический уровень необходимнаэтом входе. Нодлянекоторыхсериймикросхем, выполненныхпотехнологииТТЛ (например, К155 илиКР531), неиспользуемыевходынадоподключатькшине питаниянепрямо, атолькочерезрезисторвеличинойоколо1 кОм(достаточно одного резистора на 20 входов).

На неподключенных входах микросхем ТТЛ формируется напряжение около 1,5—1,6 В, которое иногда называют висячим потенциалом. Обычно этот уровень воспринимается микросхемой как сигнал логической единицы, но надеяться на это не стоит. Потенциал, образующийся на неподключенных входах микросхем КМОП, может восприниматься микросхемой и как логический нуль, и как логическая единица. В любом

17

случае все входы надо куда-то подключать. Неподключенными допускается оставлять только те входы (ТТЛ, а не КМОП), состояние которых в данном включении микросхемы не имеет значения.

Выходы микросхем принципиально отличаются от входов тем, что учет их особенностей необходим даже на первом и втором уровнях представления.

Существуют три разновидности выходных каскадов, существенно различающихся как по своим характеристикам, так и по областям применения:

•стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается

2С, 2S или, реже, ТТЛ, TTL);

•выход с открытым коллектором (обозначается ОК, ОС);

•выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается ЗС, 3S).

Стандартный выход 2С имеет всего два состояния: логический нуль и логическую единицу, причем оба этих состояния активны, то есть выходные токи в обоих этих состояниях (IOL И IOH) могут достигать заметных величин. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух выключателей, которые замыкаются по очереди (рис. 1.9), причем замкнутому верхнему выключателю соответствует логическая единица на выходе, а замкнутому нижнему — логический нуль. Выход с открытым коллектором ОК тоже имеет два возможных состояния, но только одно из них (состояние логического нуля) активно, то есть обеспечивает большой втекающий ток IOL. Второе состояние сводится, по сути, к тому, что выход полностью отключается от присоединенных к нему входов. Это состояние может использоваться в качестве логической единицы, но для этого между выходом ОК и напряжением питания необходимо подключить нагрузочный резистор R (так называемый pull-up) величиной порядка сотен Ом. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из одного выключателя (рис. 1.9), замкнутому состоянию которого соответствует сигнал логического нуля, аразомкнутому

18

— отключенное, пассивное состояние. Правда, от величины резистораR зависитвремяпереключениявыходаизнулявединицу, чтовлияетназадержку tm, ноприобычноиспользуемыхноминалах резисторов это не слишком важно.

Рис. 1.9. Тритипавыходовцифровыхмикросхем.

Наконец, выход с тремя состояниями ЗС очень похож на стандартный выход, но к двум состояниям добавляется еще и третье — пассивное, в котором выход можно считать отключенным от последующей схемы. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух переключателей (рис. 1.9), которые могут замыкаться по очереди, давая логический нуль и логическую единицу, но могут и размыкаться одновременно. Это третье состояние называется также высокоимпедансным или Z-состоянием. Для перевода выхода в третье Z- состояние используется специальный управляющий вход, обозначаемый ОЕ

(Output Enable — разрешение выхода) или EZ (Enable Z-state — разрешение Z-

состояния, или третьего состояния).

Почему же помимо стандартного выхода (2С) были предложены ещедва типавыходов(ОКиЗС)? Деловтом, чтовыходы, имеющиепомимоактивных состоянийещеипассивноесостояние, очень удобны для объединенияих между собой. Например, если наодин итот же вход надо поочереди подавать сигналы сдвух выходов(рис. 1.10), то выходы 2Сдля этого неподходят, авот выходы ОК и ЗС подходят.

19

Рис. 1.10. Объединениевыходовцифровыхмикросхем.

При объединении двух или более выходов 2С вполне возможна ситуация, при которой один выход стремится выдать сигнал логической единицы, а другой — сигнал логического нуля. Легко заметить, что в этом случае через верхний замкнутыйключвыхода, выдающегоединицу, ичерезнижний замкнутый ключ выхода, выдающего нуль, пойдет недопустимо большойток короткогозамыканияIКЗ. Этоаварийнаяситуация, прикоторой уровень получаемого выходного логического сигнала точно не определен, он может восприниматься последующим входомикакнуль, икакединица. Конфликтующиевыходымогут даже выйти из строя, нарушив работу микросхем и схемы в целом.

Зато в случае объединения двух выходов ОК такого конфликтав принципепроизойтинеможет. Дажееслиключодноговыхода замкнут, а другого разомкнут, аварийной ситуации не произойдет, так как недопустимо большого тока не будет, а на объединенном выходе будет сигнал логического нуля. А при объединении двух выходов 3С аварийная ситуация хотя и возможна (если оба выхода одновременно находятся в активном состоянии), но ее легко можно предотвратить, если организовать схему так, что в активном состоянии всегда будет находиться только один изобъединенных выходов

3С.

Объединениевыходовцифровыхмикросхемсовершеннонеобходимо также при шинной (или, как еще говорят, магистральной) организациисвязей

20

между цифровыми устройствами. Шиннаяорганизациясвязейприменяется, например, вкомпьютерах, другихмикропроцессорныхсистемах. Сутьее сводитсякследующему.

Рис. 1.11. Классическая организация связей.

При классической организации связей (рис. 1.11) все сигналымежду устройствамипередаютсяпосвоимотдельнымлиниям (проводам). Каждое устройство передает свои сигналы всем другимустройствам независимо от других устройств. Вэтомслучаеобычнополучаетсяоченьмноголинийсвязи, ктомужеправилаобменасигналамипоэтимлиния(илипротоколыобмена) чрезвычайно разнообразны.

Рис. 1.12. Шинная организация связей.

Пришиннойорганизациисвязей(рис. 1.12) всесигналы междуустройствами передаютсяпооднимитемжелиниям(проводам), новразныемоменты времени(этоназываетсявременным мультиплексированием). В результате количество линий связи резко сокращается, аправила обмена сигналами существенноупрощаются. Группалиний(сигналов), используемаянесколькими устройствами, какразиназываетсяшиной. Понятно, чтообъединениевыходов вэтомслучаесовершеннонеобходимо, ведькаждое устройство должно иметь возможность выдаватьсвойсигналнаобщуюлинию. Кнедостаткамшинной организацииотноситсяпреждевсегоневысокая (посравнениюсклассической