Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ст1.doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
10.11.2018
Размер:
835.58 Кб
Скачать

Лекция 1

1.Микросхемотехника, история и этапы развития.

Специалист в области цифровой схемотехники должен обладать обширными знаниями в способах математического описания функционирования цифровых схем на логическом и электрическом уровнях. Знать современную компонентную базу цифровой схемотехники и предпочтительные области ее применения, свободно ориентироваться в промышленных сериях интегральных микросхем и перспективах их дальнейшего совершенствования, овладеть методами построения структур цифровых устройств и систем, включая средства микропроцессорной техники.

В микросхемотехнике (или интегральной схемотехнике), характерно использование схемных решений, обеспечивающих наличие характеристики в интегральном исполнении.

Интегральные микросхемы являются достаточно сложными электронными устройствами, поэтому используются два уровня их схемотехнического представления . Первый – это электрическая схема , представляющая собой соединение компонентов: транзисторов, диодов, резисторов и др. Второй, более общий уровень,- это структурная схема , представляющая собой соединение отдельных логических элементов и триггеров (для цифровых микросхем) или аналоговых каскадов ( для аналоговых микросхем).

По способу хранения информации ОЗУ делят на статические и динамические. ЗЭ статических ЗУ представляют собой бистабильные элементы и обеспечивают считывание информации без ее разрушения. В динамических ЗУ для хранения информации используются информационные свойства реактивных элементов(конденсаторов), что требует периодического восстановления (регенерации) состояния ЗЭ памяти в процессе хранения информации.

По технологическому исполнению полупроводниковые ЗУ имеют следующие структуры: биполярные и МДП, использующие схемотехнику ТТЛ, ЭСЛ, И2Л, КМДП.

Классификация ЗУ показана на рис.1

Рис.1- Классификация внутренних ЗУ

2.Этапы проектирования интегральных микросхем.

Исходное техническое задание на проектирование микросхемы содержит описание функций, которые она должна выполнять в аппаратуре, и требование к ее основным параметрам (мощность, быстродействие и др.).

При схемотехническом проектировании микросхемы производиться выбор элементной базы из числа уже разработанных вариантов схем логических элементов или аналоговых каскадов.

Стадия структурного проектирования микросхем состоит из структурного синтеза, в ходе которого создается структурная схема, которая обеспечивает выполнение функций, определенных техническим заданием, и структурного анализа. В процессе которого, проверяется правильность функционирования синтезированной структуры при различных рабочих условиях и производиться приближенная сравнительная оценка ее основных параметров. Обычно при проектировании микросхем создается несколько структурных вариантов, и производиться выбор одного или несколько наилучших вариантов. Если же полученные варианты не удовлетворяют требованиям технического задания, то выполняется синтез новых структурных вариантов. Для выбранных структурных вариантов производиться схемное проектирование, в результате которого получается эл-я схема ИС. Эта стадия проектирования состоит из этапов схемного синтеза, в ходе которого получается эл-я схема, соответствующая выбранному варианту структуры, и электрического анализа полученной схемы, в результате которого определяются ее основные электрические параметры. При анализе обычно выполняется так же параметрическая оптимизация схемы, т.е. определение значений параметров компонентов, при которых обеспечиваются наилучшие эл-е параметры микросхемы.

Последующая стадия конструкторско-технологического проектирования включает этапы выбора или разработки технологического процесса для изготовления микросхемы. После конструкторско – технологического проектирования микросхемы требуется произвести расчет параметра ее компонентов и с учетом полученных данных повторить эл-й анализ схемы с целью уточнения ее характеристик. Последовательность этапов проектирования микросхем приведем на рис.1.1.

Рис.1.1 Алгоритм проектирования микросхем.

5-7.Классификация и основные параметры цифровых микросхем.

Сложность цифровой микросхемы характеризуется степенью функциональной интеграции

где Nэл – число элементов И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, расположенных на кристалле микросхемы. Для современных цифровых микросхем Кф=1-4. В последние годы появились микросхемы, имеющие Кф>4 и выполняющие функции целых цифровых систем (СБИС).

Микросхемы со статическим хранением информации, называются статическими, а с динамическим хранением – динамическими.

По способу представления двоичной информации цифровые микросхемы (ЦМ) делятся на потенциальные и импульсные. В потенциальных ЦМ значение 0 и 1 представляется двумя уровнями электрического потенциала: высоким и низким. Низкий потенциал принимают за 0 и обозначают U0, а высокий потенциал за 1 и обозначают U1. Такое представление называется положительной логикой. При использовании отрицательной логики за 0 принимают высокий потенциал, за 1 – низкий. Переход от положительной логики к отрицательной соответствует замене операции И на операцию ИЛИ и наоборот:

В импульсных цифровых схемах одно из значений логического сигнала («0» или «1») определяется наличием на выходе схемы импульсов определенной длительности и амплитуды, а другое значение – отсутствие импульсов, т.е. сохранение какого – либо постоянного потенциала. При потенциальной логике отсутствие импульсов соответствует 0, наличие – 1.

Большинство типов современных цифровых микросхем относятся к класу потенциальных. Для них используется система параметров:

  • потенциалы соотве-не 0 и 1 – U0, U1;

  • порог переключения - Vп;

  • число входов – М ;

  • входные токи – I0вх при Uвх =U0 и I1вх при Uвх=U1 ;

  • коэффициент разветвления по выходу N (нагрузочная способность);

  • помехоустойчивость по отношению к помехам положительной полярности U+n и отрицательной полярности U-n ;

  • мощность Р или ток In потребляемые от источника питания в состоянии 0 или 1  Р0пот, Р1пот;

  • средняя мощность потребления ;

  • входное и выходное сопротивление и ,

  • времена задержек переключения , из состояния 0 на выходе в состояние 1 и из состояния 1 в состояние 0.

