Ім'я файлу: реферет 1.docx
Розширення: docx
Розмір: 34кб.
Дата: 30.05.2023
скачати
Пов'язані файли:
Журналі обліку вогнегасників.docx
Розширення: docx
Розмір: 34кб.
Дата: 30.05.2023
скачати
Пов'язані файли:
Журналі обліку вогнегасників.docx
Волинський національний університет імені Лесі Українки
ІНДЗ на тему: «Дистанційне навчання»
Загальноосвітньої школи №13
м. Луцьк,
складене студенткою Фіз-43.О групи
Кривець Сніжани Адамівни
під час проходження психолого-педагогічної практики
в VⅠⅠ семестрі 2022-2023 н.р.
ЛОГІЧНІ ОСНОВИ КОМП'ЮТЕРНОЇ СХЕМОТЕХНІКИ. Алгебра логіки і теоретичні основи синтезу цифрових пристроїв Математична логіка є частиною формальної логіки і служить теоретичною основою побудови електронних обчислювальних машин і цифрових пристроїв. Найбільше застосування з області математичної логіки отримала алгебра логіки. Базою алгебри логіки є поняття про висловлювання, істинність і помилковість висловлювання, і зв'язках між висловлюванням. Висловлення, або логічний аргумент, в залежності від значення буває істинним або помилковим. Значення висловлювання може змінюватися із зміною обставин, і таким чином висловлювання міняє оцінку своєї істинності. З точки зору логіки висловлювання можна розділити: висловлювання постійно істинне (математично їх приймають рівними 1); висловлювання постійно помилкове (математично їх приймають рівними 0); висловлювання, яке може бути істинними або помилковими в залежності від певних умов, тобто приймати значення 1 або 0 навперемінно. За змістом висловлювання бувають прості та складні. Просте висловлювання - логічний аргумент (змінна) входить до складу складного висловлювання логічної функції, що залежить від істинності або помилковості аргументу. Звичайно просте висловлювання позначається малими буквами латинського або російського алфавіту: х, е, z, m, р, a, b. Складні висловлювання або логічні функції, позначають великими буквами латинського або російського алфавіту: А, F, Р, X, Y, S, Q. Зв'язки між висловлюванням - аргументами за своєю логікою різні, і від цього значення складного висловлення непостійне. Різні комбінації значень вхідних змінних в логічних функціях називаються наборами. Функція є цілком заданою, якщо вказані її значення для всіх наборів значень вхідних змінних. Зіставляючи кожному набору значення функції, рівне 0 або 1, можна отримати табличне завдання даної функції, яке називається таблицею істинності або таблицею відповідності. Розглянемо логічні функції n аргументів, задаючись набором аргументів і таблицею істинності, в якій визначається значення функції для кожного поєднання аргументів. Для визначення кінцевого числа функцій використовується формула 22n, отже, для двозначної системи набір функцій двох змінних дорівнює 16, а від однієї змінної - 4. Логічні двійкові функції отримали назву Бульових на ім'я англійського математика XIX віку Дж. Буля.
Форми логічних функцій і їх використання для синтезу логічних схем Залежність вихідних змінних yi, виражена через сукупність вхідних змінних xn-1,…x1x0 за допомогою операцій алгебри логіки, носить назву функції алгебри логіки. Для n- розрядного двійкового коду xn-1,…x1x0 існує 2n різних значень yi. Функція називається повністю визначеної, якщо задані 2n її значень. Якщо частина значень функції не задана, то вона називається частково визначеною або недовизначеною. 8 Іноді відомо, що за умовами роботи пристрою поява деяких вхідних кодів неможлива, і по цьому значення функції алгебри логіки на цих кодах не задаються. При цьому виникають так звані факультативні або необов'язкові значення функції, які можуть задаватися довільними. Вхідні коди, для яких функція алгебри логіки має факультативні значення, називаються забороненими. Для опису функцій алгебри логіки можуть бути використані різні способи. Основними з них є опис функцій в словесній формі, у вигляді таблиць істинності, алгебраїчних виразів, послідовностей десяткових чисел. Словесний опис функцій алгебри логіки. Словесний вид опису найчастіше застосовується для первинного, початкового опису поведінки логічного пристрою. Приклад. Логічна функція трьох змінних дорівнює одиниці, якщо хоч дві вхідні змінні дорівнюють одиниці. Опис функцій алгебри логіки у вигляді таблиці істинності. Таблиця, що містить всі можливі комбінації вхідних змінних xn-1,…x1x0 і відповідні ним значення вихідних змінних yi, називається таблицею істинності або комбінаційною таблицею. У загальному випадку таблиця істинності містить 2n рядків. Приклад. Складемо таблицю істинності для функцій алгебри логіки з попереднього прикладу. Таблиця 1.2. Таблиця істинності логічної функції трьох змінних x2 x1 x0 y 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 Опис функцій алгебри