Элементная база ЭВМ
• Электроника – область науки, техники и производства, занимающаяся исследованием, разработкой и внедрением приборов и материалов, работа которых основана на использовании потоков заряженных частиц, управляемых с помощью электрических и магнитных полей. Это очень широкая область изучения от микросхем до больших генераторов и электрических машин. • Микроэлектроника – миниатюризованная электроника. • Микроэлектроника – раздел электроники, охватывающий исследование, разработку и внедрение интегральных микросхем и принципов их применения. Микроэлектроника изучает процессы на микроуровне. • Микроэлектроника обеспечивает элементную базу всех средств приёма, передачи и переработки информации, в т. ч. и компьютеров.
Первые интегральные микросхемы были созданы в начале 1959 года Джеком Килби и Робертом Нойсом. С этой даты началось бурное развитие интегральной электроники, или микроэлектроники. Вычислительные устройства тоже пытались заключить во все меньший объем. Сначала это были системы небольшой степени интеграции, но с развитием технологии количество активных элементов в микросхемах увеличивалось. Характеристикой сложности ИС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых логических элементов, либо числом транзисторов, реализованных на кристалле.
История открытий • Первый (биполярный) транзистор создан в 1947 году , а Нобелевскую премию за него вручили в 1956 м Бардину, Браттейну и Шокли. • Первая микросхема заработала 12 сентября 1958 года в компании Texas Instruments. Еще одним создателем интегральной микросхемы считается Роберт Нойс, умерший в 1990 году (по правилам, Нобелевская вручается только живущим ученым). В 2000 году Нобелевскую премию по физике присудили Джеку Килби — за изобретение интегральной микросхемы. • Закон Гордона Мура «Количество транзисторов на кристаллах микросхем удваивается каждые два года» , по которому современная микроэлектроника развивается уже около сорока лет 2010 ОМЭ 5
Закон Мура • Количественно динамику роста производительности охарактеризовал еще Гордон Мур. В 1965 году, в процессе подготовки выступления, он сделал замечательное наблюдение. Представив в виде графика рост производительности микросхем памяти, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем разрабатывались спустя более или менее одинаковые периоды (1, 5– 2 года) после появления их предшественников, а емкость их при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, заключил Мур, то мощность вычислительных устройств будет расти со временем экспоненциально.
• • • На рис. 1. 1 приведена зависимость (в логарифмическом масштабе) количества транзисторов на кристалле микропроцессора фирмы Intel за последние 35 лет. количество транзисторов растет по экспоненциальному закону. Из закона Мура есть множество следствий. Например, закон Рока: «Стоимость оборудования и других основных фондов, используемых в производстве полупроводников, удваивается каждые четыре года» . В современных компьютерах используются микросхемы, число транзисторов в которых достигает 12– 13 млн. В последние 25 лет количество транзисторов в одной микросхеме увеличилось более чем в 3 000 раз. К 2011 г. их число в одной микросхеме достигло 1 млрд.
Полупроводниковая технология Миниатюризация Интегральная микросхема Большее количество транзисторов на кристалле позволяет: • создавать более сложные, многофункциональные, вместительные и производительные микросхемы • делать кристаллы компактнее, то есть размещать больше кристаллов на одной кремниевой пластине, что в итоге снижает их себестоимость. Интегральная микросхема – совокупность элементов, позволяющих выполнить определенную функцию преобразования информации. Элементы микросхемы – это часть микросхемы, которая реализует функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора. 2010 ОМЭ 8
Классификации микросхем 1. По уровню интеграции ИС делят на : элементов на кристалле • МИС (малые), до 100 • СИС (средние), 1000 • БИС (большие), 1000 10 000 • СБИС (сверхбольшие). Более 10 000 • МИС реализуют простейшие логические преобразования и обладают универсальностью(даже с помощью одного типа логических элементов (например, И НЕ) можно построить любое ЦУ • СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и др. • БИС и СБИС узкоспециализированные схемы
• Проблема: снижение универсальности для ИС с жесткой структурой • Выход перенос специализации микросхем в область программирования. Появились микропроцессоры и СБИС с программируемой структурой. Микропроцессор способен выполнять систему команд. Меняя последовательности команд (программа), можно решать различные задачи на одном и том же микропроцессоре. Иначе говоря, в этом случае структура аппаратных средств не связана с характером решаемых задач.
