Физические основы микроэлектроники (ФОМ)
.pdf
91
Демультиплексор
S0 |
S0 S1 S1 |
|
& |
|
Y0 |
|
& |
|
Y1 |
|
& |
|
Y2 |
|
& |
|
Y3 |
S0 |
|
S1 |
|
DI |
|
Выполняет коммутацию одного входа DI на несколько выходов. Управление выполняется комбинацией сигналов S0 и S1.
|
DI |
DMS |
DO |
|
|
|
|||
|
S0 |
|
Y0 |
|
|
|
|
||
|
|
Y0 |
|
|
|
|
|
||
|
S1 |
|
|
|
|
|
Y0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мультиплексор – Демультиплексор
|
|
|
|
Работает |
|
|
|
DMS |
DI/O |
||
|
|
как MS |
|||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S 0 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S 1 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S2 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EI |
|
7 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
DO/I |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Работает |
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
как DMS |
|
92
|
|
|
|
|
Комбинатор (Шифратор) |
|
||
Комбинатор – устройство, преобразующее число в код. |
|
|||||||
0 |
1 2 3 4 5 6 7 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
CD |
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
4 |
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
6 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
Декомбинатор (Дешифратор) |
|
|||
|
|
& |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
DC |
1 |
|
|
|
& |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
2 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
& |
|
|
4 |
|
. |
|
|
|
|
3 |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
8 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
& |
|
|
|
|
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Преобразователь кода |
|
||
|
1 |
|
|
|
|
a |
|
|
|
X/Y |
a |
|
g |
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
b |
|
|
|
||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
4 |
|
d |
|
|
|
d |
|
|
|
e |
|
f |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
8 |
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
g |
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
93
Сумматор
Сумматор - АЛУ, выполняющее функцию арифметического сложения. Простейший сумматор (полусумматор) выполняет сложение по модулю 2. Полусумматор формирует сумму двух чисел (А и В) и единицу переноса, которая подается в более старший разряд Сi. Следовательно, полный сумматор содержит вход для получения единицы переноса с младшего разряда, то есть происходит суммирование А и В с учетом Сi . Полный реализуется на двух сумматорах.
|
|
Сложение по |
А |
B |
S |
C i |
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
||
|
|
модулю 2 |
|
|||||
|
A |
m 2 |
S |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
S = AB + AB |
B |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
||
|
|
|
||||||
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|
||
|
|
|
|
|
||||
|
Полусумматор |
|
|
|
Ci = A B |
|
||
A |
|
& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
& |
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
& |
|
|
|
|
SM |
|
|
|
|
|
|
|
A |
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
B |
|
|
|
|
|
|
B |
Ci+1 |
|
|
& |
|
& |
Ci + 1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полный сумматор |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SM |
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
SM |
|
S ' |
|
|
|
|
|
A |
S |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
A |
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
Ci+1 |
|
|
|
|
|
||||
B |
|
Cn+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C i |
A |
|
B |
S i |
C i+1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
||
|
|
|
|
SM |
|
|
|
|
|
|
S |
|
0 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
||||
|
|
|
A |
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
1 |
0 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|||||
C i |
|
|
|
|
Cn+1 |
S ' C |
|
1 |
|
i+1 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
B |
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
||
94
Параллельный сумматор
B3 |
|
A3 |
|
B2 |
|
A2 |
|
B1 |
|
A1 |
|
B0 |
|
A0 |
|
|
|
|
|
|
|
C4 |
|
|
SM |
|
C3 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S3 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
S M |
|
|
|
|||
|
|
|
A 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
A1 |
|
|
|
S 0 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
A 2 |
|
|
|
S1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
A 3 |
|
|
|
S 2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
B |
0 |
|
|
|
S3 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B1 |
|
|
|
C i+ 1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
B2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
B 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
С i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
SM |
|
C2 |
SM |
|
C1 |
SM |
|
C0 |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S2 |
|
|
S1 |
|
|
S0 |
||||||
|
|
|
|||||||||||
Параллельный сумматор обладает высоким быстродействием. Тактовые импульсы отсутствуют. При подаче данных на вход, на выходе с небольшой задержкой возникает сумма.
При суммировании большого количества разрядов целесообразно использовать последовательный сумматор.
Последовательный сумматор
В таком устройстве происходит поразрядное суммирование от младшего к старшему разряду по переднему фронту синхроимпульса С. Ввод чисел А и В осуществляется в приёмные регистры сдвига (А, В) либо последовательно, либо параллельно.
Для каждого разряда сумма двух чисел записывается в регистр суммы, а единица переноса – в D – триггер, единица поступает на вход С i при суммировании каждого последующего разряда двух чисел происходит суммирование чисел А и В и единицы переноса от суммирования предыдущих разрядов. Для выполнения полного суммирования требуется m – тактовых импульсов синхронизации (m – число разрядов). Достоинство последовательного сумматора заключается в том, что его просто реализовать, он имеет мало входов, однако его быстродействие низко по сравнению с параллельным.
|
A |
|
|
|
|
|
A |
Регистр А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
||
|
|
|
SM |
|
||
|
|
A |
|
S |
||
|
|
B |
S |
Регистр S |
||
|
|
C |
D |
T |
||
B |
|
C i |
||||
Регистр В |
i + 1 |
|||||
|
Q |
|||||
|
|
|
|
|
||
|
B |
|
|
C |
|
|
C |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
95
Цифровой компаратор
Сравнивает два числа (А и В) представленных в двоичном коде.
