2.2. Фізична суть цифрової інформації та елементи її реалізації

Розглянемо схему, яка дозволить нам фізично зрозуміти отримання логічних 1 або 0 в цифровій електроніці. Схема будується з послідовно з’єднаних опорів R1 i R2, які підключені до джерела постійного струму напругою U (рис. 2.1).

Нас буде цікавити напруга Uвих в місці з’єднань обох резисторів по відношенню до землі. В відповідності з законом Ома струм І, який протікає по такому ланцюгу дорівнює :

I = U/ (R1 + R2) (1)

або можна записати це співвідношення і так:

U = I*R1 + I*R2. (2)

При цьому напруга Uвих відповідає падінню напруги на опорі R2, тобто

Uвих = I*R2. (3)

Рис.2.1 Рис. 2.2 Рис. 2.3

Якщо ми будемо змінювати значення опорів, то при постійному значенні U буде змінюватись струм І за формулою (1) і відповідно падіння напруги на кожному з опорів в відповіністю з формулою (2). Наприклад, розглянемо випадок, коли R1 = 99R2 і піставимо ці значення в (1),і вирахуємо значення

стуму : I = U/ ( R1 + R2) = U/(99R2 + R2) = U/(100R2). (4)

Відповідно вихідна напруга, яка нас цікавить, за формулою (3) дорівнює:

Uвих = I*R2 = (U/100R2)*R2 = 0,01U. (5)

Якщо припустити, що R2 = 99R1 і провести аналогічні розрахунки, то падіння напруги на опорі R2, яке дорівнює Uвих, досягне 0, 99 U, тобто

Uвих = 0,99 U . (6)

Співвідношення (5) і (6) використовуються в основі цифрової електроніки, де суттєвим є той факт, що вихідна напруга Uвих може досягнути практично значення напруги U живлення в одному випадку, або мати значення близьке до потенціалу землі - в іншому. В першому випадку кажуть, що на виході високий рівень, в другому, що він низький (стан низького рівня). Інші назви цих двох станів: 1/0, вкл/викл, так/ні.

Для фізичного втілення співвідношень (5) і (6) в реальних елементах, або кажуть в елементній базі, замість опорів можуть використовуватись, наприклад, польові транзистори, які мають структуру метал-окисел-напівпровідник (МОП-транзистори) і які змінюють свій опір в залежності від величини прикладеного до їхнього затвору електричного поля.

Принцип дії МОП-транзистора, не вдаючись в тонкощі фізики твердого тіла, в тому, що якщо в кришталеву решітку чистої пластинки кремнію ввести атоми домішок, то вони утворюють енергетичні зони. Підведеною до пластинки

напругою можна змінювати ці зони, що в свою чергу сильно впливає на опір кристалічної решітки електричному струму, який протікає через неї.

Фізичну структуру польового транзистора (ПТ) приведено на рис.2.2 , а його зображення на схемах приведено на рис.2.3. При виготовленні транзистора в кремнієву пластинку (її називають підложкою і вона може бути з носіями, наприклад, типу n – , тобто, з надлишоком електронів) методом дифузіїї вводять дві, обіднені на електрони зони, з так-званими “р-носіями” (вводять елементи ІІІ-тьої групи таблиці елементів Менделеєва (Ga, In). Нанесені зони з’єднуються захисним шаром окислу кремнію (оксид кремнію), який в свою чергу металізують (тобто, накривають чистим металом). Вивід, з’єднаний з металом називають “затвор”, а виводи, які підключені до зон з р-носіями, називають “сток” і “істок”. Стоком рахується той електрод транзистора з якого витікають неосновні відносно підложки носії який має більш високий потенціал.

Суть роботи зображеного нами польового транзистора (ПТ) полягає в тому,

що потенціал на затворі керує величиною струму між стоком і істоком або кажуть каналом. ПТ, зображений нами на рис.2.3, є транзистором з так званим вбудованим обідненим р - каналом та ізольованим затвором , тобто, затвор відокремлений від каналу тонким шаром окису кремнію. Так як ізолюючий шар роблять дуже тонким, то він дозволяє проникнення електричного поля затвору в канал і впливає таким чином на стум каналу. В той же час такий канал можна розглядати як змінний опір, величина якого залежить від потенціалу на затворі.

Рис. 2.4 Рис.2.5 Рис.2.6

При позитивному потенціалі на затворі, опір між стоком і істоком цього ПТ

дуже великий (сягає сотні Мом), або кажуть транзистор закритий. При

потенціалі на затворі близьким до нуля, опір транзистора теж дорівнює практично нулю, тобто, транзистор повністю відкривається. Останнє широко і використовується при розробці цифрових схем. В нашому випадку пару опорів R1 і R2 замінюють на два ПТ, причому на так звану комплементарну пару (або кажуть КМОП структуру). Комплементарна пара використовує транзистори з каналами різної ( n- та p) провідності. В таких структурах один із транзисторів виконується безпосередньо на підложці (таким чином, як ми уже розглянули), а другий - в області, яку теж наносять методом дифузії , але з протилежним підложці типом провідності ( в нашому випадку це буде зона з р - провідністю). Для цього в окислі кремнію витравлюють спеціальне вікно, через яке проводиться дифузія акцепторів (елементи 5-тої групи таблиці Менделеєва Р, Sb) для утворення області р - типу, яка слугує підложкою для n-канального МОП–транзистора. Стоком n-канального МОП–транзистора рахується електрод, який має навиаки більш низький потенціал.