Классификации микросхем • 2. В зависимости от схемотехники логического элемента (ЛЭ) типа логики: • диодно транзисторная логика (ДТЛ) • транзисторно транзисторная логика (ТТЛ) • транзисторно транзисторная логика с диодом Шотке (ТТЛШ ), • эмиттерносвязанная логика (ЭСЛ), • логика на МДП (металл –диэлектрик – полупроводник) транзисторах и КМОП (с комплементарными МОП транзисторами),
Классификации микросхем • 3. по принципу построения активного элемента: биполярные и полевые, • 4. по способу передачи информации синхронные и асинхронные • 5. по типу информационных сигналов: потенциальные, импульсно потенциальные • 6. по технологии изготовления: полупроводниковые, пленочные и гибридные.
• В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. • В пленочной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. • В гибридной микросхеме кроме простых элементов есть и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем).
Классификации микросхем • 7. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на: аналоговые и цифровые. • Аналоговые микросхемы предназначены для обработки и преобразования непрерывных сигналов. • С помощью цифровых микросхем обрабатываются цифровые сигналы, т. е. такие сигналы, которые изменяются по закону дискретной функции. Например, к цифровым микросхемам относятся логические микросхемы, выполняющие операции с двоичным кодом, которые описываются законами логической алгебры.
Микропроцессор (СБИС) • Микропроцессор определяется как программно управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им. • Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. • Кристалл пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Два основных направления развития индустрии производства микросхем • • • 2010 Разработка архитектуры: выбор тех или иных функций и особенностей будущих схем, микросхемотехника и компоновка на кристалле функциональных блоков и их элементов, которые воплощают выбранные функции, оптимизация готовых блоков с целью устранения узких мест, повышения производительности и надежности работы будущих схем, упрощения и удешевления их массового производства. Совершенствование полупроводниковых технологий производства микросхем: научная разработка и воплощение в «кремний» все более быстрых и маленьких, цепей связи между ними и прочим «обрамлением» микроструктур на кристалле, создание технологий изготовления рисунка линий и транзисторов на поверхности кремния, новых материалов и оборудования для этого, а также «manufacturability» — область знаний о том, как производить микросхемы более высокого качества, более быстрые, с большим количеством годных кристаллов на пластине, меньшим числом дефектов и разбросом рабочих параметров транзисторов. В середине 2007 г. уже была опробована 3 D технология создания трёхмерных интегральных схем – through silicon vias ( «связи сквозь кремний» ), в которой устраняются длинные металлические проводники. С этой целью в пластине кремния формируются вертикальные каналы, которыезаполняются металлом. Метод позволяет сократить расстояния, которые должны пройти сигналы, в 1000 раз и увеличить пропускную способность каналов до 100 раз по сравнению с сегодняшними плоскими чипами. С использованием данной технологии в ближайшие годы планируется интеграция в одном кристалле самого процессора и оперативной памяти, что фундаментально изменит взаимодействие между процессором и памятью. ОМЭ 16
• Интегральные микросхемы разрабатываются и выпускаются предприятиями изготовителями в виде серий. Серия отличается своей комплектностью и содержит несколько отличающихся микросхем. • К одной серии микросхем относят набор микросхем, выполняющих различные функции, но имеющих единое конструктивно технологическое исполнение. Обычно микросхемы одной серии предназначены для совместного применения.