логіки у вигляді алгебраїчного виразу. Алгебра логіки дозволяє утворювати складні функції, аргументи яких є функціями інших двійкових аргументів. Операція заміни аргументом однієї функції іншими, більш простими функціями носить назву суперпозиції функції. Багаторазове використання принципу суперпозиції дає можливість отримати функції бажаного числа аргументів. Елементарна кон’юнкція утворюється кон’юнкцією кінцевої безлічі логічних змінних і їх заперечень. Наприклад: Р(x, y, z) xyz . Елементарна диз’юнкція утворюється диз’юнкцією кінцевої безлічі логічних змінних і їх заперечень. Наприклад: Р(x, y, z) x y z . Кількість змінних в елементарній кон’юнкції (диз’юнкції) називається її довжиною і визначає її ранг. Наприклад: Р(x, y, z,w) x y z w є диз’юнкцією четвертого рангу. Мінтермом називають функцію, що приймає одиничне значення при одному з всіх можливих наборів аргументів, а макстермом називають функцію, яка приймає нульове значення при одному з можливих наборів і одиничне значення при всіх інших. Мінтерм алгебраїчно являє собою кон’юнкцію аргументів, а макстерм - диз’юнкцію аргументів. Якщо використовується двійкова система і число наборів аргументів n, то число мінтермів або макстермів N=2n . Диз’юнкція будь-якого числа елементарних кон’юнкцій називається диз’юнктивною нормальною формою (ДНФ). Наприклад, a bc abcabc Кон’юнкція будь-якого числа елементарних диз’юнкцій називається кон’юнктивною нормальною формою (КНФ). Наприклад, a(a b)(b c)(a b c) 9 Нормальні форми логічних функцій прийнято називати канонічними. Логічну функцію, задану будь-яким аналітичним вираженням, можна безпосередньо перетворити до нормальної диз’юнктивної (або кон’юнктивної) форми. Для цього необхідно: виразити всі операції через операції кон’юнкції, диз’юнкції і інверсій; позбутися інверсії над цілими виразами, перейшовши до форми, в якій є інверсії тільки окремих змінних; розкрити дужки, застосовуючи закон дистрибутивності; привести кон’юнкції (диз’юнкції) до елементарних. Якщо до складу логічної формули входять набори елементарних кон’юнкцій однакового рангу, зв'язані диз’юнкцією, то така форма представлення логічної функції отримала назву довершеної диз’юнктивної нормальної форми (ДДНФ). Правило утворення ДДНФ функції n аргументів складається в наступному. По кожному набору двійкових змінних, при якому функція приймає значення одиниці, скласти елементарні кон’юнкції (мінтерми). В елементарну кон’юнкцію записати неінвертованими змінні, що задані одиницею в таблиці істинності, а інвертованими ті змінні, які в таблиці істинності задані нулем. Отримані сполучення називають конституантами одиниці. Елементарні кон’юнкції з'єднати знаком диз’юнкції. Довершеною нормальною кон’юнктивною формою (ДКНФ) логічної функції прийнято називати таке її вираження, яке містить елементарні диз’юнкції одного рангу, пов'язані кон’юнкцією. Правило утворення ДКНФ n аргументів складається в наступному. По кожному набору двійкових змінних, при якому функція приймає значення нуля, скласти елементарні диз’юнкції (макстерми). У елементарні диз’юнкції записати неінвертованими змінні, задані нулем в таблиці істинності, а інвертованими ті змінні, які в таблиці істинність задані одиницею. Отримані суми називають конституентами нуля. Елементарні диз’юнкції з'єднати знаком кон’юнкції. Приклад. Нехай таблицею істинності задана функція F(x2, x1, x0) і потрібно утворити її ДДНФ і ДКНФ. Такий перехід називається розгортанням. Для цього необхідно: ввести бракуючі змінні в кожну кон’юнкцію множенням її на рівносильність вигляду a a 1, де а - бракуюча змінна; розкрити дужки, застосовуючи комутативний закон (ab=ba); позбутися кон’юнкцій, що повторюються на основі закону ідемпотентності (а + а = a). Приклад. Нехай ДНФ функції має вигляд: F abc ac . Слідуючи викладеному правилу переходу до ДДНФ, отримаємо: F abc ac(b b) abc abc abc . Перехід від КНФ до ДКНФ здійснюється аналогічно з переходом від ДНФ до ДДНФ. Для цього необхідно: ввести бракуючі змінні в кожну диз’юнкцію, використовуючи закон суперечності aa 0 ( а- бракуюча змінна); виробити перетворення, застосовуючи другий закон дистрибутивності а + bc = (а + b) (а + с) і комутативний закон а + b= b + a. позбутися диз’юнкцій, що повторюються, на основі закону ідемпотентності aa = a. Приклад. Розгортання КНФ вигляду: F (a b)(b c)(a c)