А |
0 |
= = |
|
|
А |
1 |
|
|
|
А2 |
|
А>B |
|
|
|
||||
А3 |
|
|
|
|
В0 |
|
A=B |
|
|
|
||||
В |
1 |
|
|
|
В |
2 |
|
A<B |
|
В3 |
|
|
||
|
||||
А>B |
|
|
|
|
A=B |
|
|
|
|
A<B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функциональная схема сравнения одного разряда:
А 0110 |
|
& |
А>B |
|
|
|
0010 |
|
& |
1011 |
1 A=B |
|
|
1100 |
|
|
|
& |
|
|
|
A<B |
|
В 0101 |
|
|
0001 |
|
|
|
|
Построение многоразрядных компараторов |
|
||||
A>B |
Аn |
|
|
Аn-1 |
1 |
A>B |
|
|
|
|
|
||
|
& |
|
|
|
DD7 |
|
|
|
|
& |
|
||
|
A |
|
A |
|
||
|
DD2 |
A>B |
DD5 |
|
||
|
|
A>B |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
A=B |
1 |
A=B |
|
|
|
|
|
|||
|
DD1 |
|
DD4 |
|
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
A<B |
|
|
|
& |
|
A<B |
& |
|
|
|
B |
B |
|
|||
A<B |
|
|
DD6 |
|
||
DD3 |
|
|
1 |
A<B |
||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
DD8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Bn |
|
|
Bn-1 |
& |
A=B |
|
|
|
DD9 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Сравниваются вначале более старшие разряды. Если они неравны, то последующие разряды через схемы DD1-DD5 блокируются и в выходных схемах “ИЛИ” DD7-DD9 появляется соответствующий знак неравенства. Если старшие разряды равны, то блокировка снимается, и сравнение будет происходить до того более младшего неравенства, в котором эти неравенства выполняются.
В выходном устройстве DD7-DD9 формируется единица того знака неравенства, более старший разряд, которого больше.
Если А=В, то на выходах DD7, DD8 = 0, а на всех выходах А=В формируются единицы, которые собираются DD9.
96
Электронная память
Запоминающие устройства делят на оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).
ОЗУ (основная память) выполняет запись, хранение и считывание произвольной двоичной информации. Обладает большим быстродействием. При снятии напряжения с микросхемы, информация, записанная в микросхему ОЗУ, теряется.
ПЗУ (микросхема постоянной памяти) осуществляет хранение и выдачу постоянно записанной информации, содержание которой в ходе работы системы не изменяется. Информация представляется в виде двоичных чисел, каждое из которых хранится в отдельной ячейке (ЯП). Микросхема ПЗУ имеет небольшой объём памяти, но однажды записанная в неё информация может храниться в ней достаточно долго. (Информация сохраняется при снятии напряжения питания с микросхемы ПЗУ). Периодически менять информацию позволяют РеПЗУ (репрограммируемые ПЗУ).
Основные параметры:
1.Информационная ёмкость (определяется числом ячеек памяти);
2.Структура МС памяти: поразрядная выборка (выборка одной ЯП), словарная выборка (байтовая) – за один такт считывается 4,8,16 ЯП. Ёмкость 4096 бит = 4 К: 4096 × 1, 1024 × 4, 256 × 16.
3.Быстродействие: время выборки равно разности
( t ВЫДАЧИ ИНФОРМ.- t СИГНАЛ ВЫБОРКИ АДР. ВХОД)
время цикла записи - считывания равно разности
( t СИГНАЛ ВЫБОРКИ ПРИ ЗАПИСИ - t СИГНАЛ ВЫБОРКИ ДЛЯ ЧТЕНИЯ).
4. Потребляемая мощность.
Структура памяти
Запись
А
д
ре А0 са А1
с А2 рт А3
о
к
А4 А5 А6 А7
Адреса столбцов
Накопитель (матрица ЯП размерностью n × m). Каждая ЯП подключена коллектор адресным (АШ) и разрядным (РШ) шинам. Шина – это системная магистраль
Спередачи данных. Выбор необходи-
ч |
мой ЯП представляет собой комби- |
|
и |
нацию A 0..7. |
|
т |
m – разрядность адреса ёмкость |
|
ы |
N = 2 m. Буферы записи и считыва- |
|
в |
ния – регистры. |
|
а |
Статические МС ОЗУ (на ос- |
|
н |
||
нове статической ЯП, которая реа- |
илизована на ТТЛ).е
Динамические МС ОЗУ (на основе динамической ЯП, реализована на МДП - транзистор, как и в электронной памяти паразитную емкость). Достоинство – занимает меньшую площадь на кристалле; недостаток – требование регенерации, так как емкость разряжается.