Серии ИС
Основной электронной схемой в микроэлектронике является электронный вентиль, или ключ на транзисторе (это может быть биполярный или полевой транзистор). Самая простая логическая операция (инверсия, операция НЕ) реализуется схемой, которая преобразует высокий потенциал на входе в низкий потенциал на выходе, и наоборот.
I. Физические основы электроники Примесный полупроводник а) акцептороный Чистый полупроводник Si (четырехвалентные) Внедрение трехвалентной примеси (бор, алюминий, индий) p тип б) донорный n тип Внедрение пятивалентной примеси (фосфор, мышьяк, сурьма) 2010 ОМЭ 20
Контакт двух полупроводников Неподвижный ион p + + + Дырка + + + Eп Электрон + + + На границе полупроводников различного типа проводимости из за градиента концентраций происходит диффузия электронов из полупроводника n типа в полупроводник p типа, а дырок в обратном направлении. + + + n p n переход Условное обозначение диода Концентрация свободных носителей в приграничной области сокращается вследствие рекомбинации. Возникает обедненный слой (переход), имеющий большое удельное сопротивление. Iпр Iобр 2010 ОМЭ 21
Прямое и обратное включение p n перехода Обратное включение Вольт амперная характеристика диода Прямое включение Основная функция диода – выпрямление тока 2010 ОМЭ 22
Биполярный транзистор n p Э NPN n + + + К К К Б Б Iэ Э • Iк Iб Б • PNP Э Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника, называ емых эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К) с чередующимися типами проводимос ти: p n p или n p n. Транзистор имеет два p n перехода, каждый из ко торых может находиться как взакрытом (непроводящем для основных носителей), так и в открытом (для основных носителей) состоянии. Открытое состояние возникает при подаче положительного потенциала от внешнего источника на р область, а отрицательного на n область, причем разность этих потенциалов должна превышать некоторое значение, называемое пороговым напряжением (Unop). Для кремниевых транзисторов Uпор, достаточное для компенсации вну треннего контактного запирающего поля p n перехода 0, 6 В, для германиевых 0, 2 В. Переход с полярностью подключения к внешнему источнику, соответст вующей открытому состоянию (даже, если напряжение на переходе меньше поро гового) называют прямовключенным или прямосмещенным. Если же положительный полюс внешнего источника подключен к n области, а отрицательный к p области, переход считается обратновключенным (обратносмещенным). Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы концентрация электронов в эмиттере была существенно выше концентрации дырок в базе. 2010 ОМЭ 23
Биполярный транзистор n p Э + + + NPN n К PNP К К Iк Iб Б Б Б Iэ Э Э Режимы работы биполярного транзистора Отсечка эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход закрыт. Активный (режим усиления) эмиттерный переход открыт, коллекторный переход закрыт. Насыщение эмиттерный переход открыт, коллекторный переход открыт. Инверсное включение эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход открыт. Б Б n Э p n n + + + p Э К Iэ n + + + К Iк IБ + + + режим отсечки 2010 + активный режим ОМЭ 24
Биполярный транзистор: режим отсечки Б n Э p Оба перехода закрыты для основных носителей тока, поэтому через транзистор протекают только неуправляемые малые токи, создаваемые неосновными носителями. n + + К + Биполярный транзистор: режим усиления (активный) Б n p Э Iэ е д + + + IБ + n К Электроны через открытый эмиттерный переход попадают в базу. Рекомбинация электронов в базе (1 5 % электронов) определяет ток базы. Под Iк действием поля запертого перехода электроны переносятся в коллектор. + При изменении напряжения смешения Uбэ изменяются все токи транзистора: Iэ, Iк, Iб, Iэ = Iк+ Iб , Iб<<Iэ, Iб<< Iк , Iк=βIб β =10… 1000 – коэффициент передачи тока базы, транзистор управляется током базы 2010 ОМЭ 25