Поняття елементів, вузлів і пристроїв комп'ютерної схемотехніки Технічні засоби комп'ютерної схемотехніки залежно від функцій, які вони виконують, поділяють на елементи, функціональні вузли і пристрої, а також мікропроцесори та комп'ютери (рис. 2.1). Вони призначені для оброблення дискретної інформації і тому називаються цифровими. Технічні засоби комп'ютерної схемотехніки в даний час основані на інтегральних мікросхемах (IMC) різного ступеня складності. Рис.2.1. Склад технічних засобів комп'ютерної схемотехніки Елементами в комп'ютерній схемотехніці називаються найменші неподільні мікроелектронні схеми (вироби), призначені для виконання логічних операцій або зберігання біта інформації. До елементів умовно відносяться і допоміжні схеми – підсилювачі, повторювачі, формувачі та ін. Елементи будуються на основі двопозиційних ключів, що технічно реалізується найпростіше. Елементи з двома станами називаються двійковими. На входах і виходах двійкового елемента діють напруги, які набувають у сталому режимі двох значень – високого UH і низького UL рівнів (індекси від англійських слів High і Low). Ці напруги відображають електричні сигнали. Сигнал з двома станами називається двійковим. Перехід елемента з одного стану в інший називається його перемиканням. На основі елементів будують типові функціональні вузли. Елементарні дії, які виконуються в комп'ютерах за один машинний такт, називаються мікроопераціями. Наприклад, інкремент або декремент слова, зсув, інверсія, додавання та ін. У комп'ютерах команди виконують послідовністю мікрооперацій над двійковими словами (числами). Типовими функціональними вузлами комп'ютерів називаються мікроелектронні схеми, призначені для виконання однієї або декількох мікрооперацій. За логікою роботи функціональні вузли розподіляються на комбінаційні та послідовнісні схеми. У комбінаційних схемах логічний стан виходів елементів залежить тільки від комбінації вхідних сигналів у даний момент часу. До функціональних вузлів комбінаційного типу відносяться суматори, дешифратори, шифратори, мультиплексори і демультиплексори, схеми порівняння (компаратори) і контролю за парністю, кодоперетворювачі. У послідовнісних схемах логічне значення виходів визначають як комбінацією вихідних сигналів, так і станом пам'яті схеми в даний момент часу. До функціональних вузлів послідовнісного типу відносяться регістри, лічильники, генератори чисел і керуючі автомати. На основі типових функціональних вузлів будують різноманітні пристрої комп'ютерів. Універсальність комп'ютерів забезпечує можливість приймання і видавання інформації, її зберігання та арифметико-логічне опрацьовування, а також керування усім обчислювальним процесом. Ці функції реалізуються відповідними пристроями введення, виведення, запам'ятовування, арифметико-логічними і керування. В усіх комп'ютерах використовують генератор тактових імпульсів (ГТІ), що виробляє періодичну послідовність прямокутних імпульсів, які називаються тактовими (С). Початок кожного імпульсу С називається тактовим моментом. Часовий інтервал між двома сусідніми імпульсами С називається машинним тактом ТС. На початку кожного імпульсу С відбувається зміна інформації на входах елементів і вузлів машини (рис. 2.2). Рис. 2.2. Часова діаграма ГТІ 17 Частота ГТІ вимірюється десятками і сотнями мегагерц. У літературі ГТІ часто називають генераторами синхронізуючих імпульсів, а самі імпульси називають синхронізуючими або синхроімпульсами. Амплітуда і полярність імпульсу C залежить від фізичних принципів побудови машини. Принцип подачі інформації на входи елементів і вузлів у тактові моменти називається дискретизацією сигналів у часі. У комп'ютерній схемотехніці застосовуються два основних види двійкових сигналів: потенціальні й імпульсні (рис. 2.3). Сигнал, який змінюється тільки в тактові моменти часу, називається потенціальним. Сигнал, що наростає в тактовий момент, а спадає в границях даного такту, називається імпульсним. Тривалість потенціального сигналу дорівнює або кратна тривалості машинного такту. Рис. 2.3. Діаграми потенціальних (ПС) та імпульсних (ІС) сигналів У логіці значення двійкового сигналу і відповідної змінної Х кодуються символами 0 (лог. 0) і 1 (лог. 1). Напругу, що відображає символ 1, позначимо через U1, а символ 0 – через U0. Розрізняють два способи кодування логічних сигналів Хі потенціальними сигналами – позитивний та негативний. При позитивному кодуванні (позитивна логіка чи угода) більший рівень напруги UН з урахуванням знака відображає лог. 1, а менший UL – лог.0, тобто Х = 1, якщо U1 = UH, та Х = 0 при U0=UL (рис. 2.4, а). При негативному кодуванні (негативна логіка чи угода) більший рівень напруги UH з урахуванням знаку відображає лог. 0, а менший UL – лог. 1, тобто Х = 1, якщо U1 = UL, та Х = 0 при U0 = UH (рис. 2.4, б). Рис. 2.4. Логічні угоди: а – позитивна X+ ; б – негативна X– Для імпульсних сигналів розрізняють два роди кодування (рис. 2.5): перший – наявність імпульсу відображає лог. 1, відсутність – лог. 0; другий – наявність імпульсу однієї полярності відображає лог. 1, а іншої полярності – лог. 0. Рис. 2.5. Імпульсне кодування: а – першого роду; б – другого роду Елементи комп’ютерів класифікуються за такими ознаками: використовуваними фізичними приладами; видом інформаційних сигналів; функціональним призначенням; конструкційно-технологічним виготовленням; рівнем і ступенем складності. 