- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
Микропроцессор является универсальным средством обработки информации и цифрового управления. На его основе можно реализовать практически сколь угодно сложную логическую схему. Однако быстродействие такой схемы будет невысоким из-за процедур чтения программы, пересылки результатов в память данных. Гораздо бóльшим быстродействием обладала бы специальная комбинационная схема. Однако разработка специализированных комбинационных схем с небольшим выпуском будет экономически неприемлемой. Оптимальным решением стала разработка универсальных микросхем высокой степени интеграции, содержащих наборы логических элементов, позволяющих при их определенной комбинации реализовать требуемую логическую функцию. Возможный спектр таких функций, потенциально заложенных в микросхему, достаточно широк. Требуемая коммутация осуществляется операцией программирования, которая по аналогии с ПЗУ достигается прожигом перемычек. Такие устройства получили название программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
По структурной организации ПЛИС можно разделить на следующие виды:
1. ПЛМ (PLA) – программируемые логические матрицы; содержат программируемые матрицы И и ИЛИ.
2. ПЛМ (PAL) – программируемая матричная логика; в состав входят программируемая матрица И и фиксированная матрица ИЛИ.
3. БМК (ВМ) (GA) – базовые матричные кристаллы или вентильные матрицы; составлены из набора несоединенных логических элементов.
4. ПВМ (FPGA) – программируемые вентильные матрицы; содержат логические блоки и программируемые матрицы соединений.
5. ПКМБ (CPLD) – программируемые коммутируемые матричные блоки. В состав входят несколько блоков ПМЛ, объединенных коммутирующей матрицей.
6. ПЛИС программируемой логики смешанной архитектуры и типа «Система на кристалле».
В основу организации ПЛМ и ПМЛ положена возможность реализации логического устройства описываемого системой логических функций. Известно, что число комбинаций n-аргументов равно N = 2n, а число функций M = 2N.
Алгебраическое выражение функции, отыскиваемое по условиям её истинности (F = 1), записывается в виде дизъюнкции элементарных конъюнкций, соответствующих каждой единице функции.
Для того чтобы реализовать такую систему, необходимо два блока: в одном формируются конъюнкции аргументов, а в другом их дизъюнкции. Базовая структура программируемой логической матрицы приведена на рис. 8.7.
t1
F1
x1
Бвх
Бвых
М1
М2
FM
x2
x1
x2
xn
Рис. 8.7. Базовая структура ПМЛ
Аргументы (x) через входной блок (Бвх), который состоит из буферных каскадов, с помощью которых формируются парафазные сигналы, поступают на входы элементов И (матрица М1), и в матрице М1 образуется L-термов. (Под термом понимаются конъюнкции, связывающие входные переменные и их инверсии). Число формируемых термов равно числу выходов матрицы И. Термы подаются на входы матрицы ИЛИ, вырабатывающей выходные функции, которые через блок выходных буферов поступают на выход. Выходные буфера обеспечивают необходимую нагрузочную способность, возможность инверсии и т. д. Основными параметрами ПЛМ (ПМЛ) являются: число входов n, число выходов M и число термов t. На рис. 8.8 приведен фрагмент принципиальной схемы ПЛМ, на которой условно показаны соединения строк и столбцов в матрицах И и ИЛИ.
Рис. 8.8. Фрагмент принципиальной схемы ПЛМ
На выходах F будут суммы произведений имеющихся на линиях конъюнкций. При программировании пережигаются соотвествующие перемычки и получают необходимые логические функции. На практике используют упрощенное изображение ПЛИС, в котором многовходовые элементы И и ИЛИ условно изображаются одновходовыми. Реальное число входов такого элемента равно числу пересечений его единственной линии входа с линиями входных переменных. Фрагмент такой схемы ПЛМ приведен на рис. 8.9.
Рис. 8.9. Упрощенное изображение фрагмента ПЛМ
Программируемая матричная логика (ПМЛ) имеет такую же структуру; отличие от ПЛМ состоит в том, что в ПЛМ осуществляется программирование обеих матриц (И, ИЛИ), а в ПМЛ программируется только матрица И, матрица ИЛИ фиксирована. Это снижает функциональную возможность ПМЛ, часто требует предварительной минимизации реализуемой логической функции. Достоинством является упрощение программирования, уменьшение времени распространения сигнала.
Большую степень интеграции и функциональных возможностей имеют базовые матричные кристаллы (БМК). На их основе создают полузаказные большие интегральные схемы (СБИС).
В центральной части БМК размещается матрица логических элементов – базовые ячейки (БЯ) и каналы для трассировки (см. рис. 8.10.) Базовые ячейки не обязательно должны быть строго однородные. По периферии кристалла расположены вспомогательные элементы, из которых могут быть созданы входные и выходные каскады, обеспечивающие согласование входных и выходных характеристик БИС с другими микросхемами.В зависимости от конфигурации базовых ячеек БМК подразделяют на цифровые, аналоговые и цифро-аналоговые.
Рис. 8.10. Структура внутренней области БМК:
1 – каналы для трассировки
Программируемые вентильные матрицы (ПВМ, FPGA) являются продолжением БМК. В их внутренней области размещаются идентичные конфигурируемые логические блоки (КЛБ) и трассировочные каналы. КЛБ могут состоять:
1) из транзисторных пар, простых логических вентилей (И-НЕ, ИЛИ-НЕ);
2) логических модулей на основе мультиплексоров;
3) логических модулей на основе программируемых ПЗУ.
В ПВМ в качестве межсоединений используются:
перемычки;
МНОП-, ЛИЗМОП-транзисторы;
ключевые транзисторы, управляемые триггером памяти конфигурации.
В первом случае возможно лишь однократное программирование. Во втором и третьем имеется возможность перепрограммирования.
ПВМ относятся к полностью готовым интегральным схемам, которые программируются пользователем.
Дальнейшим развитием ПЛИС явились системы комбинированной архитектуры, объединяющие возможности рассмотренных ранее. Такие СБИС, кроме различных логических блоков, элементов ввода – вывода, содержат встроенные блоки памяти.
Рост уровня интеграции дал возможность разместить на кристалле схемы, сложность которых соответствует целым системам, – отсюда название «Система на кристалле».