Биполярный транзистор: режим насыщения Б n p Э Iэ е n + + + е • К если Uбэ>Uкэ – оба перехода открыты сопротивление транзистора очень мало Iк IБ + Uбэ 2010 + Uбк> Uбэ Ток насыщения Iкн не зависит от входного сигнала Iб и Uбэ и определяется только источником питания Ек и сопротивлением Rк в цепи коллектора: Iкн=Ек/Rк Режим насыщения может наступать, начиная с некоторого минимального тока базы Iбн. Глубина (степень) насыщения S : S=Iб/Iбн, где Iбн минимальный ток базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения; Iб реальный ток базы, который может в несколько раз превышать Iбн. ОМЭ 26
Биполярный транзистор: инверсный режим • Б p + + + д n n е Iэ IБ + + 2010 Э К Iк Хотя Э и К имеют один и тот же тип проводимости, коллектор гораздо беднее основными носителями электронами. Поэтому коллекторный и эмиттерный токи в инверсном режиме невелики и коэффициент усиления βинв составляет в лучшем случае несколько единиц. ОМЭ 27
Биполярный транзистор n p Э NPN n + + + К К PNP Iк Iб К Б Б Б Iэ Э Э Три схемы включения транзистора ОБ 2010 ОК ОМЭ ОЭ 28
Простой транзисторный ключ + Eп Rк К Rкэ Uвых Суть работы ключа состоит в перераспределении питающего напряжения Ек между постоянным сопротивлением резистора Rк и зависящим от входного сигнала сопротивлением транзистора: • если транзистор открыт и его сопротивление мало, основная часть Ек падает на Rк и на выходе ключа (КЭ транзистора) сигнал низкого уровня (логический нуль). • если транзистор закрыт и его сопротивление много больше Rк на выходе сигнал высокого уровня (логическая 1) • Несмотря на простоту схемы, ключ на одном транзисторе редко используется в цифровой технике, т. к. не обладает достаточной нагрузочной способностью свойством сохранять постоянным уровень выходного сигнала при изменении нагрузки на выходе. 2010 ОМЭ 29
Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) • +EК RБ IБ IЭ Uвх 0 1 IК Rн • UВых - Если на все эмиттеры (входы) МЭТ поступает высокий потенциал ( « 1» ), превышающий потенциал базы, все переходы ЭБ MЭT закрыты: в этом случае транзистор работает в инверсном режиме (переход БК открыт). Т. к. RБК достаточно большое, то очень малый ток протекает по контуру +Ек RБ – RН – земля. Если RН>>RБ, то практически весь потенциал батареи Ек падает на нагрузку, следовательно, на выходе схемы высокий потенциал лог « 1» . В том случае, когда хотя бы один эмиттер имеет низкий нулевой потенциал, переход БЭ МЭТ оказывается открытым. Ток течет по контуру +Ек RБ – RЭБ – земля (коллекторный очень мал), причем разность потенциалом между переходом БЭ равна « 0» , следовательно, на выходе схемы лог « 0» . Таким образом, МЭТ реализует логическую функцию «И» 2010 ОМЭ 30
Полевой транзистор • • • Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n типа. На рисунке показан массив полупроводника, легированный примесями p типа (подложка), в котором технологическими приемами выполнено легирование примесями n типа. Черным показаны металлические электроды, под затвором – диэлектрик. Электрическое поле, создаваемое положительным потенциалом затвора, индуцирует соответствующий отрицательный заряд в массиве полупроводника, который отделен от затвора диэлектриком и служит второй пластиной конденсатора. Таким образом, между стоком и истоком образуется слой с проводимостью типа n. Через этот индуцированный канал может протекать ток от стока к истоку. Чем больше напряжение на затворе, тем больше поперечное сечение индуцированного канала и тем меньше его сопротивление. При подаче напряжения питания изменение напряжения на затворе позволяет регулировать ток сток исток.