18 За типом фізичних приладів розрізняють такі елементи: побудовані на електронних лампах – перше покоління; на транзисторах – друге покоління; на ІМС малого і середнього ступеня інтеграції – третє покоління; на великих і надвеликих ІМС – четверте покоління. За видом інформаційних сигналів виділяють: потенціальні елементи – використовуються тільки потенціальні сигнали; імпульсні елементи – використовуються тільки імпульсні сигнали; потенціально-імпульсні елементи – використовуються потенціальні й імпульсні сигнали. За функціональним призначенням елементи комп’ютерної схемотехніки поділяють на такі класи: логічні елементи, призначені для виконання логічних операцій – НЕ, І, АБО, НЕ І, НЕ АБО, НЕ І АБО та ін.; елементи, які запам'ятовують – тригери, призначені для зберігання значення однієї двійкової змінної – нуля або одиниці, тобто одного біта інформації; допоміжні елементи (підсилювачі, формувачі, перетворювачі сигналів, схеми часового узгодження, генератори імпульсів та ін.), призначені для забезпечення роботи елементів перших двох класів. За конструкційно-технологічним виготовленням елементна база сучасної комп'ютерної схемотехніки складається з інтегральних мікросхем. Це – мікроелектронні вироби з високою щільністю упаковування електрорадіоелементів (резисторів, діодів, транзисторів) і з'єднань між ними. З погляду специфікації, випробування, постачання та експлуатації ІМС розглядаються як єдине ціле. В ІМС електрорадіоелементи називаються елементами, якщо вони невіддільні від схеми, і компонентами, якщо їх можна використовувати самостійно. Надалі, щоб уникнути плутанини з елементами комп'ютерів, електрорадіоелементи називають просто компонентами. Мікросхеми класифікують за такими головними ознаками: технологією виготовлення – напівпровідникові, гібридні, плівкові; конструкційним оформленням – корпусні та безкорпусні; формою оброблення інформації – аналогові, цифрові й аналого-цифрові; ступенем інтеграції (складності) – малі, середні, великі, надвеликі й ультравеликі; типом активних елементів – побудованих на біполярних і МОН-транзисторах; областю застосування – широкого застосування, спеціалізовані, у тому числі замовлені і напівзамовлені; використовуваними матеріалами – кремнієві, арсенід-галієві; перспективними напрямками – кріомікроелектронні, акустоелектронні, оптоелектронні, молекулярної електроніки та ін. Набір цифрових мікросхем із спільними конструктційно-технологічними і схемотехнічними ознаками утворює серію ІМС. У комп'ютерній схемотехніці широко застосовуються цифрові напівпровідникові корпусні ІМС на основі кремнію і арсеніду галію. У напівпровідникових ІМС усі компоненти і з'єднання між ними виконані в об’ємі і на поверхні кристала площею від 4 до 100 мм2 . У гібридних ІМС навісні компоненти кріпляться на поверхні діелектричної підкладки. У плівкових ІМС усі компоненти і з'єднання між ними виконані у виді тонких плівок на діелектричній підкладці. Складність мікросхем характеризується рівнем інтеграції N, ступенем інтеграції К = lgN і ступенем функціональної складності F = lgL, де N – число компонентів, комп.; L – число двовходових логічних елементів (вентилів); значення десяткового логарифма округляється до більшого цілого числа. Промисловість виготовляє ІМС від першого (менше 10 комп.) до шостого (менше 1 млн комп.) і вище ступеня інтеграції. Можливості інтегральної технології визначає щільність упаковування: відношення числа компонентів до об'єму (іноді до площі) кристала. Щільність упаковування в напівпровідникових ІМС складає 107 комп. /см3 , а для гібридних – 100–200 комп. /см3 . Мала інтегральна схема (МІС) вміщує до 100 комп. включно, середня мікросхема (СІС) – 100–1000 комп., велика інтегральна схема (ВІС) – до 100000 комп., надвелика інтегральна мікросхема (НВІС) – до 1 млн комп., а ультравелика (ультра-ВІС) – до 10 млн комп. і більше. На МІС бу- 19 дують елементи, на СІС реалізують типові вузли, на ВІС, НВІС і ультра-ВІС забезпечують побудову мікропроцесорів і мікрокомп’ютерів. Кожна елементарна логічна функція реалізується відповідно логічним елементом: АБО (диз’юнктор), І (кон’юнктор), НЕ (інвертор). Для реалізації складних функцій логічні елементи об'єднуються у логічну схему. Функціонально повна система логічних елементів дозволяє побудувати будь-яку складну логічну схему. Такі системи утворюються такими наборами логічних елементів: 1) АБО, НЕ; 2) І, НЕ; 3) НЕ АБО; 4) НЕ І та іншими. У технічно повній системі елементів забезпечується значення електричних параметрів двійкових сигналів, для цього використовуються допоміжні елементи – підсилювачі, повторювачі, формувачі та ін. З урахуванням вищевикладеного можна сказати, що система елементів являє собою функціонально і технічно повний набір елементів, який використовує однакові способи представлення інформації, а також має спільні конструктивно-технологічні характеристики. 