Таким чином, опір R1 замінюють на транзитор ПТ1 з вбудованим р-каналом (обідненого типу) і який закривається при позитивній напрузі на затворі, а другий опір R2 – на ПТ2 з вбудованим n-каналом (обідненого основним носієм) і який навпаки відкривається в цьому випадку (див. рис.2.4 без нижнього польового транзистора з сигналом на затворі Х2). Стрілочками: → - для верхнього ПТ1 з вбудованим р-каналом ПТ1 та ←з вбудованим n –каналом показані так звані підложки транзисторів, яка з’єднуються з істоками відповідних транзисторів. Таким чином отримують логічний елемент називається НЕ (інвертор), який реалізує логічну функцію інверсії і зображений на рис.2.5. Сигнал на виході У інвертований тому, що при високому потенціалі на вході Х (логічна 1), верхній ПТ1 – закривається, а нижній ПТ2 навпаки- відкривається і практично з’єднує вихід з потенціалом землі (логічний 0). В протилежному випадку, якщо на вхід Х такої схеми буде подано сигнал близьким до 0, закриється ПТ2 і відкриється транзистор ПТ1 (верхній на рис. 2.4). Сигнал, близький напрузі живлення (який є логічною 1) через відкритий ПТ1 надходить на вихід логічної схеми.

Що суттєво, в таких структурах потужність споживається тільки в процесі переключення. В стійкому стані один із транзисторів завжди закритий, а інший – відкритий, в наслідок чого струм через послідовно з’єднані транзистори дорівнює практично нулю.

Розширимо область використання КМОП - транзисторів і послідовно з транзистором ПТ2 (середнім на рис 2.4) використаємо ще один ПТ3 (нижній на рис.2.4), аналогічний середньому ПТ2. Так як інверсія зберігається, то вихідна напруга буде низькою тільки тоді, коли будуть високими потенціали на затворах Х1 та обох транзисторів ПТ2 і ПТ3. Тобто, така схема вирішує логічний вираз: Uвих = НЕ ( U1 U2 ), який називається заперечення кон’юнкції, або NAND ( NOT – AND чи 2И - НЕ) і реалізується відповідними логічними елементами, що приведні на рис. 2.7.

На такому принципі будуються і інші логічні елементи, наприклад, ИЛИ-

НЕ (коли транзистори ПТ2 та ПТ3 з’єднують не послідовно, а паралельно, при

цьому логічний 0 на виході буде завжди, якщо логічна 1 або високий потенціал буде на вході А або В, або на обох входах одночасно). Логічний елемент 2ИЛИ-НЕ зображений на рис.2.6.

Рис.2.7 Рис.2.8 Рис.2.9,а Рис.2.9,б

Розглянутий логічний елемент 2И – НЕ є базовим при побудові більш складних електронних схем. Наприклад, якщо використати два елементи 2И-НЕ, то можна побудувати асинхронний RS-тригер – статичний елемент пам’яті, який і є в свою чергу базовим пристроєм для зберігання біту інформації. Для побудови тригера з’єднують вихід одного елемента 2И-НЕ із входом другого, а вихід другого – із входом першого, чим утворюють позитивний зворотній зв’язок (рис.2.7)Якщо використати 4 елементи 2И-НЕ, то можна побудувати синхронний (тактований) RS-тригер (рис.2.8) та D-тригер (рис.2.9 а та б), який є основою побудових схем лічильників (рис.2.10) та регістрів (рис.2.11) будь-якого мікропроцесора.Як правило декілька логічних елементів розмішують в одному корпусі і вони утворюють мікросхему. Достатньо мати, наприклад, однотипні елементи 2И-НЕ (або 2ИЛИ-НЕ), щоб на них побудувати все розноманіття цифрових схем. Але такий підхід вимагає великого числа корпусів цифрових мікросхем для реалізації цифрових блоків МП та ЕОМ. Тому використовують серії мікросхем, до складу яких входять логічні елементи , які реалізують і інші логічні функції.

Рис.2.10 Рис.2.11

Суттєвим є також те, що кожен із двох розглянутих логічних елементів може працювати у двох режимах. Наприклад, Якщо за логічну “1” прийнятий високий рівень сигналу, то має місце “позитивна” логіка, наприклад, логіка роботи елементу ИЛИ-НЕ. Якщо за логічну “1” прийнятий низький рівень сигналу, то має місце “від”ємна” логіка - по аналогії роботи логічного елементу И-НЕ. Як правило, паспортне позначення відповідає функції, яка реалізується в

режимі позитивної логіки.

Існують цифрові ключі з трьома стійкими станами (тристабільні). Вихідний сигнал такої мікросхеми (логічного елементу) переводиться в третій стан (“розімкнуто”), якщо на спеціальний вхід керування мікросхеми подана команда на розімкнення.

Важливою інформацією, яка широко використовується в мікропроцесорних системах і пристроях, є також моменти переходу біту в статичних тригерах із стану виключено до стану включено і навпаки. В першому випадку визначають і використовують передній фронт стану тригера (працюють за переднім фронтом), в іншому – працюють по задньому фронту.