Полевой транзистор с управляющим p n переходом При увеличении Uзи (Uзи>0) обедненный слой увеличивается. Это приводит к уменьшению тока Iси Полевой транзистор с изолированным затвором Канал может быть заранее изготовлен благодаря внедрению примеси (транзистор со встроенным каналом) или может образовываться при некотором Uзи 2010 ОМЭ 32
Условные обозначения различных типов полевых транзисторов 2010 ОМЭ 33
Процесс создания микросхем 1. Подготовка полупроводниковых пластин кремния: Резка Шлифовка Полировка Химическое травление 2. Формирование на пластинах структуры микросхем: Формирование областей с требуемым типом проводимости и удельным сопротивлением Создание проводников соединений Создание резисторов и конденсаторов 3. Сборка и контроль Первичный групповой контроль Разрезание на микросхемы Установка в корпуса, монтаж выводов и герметизация Индивидуальный контроль микросхем 2010 ОМЭ 34
Основные технологические процессы для создания полупроводниковых микросхем Термическая диффузия примесей: внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости Ионное легирование: внедрение примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами примесей 2010 ОМЭ 35
Эпитаксия: процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую кремниевую пластину, при котором получают пленку, продолжающую структуру пластины Термическое окисление: процесс, позволяющий получить на поверхности кремниевых пластин пленку диоксида кремния. Травление: процесс удаления поверхностного слоя не механическим, а химическим путем 2010 ОМЭ 36
Нанесение тонких пленок: процесс создания проводников соединений, резисторов, конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками. Металлизация: нанесение на кремниевую пластину сплошной металлической пленки Фотолитография: процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для легирования, травления, окисления, напыления и других операций. 2010 ОМЭ 37
Последовательность формирования диффузионно планарной структуры 2010 ОМЭ 38
Последовательность формирования КМДП структуры 2010 ОМЭ 39
Изготовление печатных плат Основные операции для изготовления печатных плат: 1. Раскрой и шлифовка. 2. Получение защитного рельефа. 3. Травление меди с пробельных мест. 4. Получение отверстий. 5. Нанесение защитной маски. 6. Лужение. 7. Маркировка. 8. Контроль. Однослойные (односторонние) печатные платы Двухсторонние печатные платы 2010 Многослойные печатные платы ОМЭ 40
Арифметические основы ЭВМ Системой счисления называется совокупность правил для представления чисел с помощью символов (цифр). Бывают позиционные и непозиционные. Позиционная система счисления система, в которой значение каждой цифры в изображении числа зависит от ее положения (позиции) в ряду других чисел, изображающих число. Пример: 256, 25 цифровая форма записи (код числа); 2 102 + 5 101 + 6 100 + 2 10 1 + 5 10 2 многочленная форма записи. Основание системы число, означающее количество символов, используемых в системе счисления. Это любое целое число не равное единице. В десятичной системе счисления десять символов (цифр): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9; В двоичной системе счисления два символа (цифры): 0, 1 Двоичная система счисления: 1101, 01 код числа (цифровая форма записи); 1 23 + 1 22 + 0 21 + 1 20 + 0 2 1 + 1 2 2 многочленная форма записи. Преобразование из двоичной системы счисления в десятичную: 1011. 012 = 1*23+0*22+1*21+1+0*2 1+1*2 2 = (8 + 2 + 1 + 0. 25)10 = 11. 2510 2010 ОМЭ 41
Системы счисления, используемые в ЭВМ: Двоичная (0, 1) Десятичная (0, …, 9) Восьмеричная (0, …, 7) Шестнадцатиричная (0, …, 9, A, B, C, D, E, F) Двоично десятичная (0000, …, 1001) Троичная ( 1, 0, 1) Двоичная арифметика Основные понятия булевой алгебры Логика– наука о законах и формах мышления. Алгебра логики – раздел общей логики, целью которой является применение алгебраических правил для решения различных логических задач (Джордж Буль). Высказывание любое предложение, относительно которого имеет смысл утверждение об его истинности или ложности. Например, « 1 км=1000 м» истинно, « 2*2=5» ложно. Истинность – величина переменная, принимающая значения 1 или 0. В зависимости от количества утверждений, содержащихся в высказывании, оно может быть простым или сложным. Истинность сложного высказывания зависит от истинности составляющих простых высказываний. Следовательно, сложное высказывание можно рассматривать как функцию от простых высказываний. Объединение нескольких простых высказываний в одно сложное выполняется с помощью логических связей (или логических операций). 2010 ОМЭ 42
Основные положения алгебры логики • Основными понятиями алгебры логики являются логический аргумент и логическая функция. Логический аргумент (или высказывание) в зависимости от смысла может принимать значение «истина» или «ложь» . Это соответствует значениям « 1» и « 0» . • Логический аргумент входит в состав сложного высказывания – логической функции, зависящей от истинности или ложности аргумента. Логическая функция также принимает значения « 1» или « 0» .