2.2. Характеристики логічних елементів Логічні, схемотехнічні й експлуатаційні властивості логічних елементів визначаються сукупністю характеристик і параметрів, до яких відносяться: 1) функції логічних елементів; 2) логічні угоди; 3) коефіцієнти об'єднання за входом і виходом; 4) коефіцієнт розгалуження; 5) швидкодія; 6) потужність споживання; 7) робота перемикання; 8) вхідні й вихідні напруги і струми; 9) статична і динамічна стійкість до перешкод; 10) надійність елементів; 11) допустимі розміри механічних впливів, діапазони тиску і температури навколишнього середовища, стійкість до радіаційних впливів; 12) маса, вартість і конструктивне оформлення. У більшості випадків зазначені характеристики і параметри відносяться і до ІМС, на яких реалізовані логічні елементи. Коефіцієнт об'єднання за входом NI характеризує число логічних входів логічного елемента – зазвичай 1, 2, 3, 4 або 8 (рис.2.6). Коефіцієнт об'єднання за виходом Nо характеризує допустиму кількість з’єднаних між собою виходів логічних елементів з метою утворення нових функцій. Коефіцієнт розгалуження за виходом Nр характеризує навантажувальну спроможність логічного елемента, тобто максимальне число входів ідентичних схем, яке може бути одночасно залучене до виходу даного елемента без порушення його працездатності (рис. 2.7). До складу серій ІМС зазвичай входять елементи з малою навантажувальною спроможністю (Nр = 3...15) та з великою (Nр = 30...50). Рис. 2.6. Приклади значень коефіцієнта NI Рис. 2.7. Підключення навантаження: а – Np = 3; б – Np = 4 20 Прийняті такі визначення і буквені позначення електричних параметрів цифрових мікросхем (ДСТУ 2883-94): вхідні UI і вихідні UO рівні напруг (індекси – від англійських слів Input і Output); вхідні напруги низького UIL і високого UIH рівнів; для них установлені максимальне значення низького рівня UILmax та мінімальне значення високого рівня UIHmin (рис. 2.8, а); вихідні напруги низького UOL і високого UOH рівнів; для них установлені максимальне значення низького рівня UОLmax і мінімальне значення високого рівня UОHmin (рис.2.8,б); вхідний II і вихідний IO струми; вхідний струм IIL – при низькому рівні напруги на вході, IIH – при високому; вихідний струм IOL – при низькому рівні напруги на виході, а IOH – при високому; UCC – значення напруги джерела живлення; IСС – струм, споживаний ІМС від джерела живлення; PСС – потужність, споживана ІМС від джерела живлення; вхідні граничні напруги, при яких відбувається перемикання елемента: UTIH – найменше значення для високого рівня і UTIL – найбільше значення для низького рівня. Рис. 2.8. Позначення рівнів напруги: а – вхідних; б – вихідних Основні параметри логічних елементів визначають за допомогою вхідної, вихідної і передатної характеристик. Типові графіки цих характеристик для інвертувальних елементів транзисторно - транзисторної логіки наведені на рис. 2.9. Вхідна характеристика логічного елемента II = f (UI) – це залежність вхідного струму від зміни вхідної напруги. Струми, що втікають у схему елемента, вважають додатними, а ті, що витікають – від’ємними (рис. 2.9, а). З цієї характеристики визначають вхідні струми IIL для напруги UILmax і струм IIH для напруги. UIHmin. Рис. 2.9. Характеристики логічного транзисторно - транзисторного елемента: а – вхідна; б – вихідна; в – передавальна 21 Вихідна характеристика логічного елемента UO = f (IО) визначає залежність вихідної напруги від струму навантаження для станів високого і низького рівнів (рис. 2.9, б). Із цієї характеристики визначають допустимі значення струмів: IOL – при низькому рівні вихідної напруги UОLmax і IOН – при високому рівні напруги UОНmin (рис. 2.9, б). Передатна характеристика UO = f (UI) – це залежність вихідної напруги від вхідної (рис. 2.9, в). З цієї характеристики визначають значення завадостійкості для низького рівня на вході МL (перешкода, що відкриває) і для високого рівня на вході МН (перешкода, що закриває): ML = UTIL – UILmax; MH = UTHmin – UTIH. Середня споживана потужність P*CC елементом від джерела живлення обчислюється за формулою P*CC = UCC (ICCL+ ICCH) / 2 = UCC I*CC, де ICCL, ICCH – струми споживання при низькому і високому рівнях напруги на виході відповідно; I*CC – середній струм споживання. Сучасні елементи