4.2. Переходные процессы в логических схемах

Наличие t при прохождении сигнала через логический элемент иногда приводит к появлению нежелательных явлений в выходном сигнале не соответствующих реализуемой логической формуле. Это явление носит название «эффекта гонок».

Это явление иллюстрируется следующим примером:

Допустим нам необходимо реализовать следующую логическую функцию (дешифратор 111):

Y= X1*X2*X3, (21)

но в нашем распоряжении имеются только логические элементы И-НЕ, имеющие два входа. Поэтому для реализации необходимой функции, ее необходимо преобразовать к следующему виду:

Y= , (22)

Схема электрическая принципиальная этого устройства приведена на рис.4.3.

Рис.4.3. Схема электрическая принципиальная дешифратора 111.

Рассмотрим работу этого устройства при подаче на его входы периодических последовательностей, как изображено на рис.4.4.

Рис.4.4. Временные диаграммы сигналов дешифратора 111.

Как видно из временных диаграмм, сигнал на выходе Y1 (рис. 4.3) задержан, т. к. проходит последовательно через два логических элемента. Это в свою очередь приводит к появлению непредусмотренного логической формулой короткого сигнала ( * * ) . Эффект гонок приводит к возникновению сбоев и нарушению алгоритма работы цифровых автоматов. Для устранения этого явления используют несколько способов:

1. добавление в логическую функцию дополнительных операций, например, для рассматриваемого случая, если функцию представить в виде:

Y= * , (23)

нежелательный эффект исчезнет,

2. использование стробирующих сигналов, когда считывание состояния автомата происходит после окончания переходных процессов.

4.3. Описание основных схемотехнических решений базовых логических элементов.

Большая часть логических устройств реализована путем того или иного соединения базовых логических элементов, поэтому их параметры существенно зависят от выбранного схемотехнического типа базовых логических элементов. Физическая реализация даже самого простого цифрового логического элемента представляет собой схему, содержащую несколько десятков элементов, таких как резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы. Первоначально их соединение реализовывалось посредством печатного монтажа, что обуславливало большие габариты, низкое быстродействие, невысокую надежность. Бурное развитие микроэлектронной технологии обусловило создание полупроводниковых интегральных микросхем, которые под час реализуют весьма сложные логические функции. На современном этапе существуют микросхемы низкой степени интеграции, в которых число дискретных элементов не превышает 100 (ИС), микросхемы средней степени интеграции (СИС), содержащие до 1000 дискретных элементов большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные микросхемы, у которых число элементов достигает от 1000 до нескольких миллионов. При проектировании таких устройств существенное значение имеет однородность построения схемных решений, т. е. минимальное число типов, используемых элементов, построение логических структур на базовых логических элементах. Обновление технических решений и конструктивно-технологических методов построения микросхем происходит исключительно высокими темпами. Средний срок жизни микросхем не превышает

5-7 лет.

К настоящему времени разработано много способов схемной реализации базовых логических элементов:

- резисторно-транзисторная логика РТЛ, отличается невысоким быстродействием, требует большой площади на подложке и в настоящее время применяется очень редко;

- диодно-транзисторная логика ДТЛ, имеет среднее быстродействие, ранее выпускался широкий набор микросхем низкой степени интеграции с использованием этих элементов. Для них t составляло 20…100 нс. В настоящее время применение ограничено вследствие появления устройств с более высоким быстродействием и низкой потребляемой мощностью;

- транзисторно-транзисторная логика ТТЛ является дальнейшим развитием ДТЛ, имеет среднее быстродействие и более низкую потребляемую мощность, по-сравнению с ДТЛ. ТТЛ более технологична при изготовлении микросхем с большой степенью интеграции изготовлении. Относится к наиболее разработанным типам. Включает в свой состав большое количество типов элементов;

- транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки (ТТЛШ) разработана на основе ТТЛ с целью дальнейшего повышения быстродействия и снижения потребляемой мощности;

- эмиттерно-связанная логика имеет высокое быстродействие при высокой потребляемой мощности. Используется в основном в синтезаторах частоты при построении делителей частоты;

- логические элементы на МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторах характеризуются невысоким быстродействием и высокой технологичностью изготовления. Для повышения быстродействия были разработаны логические устройства на МДП транзисторах с разной проводимостью КМОП (комплементарные металл – оксид - полупроводник) логика. Этот вид устройств на сегодняшний день является самым технологичным и наиболее распространен в цифровой технике при построении СБИС;

- интегрально-инжекционная логика И Л имеет высокое быстродействие и весьма высокую технологичность изготовления, но невысокую помехоустойчивость. Применяется исключительно в составе БИС и СБИС.

Рассмотрим реализацию базового логического элемента И-НЕ на микросхемах разных типов.