Логические операции НЕ X 1 Y=X ИЛИ Y X 1 X 2 1 Y=X 1+X 2 И Y X 1 X 2 & Y= X 1 X 2 И НЕ ИЛИ НЕ Y X 1 X 2 1 Y= X 1+ X 2 Y X 1 X 2 & Y Y= X 1 X 2 К основным логическим операциям в алгебре логики относятся: • дизъюнкция (ИЛИ, логическое сложение, «+» , «∨» ), • конъюнкция (И, логическое умножение, «⋅» , «∧» ) и • отрицание (НЕ, инверсия, x ). • Кроме того, определено отношение эквивалентности (=). Оно удовлетворяет свойству рефлексивности: x = x, симметричности: если x = y, то y = x; и транзитивности: если x = y и y = z, то x = z. Это соотношение дает принцип подстановки: если x = y, то в любой формуле, где есть x, можно заменить его на y, и будет получена эквивалентная формула.
система аксиом: Первая аксиома утверждает, что в алгебре логики рассматриваются только двоичные переменные, принимающие значения 0 или 1. Вторая группа аксиом определяет операции дизъюнкции и конъюнкции (логического сложения и умножения). Третья группа аксиом определяет операцию отрицания (инверсии). С помощью этих аксиом доказываются все теоремы алгебры логики.
1. Операция «НЕ» (инверсия) Эта операция преобразует истинное высказывание в ложное, а ложное – в истинное. Ее называют логической операцией отрицания или операцией НЕ. Обозначается чертой над символом (буквой) данного высказывания: (не x). Логический элемент, осуществляющий лог. Операцию НЕ наз. инвертором (рис. 1) Инвертор имеет один вход и один выход. 2010 ОМЭ 46
2. Операция «ИЛИ» дизъюнкция (OR) • 2010 Эта операция – сложное высказывание. Оно истинно при истинности хотя бы одного из составляющих и ложно в случае ложности всех высказываний. Логический элемент, который реализует эту операцию наз. дизъюнктором. Он имеет как минимум 2 входа и один выход (рис. 2). ОМЭ 47
3. Логическая операция «И» – конъюнкция. • Эта операция – сложное высказывание. Оно истинно при истинности всех высказываний и ложно в случае, если хотя бы одно из составляющих ложно. Логический элемент, который реализует эту операцию наз. конъюнктором. Он имеет как минимум 2 входа и один выход (рис. 3). Еще его наз. логическим вентилем. 2010 ОМЭ 48
Названия и условные обозначения логических функций двух переменных
Законы логики. Упрощение логических выражений
Для упрощения логических выражений полезно знать следующие свойства:
Задания • Составьте таблицу истинности функции: • Упростите логические выражения:
Запись логической функции по таблице
Базовые логические элементы Все устройства цифровой электроники могут быть изготовлены с использованием простейших элементов, выполняющих нужные элементарные функции. Их называют базовыми логическими элементами (или вентилями). Входы (логические переменные) в схеме нарисованы слева, а вы ходы (логические функции) – справа. Обозначения внутри прямоугольников соответствуют выполняемой логической функции. Кружочек означает инверсию сигнала. Элементная база цифровых устройств состоит из цифровых микросхем различной степени сложности, от самых простых, содержащих базовые логические элементы, до сложнейших микропроцессоров и других специализированных микросхем.