споживають потужність від мікроват до десятків міліватів. Потенціальні сигнали характеризуються значенням логічного перепаду (амплітудою) UM = UH – UL і тривалістю позитивного tWH та негативного tWL перепадів (рис. 2.10). Перепади напруг часто називають позитивними і негативними імпульсами. Рис. 2.10. Вимір параметрів сигналу: а – амплітуди; б, в – тривалості перепадів Для вимірювання часових параметрів сигналу встановлюють умовні рівні в частках від амплітуди – 0,1; 0,5 і 0,9. Швидкодію мікросхем визначають за значеннями таких тривалостей: фронту tLH і спаду tHL (рис. 2.11, а); власне вмикання tTHL і вимикання tTLH (рис. 2.11, б); та їх затримки відповідно tDHL та tDLH; затримок поширення сигналу при вмиканні tPHL і вимиканні tPLH (рис. 2.11, в). Для практичних розрахунків використовують середній час затримки поширення сигналу tР = (tPHL + tPLH) / 2. Рис. 2.11. Вимір часових параметрів сигналів: а – фронту tLH i спаду tHL; б – часу вмикання tTHL і вимикання tTLH; в – часу затримок розповсюдження сигналу при вмиканні tPHL та вимиканні tTLH Для оцінки якості елемента широко використовують узагальнений параметр – роботу перемикання AП = P*CC tP. 22 Якщо потужність P*CC вимірюється в міліватах, а час затримки – в наносекундах, то робота перемикання АП виражається в пікоджоулях (пДж). Значення узагальненого параметра АП знаходиться в границях 0,1–200 пДж. Чим менше значення АП, тим кращі характеристики має логічний елемент. Надійність ІМС характеризується трьома взаємозалежними показниками: 1) інтенсивністю відмов l = n / (mt), де n – число відмов за час випробування, год; m – загальна кількість випробуваних мікросхем; 2) напрацюванням на відмову T = 1/l; 3) можливістю безвідмовної роботи протягом заданого інтервалу часу P = exp (–lt). Для сучасних ІМС інтенсивність відмов l = (10 -7…10-8 ). Прийнявши, що l = 10-8 , t = 15000, одержимо значення ймовірності безвідмовної роботи P(t) = 0,998 або 99,8%
ЕЛЕМЕНТИ КОМП'ЮТЕРНОЇ СХЕМОТЕХНІКИ По типах базових елементів електронних ключів розділяють декілька типів схем, з яких найбільш поширеними є наступні: транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ); логіка з емітерними зв'язками (ЕЗЛ); інжекційна інтегральна логіка (І2Л); структури метал – оксид – напівпровідник р-типу (р-МОН); структури метал – оксид – напівпровідник n-типу (n-МОН); комплементарні МОН- структури (КМОН); динамічні МОН- структури. Більш старі види схемотехніки, такі, як резистивно-транзисторна логіка (РТЛ) і діоднотранзисторна логіка (ДТЛ), зараз практично не застосовуються. Логічні схеми, що виготовляються на різній конструктивно-технологічній основі, значно розрізнюються за своїми характеристиками, навіть якщо вони реалізовують однакові функції. У кожного з вказаних видів схемотехніки є свої переваги. Так, ЕЗЛ відрізняється високою швидкодією, хоч деякі різновиди ТТЛ наближаються до неї по цьому параметру. Як рМОН, так і пМОН логіка широко застосовуються в мікропроцесорах, а КМОН схемотехніка користується перевагою, коли важливе зменшення споживаної потужності. Динамічні МОН-структури використовуються для побудови різних запам'ятовуючих пристроїв; вони мають просту організацію, в якій логічний стан визначається зарядом ємності, внутрішньо властивої логічному елементу. І2Л застосовується в інтегральних схемах. 3.1. Транзисторно-транзисторні логчні елементи Цей вид схемотехніки має, мабуть, найбільше число різновидів, тому що тривалість його використання дозволила виявити багато з властивих йому обмежень та способи їхнього подолання. Схемотехнічно більшість ІС, що входять до складу серій ТТЛ, виконано на основі комбінації двох базових схем: елемента І-НІ (штрих Шеффера) і розширника по АБО. Елемент І-НІ (рис. 3.1) може бути представлений послідовним з'єднанням трьох каскадів: вхідного багатоемітерного транзистора VT1 з резистором R1 і діодами VDo—VDn-i, що реалізують логічну операцію І; фазорозщепителя на транзисторі VT2, резисторі R2 і кола нелінійної корекції R3, R4 та VT3; двотактного вихідного підсилювача на транзисторах VT4 і VT5 , резисторі R5 та діоді VDn. Розширник по АБО (рис. 3.2) по суті повторює перші два каскади елемента І-НІ і містить вхідний багатоемітерний транзистор VT1 з резистором R1 і транзистор VT2 фазорозщепителя. Об'єднання елементів І-НІ і розширника по АБО шляхом з'єднання точок а і б дозволяє одержати ЛЕ, що реалізує послідовність операцій І-АБО-НІ. . . . . . . R1 R2 R5 VDn VT4 VT2 R3 R4 VT5 VT3 VDn-1 VD0 VT1 X0 Xn-1 Y +UП б а . . . . . . R1 VT2 VT1 X0 Xn-1 +UП а б Рис. 3.1. Принципова електрична схема Рис. Принципова електрична ЛЕ І-НІ ТТЛ (штрих Шеффера) схема розширника АБО серії ТТЛ 24 Розглянемо роботу елемента І-НІ (рис. 3.1). Припустимо, що