97
A0 |
RAM |
|
|
|
|
A0 |
RAM |
|
|
|
|
|
A0 |
PROM |
|
|
|||
A |
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
. 1 |
|
|
|
|
. 1 |
|
DIO |
|
|
|
. |
1 |
|
DO |
|
||||
. |
|
|
|
|
. |
|
|
|
0 |
|
. |
|
|
|
0 |
|
|||
. |
|
|
|
|
. |
|
|
DIO |
|
|
|
|
|
|
DO1 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
||||||
A7 |
|
D0 |
|
|
|
A7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DIO |
|
|
|
|
A9 |
|
DO2 |
|
||
DI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
OE |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
CS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
CS |
|
DIO |
|
|
CS1 |
|
DO3 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
WR/ |
|
|
|
|
WR/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
3 |
|
|
CS2 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
RD |
|
|
|
|
|
RD |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Выбор микросхем
Chip select
ПЗУ
Программируемые изготовителем: создается фотошаблон, на который затем напыляют диоды и транзисторы.
U n |
0 |
1 |
|
||
|
1 |
0 |
АШ РШ
Программируемые пользователем: (Используются плавкие перемычки.)
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
98
Репрограммируемые ПЗУ
|
|
|
|
|
|
|
|
SiO2 |
Используется структура Металл – |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
нитрид – окисел – полупроводник (МНОП). |
||||||
|
С |
|
|
|
|
|
Программирование: U ИС ≈ 15..20 В, при ко- |
|||||||
|
|
Металл |
|
|
|
И |
||||||||
|
|
|
|
|
тором происходит пробой стокового p–n |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
перехода. Электрическое поле в p - n пере- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ходе ускоряет дырки, которые через тонкий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
слой диэлектрика (окисел SiO2) попадает на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n + |
|
|
|
|
|
n+ |
|
|||||
|
|
|
|
p |
|
|
|
«плавающий» затвор (М). На нем накапли- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вается положительный заряд, который соз- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дает n – канал. Так как затвор изолирован, |
|
|
|
|
|
подложка |
|||||||||
|
|
|
|
|
то заряд (и канал) существует долго. Сти- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рают ультрафиолетовыми лучами. В окисе- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ле (SiO2) образуются электронно - дыроч- |
ные пары. Электроны попадают на затвор и нейтрализуют заряд. Наличие затвора эквивалентно наличию перемычки.
99
Электронные генераторы
Электронные генераторы служат получения напряжения (тока) заданной формы, частоты, скважности и амплитуды.
Генераторы
Синусоидальных (гармонических) колебаний Импульсные
К 
X
K K X = 1 − XK
Электронные генераторы выполняют на базе усилителя с положительной обратной связью (П.О.С.)
Для самовозбуждения любого генератора необходимо выполнение двух условий: 1. баланс фаз
ϕ y + ϕ x = 2π n, n = 0,1,2...
ϕy − поворотфазысигнала усилителя;
ϕx − поворотфазыцепьюобратнойсвязи.
2. баланс амплитуд X K ≥ 1
Баланс фаз физически отражает П.О.С.
Баланс амплитуд показывает, что сигналы на входе и выходе усилителя соответствуют установившимся значениям.
XK > 1 |
|
Возбуждениегенратора |
XK = 1 |
100
Генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний
Для того, чтобы на выходе был сигнал определённой частоты ƒ0 , нужно сделать П.О.С. частотно – зависимой (избирательные RC – LС – цепи).
LC – высококачественные (ƒ0 >100 кГц), RC – низкокачественные (до единиц Гц).
LC – генераторы
Все LC – генераторы реализуются на резонансных усилителях, в которых выполняются условия баланса фаз и баланса амплитуд. В качестве избирательной цепи используется параллельный LC – контур.
Избирательный усилитель (LК CК - контур) пропускает только частоту
f0 = |
1 |
|
К |
|
К |
|
LKCK |
|
|
|
|||
2π |
|
|
|
|
||
Усилитель повора- |
|
|
|
|
|
|
чивает фазу на 180° |
|
|
|
X |
|
|
ϕ y = 180° . Обмотки |
|
|
|
|
|
|
LOC иLK включены |
|
|
|
|
|
|
встречно, следовательно, |
|
|
|
|
|
|
ϕ x = 180° , Σ |
=360°, то есть |
|
|
|
|
|
баланс фаз выполняется. X |
|
|
|
f 0 |
f |
|
определяется коэффициен- |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
том трансформации. KX > |
|
|
|
|
|
|
1 только на частоте ƒ0. СБЛОК – шунтирует сопротивление R2 по переменному току. Недос- |
||||||
татком такого генератора является то, что его структура содержит две обмотки. |
|
|||||
|
|
|
|
|
+ EП |
|
|
|
|
|
LOC |
CК |
|
|
|
R1 |
|
LK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VT1 |
|
|
|
|
R2 |
CБ |
RЭ |
CЭ |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||