Базовые элементы интегральных схем типа ТТЛ и КМОП (КМДП) • Элемент И 2010 Элемент И-НЕ ОМЭ 56
Базовые логические элементы Варианты подключения нагрузки к транзисторному ключу Транзисторный ключ на биполярном транзисторе Открытое состояние: Uвх=U 1, транзистор в режиме насыщения, коллекторный переход открыт, Uкэ~0. 3 В. Закрытое состояние: Uвх=U 0, транзистор в режиме отсечки, ток через коллектор мал (Iко), Rкэ~∞ 2010 ОМЭ 57
Сигналы: аналоговые и дискретные Аналоговыми называются сигналы, в которых изменение физической величины, используемой для передачи информации, происходит непрерывно. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона – о быстрых изменениях давления в звуковой волне, электроэнцефалограмма – об электрических колебаниях в мозге. Дискретным называется сигнал, описываемый дискретной функ цией времени. Дискретный сигнал образуется из аналогового путем квантования по времени или одновременно по времени и уровню. Часто дискретные сигналы используются для представления знаков систем кодирования (например, двоичной системы счисления). В этом случае их называют цифровыми сигналами.
Основные параметры логических элементов • напряжение источника питания: – МС ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5 В± 10%; пороговое напряжение логической « 1» =2, 4 В, пороговое напряжение логического « 0» =0, 4 В, – МС КМДП рассчитаны на напряжение питания 3 15 В, , • нагрузочная способность – число нагрузок (других элементов), которое можно одновременно подключить к выходу МС. Для большинства Мс ТТЛ составляет 10, для МС КМДП – до 100. • быстродействие – максимальная частота переключения триггера на базовых элементах. Предельная частота МС ТТЛ серии К 155 – 10 МГц, Мс серии К 176 и К 561 на КМДП – 1 Мгц • средняя мощность потребления базовых элементов серии К 155 несколько десятков м. Вт, серии К 176 и К 561 более чем в 1000 раз меньше. • важнейшим показателем МС является надежность. МС ТТЛ значительно надежнее. (частота отказов). 2010 ОМЭ 59
Потенциальные и импульсные сигналы • • Сигнал называется потенциальным, если интервал времени между соседними изменениями сигнала значительно больше времен включения выключения и времен задержки составляющих элементов схемы, в которой он наблюдается. Сигнал называется импульсным, если длительность его активного уровня того же порядка, что и время реакции схемы. Схема реагирует на импульсный сигнал, и он должен закончиться сразу после окончания переходного процесса в схеме. При аналитическом описании схем, на которые воздействуют импульсные сигналы, используется понятие абстрактного импульсного сигнала, длительность которого считается бесконечно малой. Реальные импульсные сигналы всегда имеют конечную длительность, которая определяется временем реакции схемы.