хоча б один вхід елемента Х0,..., Хn-1 безпосередньо підключений до спільної шини, тобто на нього подана напруга лог. «0». У цьому випадку багатоемітерний транзистор VT1 виявляється насиченим струмом, що протікає від джерела живлення через резистор R1. Напруга на його колекторі буде мало відрізнятися від нульової. Тому транзистор VT2 фазорозщепителя виявляється замкненим. Так як емітерний струм транзистора VT2 практично дорівнює нулю, буде замкнений і транзистор VT5. Струм, що протікає через резистор R2, втікає в базу транзистора VT4, насичує його. Тому напруга присутня на виході Y, ЛЕ близька до напруги живлення і визначається виразом 5 КЭVT4 VDn ж вих 1 Uвих U I R U U . Таким чином, при наявності на кожному із входів схеми напруги низького рівня, напруга на його виході буде мати високий рівень. Припустимо тепер, що на усі входи ЛЕ поданий високий рівень напруги. У цьому випадку всі емітерні переходи багатоемітерного транзистора VT1 виявляються замкненими. При цьому його колекторний перехід зміщається в прямому напрямку і по колу резистор R1, колекторний перехід транзистора VT1 та послідовно з'єднаним емітерним переходам транзисторів VT2 і VT5 буде протікати струм. Цей струм наситить транзистори VT2 і VT5, і на виході у ЛЕ установиться низька напруга, чисельно рівна напрузі насичення транзистора VT5 КЭVT5 вих вихVT5 0 вих U U I r Так як транзистор VT2 насичений, то присутня на його колекторі напруга виявляється недостатньою для прямого зсуву двох послідовно включених р-n-переходів (емітерний перехід VT4 і діод VDn). Транзистор VT4 буде замкнений. Таким чином, якщо на усіх входах схеми присутня висока напруга, на виході БЛЕ будемо мати напругу низького рівня. Паралельне з'єднання кількох виходів таких елементів неприпустимо, тому що формування на них сигналів різних рівнів призведе до виходу з строю транзисторів вихідного підсилювача потужності. Для позитивної логіки описаний алгоритм роботи відповідає визначенню операції І-НІ y x0x1xn1 . Виконання вихідного каскаду елемента за двотактною схемою дозволяє одночасно вирішити дві задачі: 1. Підвищити швидкодію елемента. Навантаження БЛЕ, як правило, носить ємнісний характер, і застосування двотактного вихідного каскаду дозволяє збільшити струм перезаряду ємності навантаження; 2. Знизити споживання. У сталому режимі лог. «0» через вихідний каскад протікає тільки струм навантаження. В вхідному колі багатоемітерного транзистора VТ1 включені додаткові діоди VD0–VDn-1, що захищають елемент від появи на його вході неприпустимих напруг зворотної полярності. Бажання зменшити час розсмоктування, що при пасивному вимиканні складає значну частину часу вимикання біполярного транзистора, привело до застосування в БЛЕ діодів і транзисторів Шоткі. Діод Шоткі має істотно меншу граничну напругу відкривання, ніж р-n- перехід транзистора. Тому під час дії вхідного імпульсу діод Шоткі відкривається раніш, ніж колекторний перехід транзистора, запобігаючи нагромадження надлишкового заряду в його базовій області. Нагромадження заряду в самому діоді Шоткі не відбувається, тому що струм цього діода обумовлений переносом основних носіїв заряду. Таким чином включення паралельно колекторному переходу транзистора діода Шоткі при подачі вхідної напруги, автоматично фіксує напругу колектор — база на рівні, близькому до нульового. Транзистор при цьому працює поблизу границі режиму насичення. Робота транзистора з діодом Шоткі в активному режимі приводить до збільшення напруги на його переходах, що трохи знижує споживану елементом потужність і змінює асимптотичні рівні лог. «0» і лог. «1». Дане схемотехнічне рішення реалізоване в різновиді БЛЕ ТТЛ, іменованої ТТЛШ. На рис. 3.3 приведена принципова електрична схема БЛЕ ТТЛШ серії 555. Від схеми стандартного БЛЕ вона відрізняється застосуванням у вихідному двотактному підсилювачі потужності складеного транзистора, що сприяє підвищенню швидкодії, і виконанням вхідного каскаду, що реалізує логічну операцію І. Операція І в даному елементі виконується з використанням діодних ключів на елементах VD1, VD2,...,VD2n-1, VD2n. При подачі на усі вхідні виводи елемента напруги 25 високого рівня, парні діоди VD2,...,VD2n вхідних діодних ключів зміщаються в зворотному напрямку. Тому струм резистора R1 насичує транзистори VT1 і VT5, формуючи на виході елемента сигнал низького рівня. Якщо хоча б на один вхід схеми подана низька напруга, відповідний діод зміщається в прямому напрямку. Струм резистора R1 замикається на загальну шину, минаючи емітерні переходи транзисторів VT1 і VT5. Останні запираються. При цьому струм резистора R2 насичує складений транзистор VT4’, VT4, формуючи на виході напругу високого рівня. +Uж … . R1 VT2 R4 VD1 VD2n-1 VT1 X0 