Параметры цифровых микросхем определяются по их статическим и переходным характеристикам. Основной статической характеристикой схем является передаточная характеристика - зависимость потенциала на выходе от потенциала на одном из входов при постоянных значениях потенциала (U0 или U1) по остальных входах. По типу передаточной характеристики цифровые схемы делятся на инвертирующие, на выходе которых образуется инверсия входных логических сигналов (элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) и не инвертирующие, на выходе которых образуется логический сигнал(элементы И, ИЛИ и др.). Передаточные характеристики инвертирующего и не инвертирующего логического элемента (ЛЭ) показаны на рис. 1,2 а, б:

а) б)

Рисунок 1.2- Передаточная характеристики инвертирующей а) и не инвертирующей б) логических схем.

Передаточная характеристика имеет три явно выраженных участка: I – состояние II – состояние III- промежуточному состоянию. Значения потенциала , соответствующие границам участков, называется порогами переключения и , область между порогами – зоной неопределенности. При поступлении положительной потенциальной помехи величиной и отрицательной помехи происходит переключение, не предусмотренное нормальным логическим функционированием. В схеме происходит сбой, т.е. ложное изменение информации на выходе 0 вместо 1 или наоборот.

Максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая сбой в цифровой схеме, называется помехоустойчивостью и определяется выражениями:

где - логический период;

- ширина зоны неопределенности.

Для повышения помехоустойчивости надо увеличить и уменьшить . Поэтому в цифровых схемах обеспечивают .

Максимальная величина логического периода ограничивается направлением питания , в следствии чего .

Для получения высокого значения необходимо чтобы .

Эффективным средством повышения помехоустойчивости схем является получение гистерезиса на их передаточной характеристике.

Входные характеристики ЛЭ . служат для определения значений входных токов: при , при .

Выходные характеристики ЛС (рис.1.3) и . Выходные токи зависят от числа нагрузок n:

(1.2)

Наклон выходных характеристик определяет выходные сопротивления схемы , , которые обычно не линейны.

Рисунок 1.3 – Выходные характеристики логической схемы.

Если нагрузкой служат идентичные логические схемы, имеющие входные токи , , то отношение , определяют максимальное число схем нагрузок.

Для большинства цифровых схем достаточно иметь элементы с числом входов М=3-4. Увеличение числа входов обычно ухудшает другие параметры элементов, например снижает быстродействие. Для случаев, когда требуется схемы с повышенным числом входов, в некоторые серии микросхем вводятся специальные элементы-расширители числа входов.

Мощность Р и ток IH потребляемые схемой от источника питания, зависят от ее логического состояния . Схема потребляет ток при и ток при .

Средняя мощность потребляемая в статическом режиме, определяется выражением:

При переключении цифровых схем (динамический режим) они потребляют дополнительную динамическую мощность , величина которой пропорциональна частоте переключения . В результате средняя мощность, потребляемая схемой в режиме переключения, оказывается больше, чем мощность Р в статическом режиме. Для таких схем приводят значение при рабочей частоте, близкой к максимальной .

Задержки , характеризирующие быстродействие цифровых схем, определяется с помощью переходных характеристик (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 – Переходные характеристики цифровых схем.

Задержка происходит из-за наличия паразитных емкостей (Сн) меж соединений на выходе схемы.

Задержка определяется как промежутки времени между моментами достижения входным и выходным потенциалами порога переключения . Значения существенно зависят от числа нагрузок n и емкости Сн.

Важным параметром является средняя задержка (1.4).

Которая , определяет среднее время выполнения логической операции.

Технические реализации цифровых схем, в которых сигналы представлены дискретно квантованными уровнями напряжения (тока), основаны на использовании электронных коммутаторов напряжения (тока), называемых электронными ключами. В качестве электронных ключей используют полупроводниковые диоды, транзисторы, фоторезисторы, тиристоры, оптроны, электронные лампы.

8.Диодные электронные ключи. В диодных ключах используется зависимость сопротивления диода от величины и знака приложенного напряжения (рис. 1.5).

Рис. 1.5

Недостатком такого ключа является прямая зависимость уровня «1» от входного сигнала .

Второй вариант диодного ключа (рис.1.6).

Рис.1.6

При низком уровне входного сигнала диод VD открыт, через диод протекает ток источника питания , ограничиваемый сопротивлением R. Если то практически все напряжение питания падает на сопротивление R, поэтому на сопротивлении нагрузки ключа устанавливается низкий потенциал .

.

Если то

При высоком уровне входного сигнала, если выполняется условие , диод VD заперт, входная цепь отключена от нагрузки и на выходе устанавливается высокий уровень напряжения ; при поэтому и практически не зависит от входного сигнала.

9.Пример диодных ключей и таблица истинности (дизьюнктор). (рис.1.7).

X1

X2

Y

0

0

0

1

0

1

0

1

1

1

1

1

X1

X2

Y

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

(ИЛИ)- изьюнктор

Только в случае, когда на обоих входах низкие уровни диоды заперты, на входе устанавливается низкий уровень. При высоком уровне на входе на выходе высокий.

(И)-коньюнктор.

Если ходя бы один из диодов открыт низким уровнем входы сигнала, выход схемы подключается к входу с наиболее низким потенциалом. И только тогда когда все диоды заперты высокими уровнями на входах, на выходах устанавливается высокий потенциал.

Рисунок 1.9 – Двух ступенчатые комбинационные логические элементы (реализуют функцию ).

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.