III. Логические основы цифровой вычислительной техники Комбинационные схемы y=f(x) Устройства с памятью Функционирование определяется помимо набора входных сигналов, еще и состояниями, в которых они пребывали раньше. Это схемы с памятью. Цифровые автоматы представляют собой комбинационные схемы и устройства хранения (память). Работа цифровых автоматов происходит в соответствии с частотой поступления входного слова. Для того, чтобы сигналы поступали одновременно, срабатывание ЦА происходит по синхросигналу 2010 ОМЭ 61
Триггеры (простейшие устройства с памятью) Триггер – устройство последовательностного типа с 2 мя устойчивыми состояниями, предназначенный для записи и хранения информации. Состояние выходов триггера зависит не только от входных сигналов, но и от текущего внутреннего состояния. Простейший триггер имеет два информационных входа, куда подаются установочные сигналы, и два выхода – прямой (основной) и инверсный (дополнительный) , причем и находятся в противофазе. Сигналы, подаваемые на входы, называются активными, если они устанавливают выходы триггера в одно из устойчивых состояний ( « 0» или « 1» ). Сигналы, не меняющие состояние выходов триггера, называются пассивными. Если активным сигналом для триггера является логическая « 1» , то входы берутся прямые (рис. 1), если же активным сигналом является логический « 0» , то входы – инверсные (рис. 2). Рис. 1 Рис. 2
Режимы работы схемы
Таблица истинности
Построим уравнения, а затем и схемы для выходов триггера Итак, получили: Аналогично можно получить : Применяя закон де Моргана, уравнения (1) и (2) можно при вести к базовым элементам И НЕ: А затем инвертируем полученный результат:
Построение схемы триггера в базе 2 И НЕ Рассмотренные триггеры являются асинхронными (нетактируемыми) состояние их выходов изменяется сразу же после изменения состояний на входах. Виды триггеров
RSC -триггер Асинхронный триггер легко преобразовать в синхронный RSC триггер на основе базовой схемы триггера S R и логических элементов И НЕ, дополнив его схемой, реализующей функцию запрещения или разрешения поступления информации на входы S и R. Условия задачи: при наличии на синхровходе С уровня « 1» схема работает как RS триггер с прямыми входами R и S. При подаче на вход с уровня лог. Схема находится в режиме хранения. S C R ?
Структурная схема RSC триггера D триггер Задача На основе базового триггера и логических элементов 2 И НЕ построить D триггер (рис. 5), который имеет 2 входа D и C и 2 выхода. При С = 1 выход Q повторяет вход D, при С = 1 триггер в режиме хранения. D C ?
Структурная схема D триггера Рассмотренные синхронные триггеры являются триггерами с потенциальным управлением. При потенциальном управлении информация записывается в течение всего времени, пока синхровход имеет разрешающий потенциал С = 1.
Триггеры с динамическим управлением В триггерах с динамическим управлением информация записывается только в короткое время перепада потенциала на синхровходе из 0 в 1 управление по фронту или из 1 в 0 управление по срезу. На схемах динамические входы обозначаются треугольником: если его вершина направлена вправо, то триггер переключается по фронту (рис. а), если влево, то триггер пере ключается по срезу (рис. б). Счетный (тактовый) Т триггер
Одноступенчатый синхронный RS триггер Двухступенчатый синхронный RS триггер
JK триггер Триггером с большими функциональными возможностями является универсальный JK триггер. Из него коммутацией внешних выводов можно получить триггеры других типов. JK триггер имеет два информационных входа J и K (аналогичные входам R и S RS триггера), а также вход для синхронизирующих (тактовых) импульсов С и выходы Q и Q. JК триггер отличается от синхронного RS триггера тем, что не имеет запрещенного состояния, а при J = К = 1 изменяет свое состояние на противоположное (все переключения происходят при наличии разрешающего сигнала на синхровходе С). J(t) K(t) Q(t+1) Режим 0 0 Q(t) Хранение 0 1 0 Установка « 0» 1 0 1 Установка « 1» 1 1 Q(t) Инверсия
JК триггеры с динамическим управлением по срезу тактового импульса получают не основе так называемого двухтактного (двухступенчатого) триггера, состоящего из двух триггеров с потенциальным управлением, один из которых является ведущим (М триггер, master мастер, хозяин), а другой ведомым (S-триггер, slave - помощник). Для двухтактных триггеров такого типа встречается название MS триггеры.
JK триггер J(t) K(t) Q(t+1) Режим 0 0 Q(t) Хранение 0 1 0 Установка « 0» 1 0 1 Установка « 1» 1 1 Q(t) Инверсия
RS триггер на основе JK триггера D триггер на основе JK триггера Синхронный T триггер на основе JK триггера Асинхронный T триггер на основе JK триггера