Xn-1 R5 VT4 VT5 R6 Y R2 VD2n+3 VT4’ VD2 VD2n R3 … Рис. 4.10. Принципова електрична схема БЛЕ ТТЛШ серії 555 Рис. 3.3. Принципова електрична схема БЛЕ ТТЛШ серії 555 Завдяки такій побудові, вхідні виводи елемента можуть безпосередньо підключатися до шини джерела живлення, що не рекомендується робити для стандартних елементів ТТЛ. Слід зазначити, що підвищення швидкодії, досягнуте застосуванням у схемі БЛЕ діодів і транзисторів Шоткі, дозволило розробити серію ІС ТТЛ зі зменшеним споживанням при швидкодії, порівнянній зі стандартними елементами. Останнє важливо з погляду підвищення функціональних можливостей ІС. Дійсно, при використанні заданого корпуса, потужність, що може розсіяти одна ІС при заданих параметрах навколишнього середовища, строго задана. Це значить, що задано і та гранична кількість напівпровідникова приладів, що може бути розміщене в даній ІС не залежно від досконалості використовуваної технології їхнього виготовлення. Отже, обмежена і кінцева функціональна складність схеми, що може бути реалізована на цих елементах. Потужність, необхідна для роботи схем ТТЛШ зі зменшеним споживанням, приблизно в 5 разів менше, ніж у стандартної схеми ТТЛ. Тому, якщо дозволяє технологія, у тім же корпусі можна розмістити в 5 разів більше напівпровідникових елементів і значно підвищити складність розробленої ІС і коло розв'язуваних з її допомогою задач. З цієї причини при створенні ВІС і СБІС знаходить практичне застосування тільки даний тип базових схем. Усі ІС ТТЛ, що випускає вітчизняна промисловість у даний момент, можна розділити на наступні групи: стандартні - серія 155; швидкодіючі з діодами Шоткі - серії 530, 531, l531; малопотужні з діодами Шоткі - серії 533, 555, 1533. Елементи всіх цих серій практично виконані за єдиною схемою. Основне розходження даних серій полягає в їхній швидкодії і споживаній потужності. Напруга всіх БЛЕ ТТЛ дорівнює +5В ±5% чи +5В±10% у залежності від типу виконання. 3.2. Логічні елементи емітерно-зв′язної логіки Причиною появи БЛЕ ЕЗЛ стало бажання підвищити швидкодію цифрових пристроїв. Це бажання привело до використання в них зовсім відмінного від ТТЛ схемотехнічного рішення. 26 Основою БЛЕ ЕЗЛ є струмовий ключ, виконаний на двох транзисторах (рис. 3.4). На базу одного з них, наприклад VT2, подана деяка постійна опорна напруга Uоп. Зміна напруги, поданої на вхід Хо нижче або вище Uоп приводить до перерозподілу постійного струму Iе, заданого струмостабілізуючим резистором RЭ, між транзисторами VT1 і VT2. При цьому транзистори не попадають у режим насичення і, отже, у ключі принципово відсутній інтервал розсмоктування їхніх неосновних носіїв. Таким чином, особливістю БЛЕ ЕЗЛ є сталість споживаного струму не залежно від значення вихідного сигналу ключа. Ця особливість вигідно відрізняє БЛЕ ЕЗЛ від БЛЕ ТТЛ, у якому в момент переключення струм, споживаний елементом різко зростає, створюючи внутрішні перешкоди, що погіршують перешкодозахищеність цифрового пристрою. Загальною шиною для елемента є шина +Uж, у результаті чого всі потенціали точок схеми негативні щодо загальної шини. Однак у схемі струмового ключа так само, як і в схемах ТТЛ, реалізований принцип позитивної логіки, при якому більшій вихідній напрузі відповідає сигнал лог. «1», а меншій — сигнал лог. «0». Швидкодія струмового ключа дуже велика, тому що, по-перше, транзистори принципово не заходять в область насичення і, по-друге, малий логічний перепад напруг між значеннями лог. «0» та лог. «1». Останнє реалізовано вибором малих опорів резисторів Rк1 і Rк2 схеми, що дуже корисно з погляду зменшення постійної часу перезаряду вихідної ємності транзистора. З струмового ключа знімаються одночасно два сигнали - прямий й інверсний, зв'язані із сигналом X0 на вході схеми співвідношеннями: Y1 = X0; Y0 = X0 . Вихідна напруга, що знімається з виходів Y1 і Y0 завжди більше Uоп, тому що транзистори VT1 і VT2 завжди працюють у ненасиченому режимі. Тому безпосереднє послідовне включення декількох таких ключів неможливо. Для цього необхідний каскад узгодження. Як такий каскад узгодження використовуються схеми емітерних повторювачів, включених між виходами струмового ключа і виходами елемента. Повна схема БЛЕ, виконаного на основі струмового ключа, приведена на рис. 3.5 (елемент серії 500). Базовий елемент отриманий шляхом заміни вхідного транзистора VT1 струмового ключа групою паралельно включених транзисторів VT1—VTn. Функціонально схему БЛЕ можна розбити на три вузли: струмовий ключ на транзисторах VT1—VTn+1 і резисторі Rn+2; джерело еталонної напруги, що включає параметричний стабілізатор на елементах Rn+4,VD1, VD2, Rn+5 емітерний повторювач на VTn+2 і Rn+3; вихідні емітерні повторювачі на транзисторах VTn+3 і VTn+4.