|
J
|
гическое ИЛИ; дизъюн
|
XIVX2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кция
|
|
Y8
|
1
|
0
|
0
|
0
|
ХЦХ2
|
—
|
Ни XI, ни Х2
|
Логическое ИЛИ — НЕ;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стрелка Пирса
|
XIVX2
|
Y9
|
1
|
0
|
0
|
1
|
Х1-Х2
|
Х1^Х2
|
XI эквивалентно Х2
|
Эквивалентность;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
равнозначность
|
X1-X2VX1-X2
|
Y10
|
1
|
0
|
1
|
0
|
Х2
|
—
|
Не Х2
|
Логическое НЕ; логи
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ческое отрицание;
|
Х2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
инверсия Х2
|
|
Y11
|
1
|
0
|
1
|
1
|
Х2-»Х1
|
—
|
Если Х2, то XI;
|
Импликация
|
X1VX2
|
|
|
|
|
|
|
|
Х2 влечет XI;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Х2 имплицирует XI
|
|
—
|
YI2
|
1
|
I
|
0
|
0
|
XI
|
:—
|
Не XI
|
Логическое НЕ; логи
|
XI
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ческое отрицание;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
инверсия XI
|
—
|
Y13
|
1
|
1
|
0
|
1
|
Х1-»-Х2
|
|
Если XI, то Х2;
|
Импликация
|
XIVX2
|
|
|
|
|
|
|
|
XI влечет Х2;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
XI имплицирует Х2
|
|
|
YI4
|
1
|
1
|
1
|
0
|
Х1/Х2
|
|
XI и Х2 несовместны
|
Логическое И — НЕ;
|
XI • Х2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
штрих Шеффера
|
|
Y15
|
1
|
1
|
1
|
1
|
—
|
_
|
Равно I
|
Константа 1
|
1
|
могут применяться и в тех случаях, когда число переменных больше двух. Ниже приведены более традиционные формы таблиц истинности для логических функций И, И — НЕ, ИЛИ и ИЛИ — НЕ при трех переменных.
Таблица 3.2
Переменная
|
Логическая функция
|
XI
|
X2
|
X3
|
И
|
и — HE
|
ИЛИ
|
ИЛИ — НЕ
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0 .
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
Таким образом, при любом числе переменных значение
функции И равно логической 1 только при равенстве 1 всех переменных;
функции И — НЕ равно логическому 0 только при равенстве 1 всех переменных;
функции ИЛИ равно логическому 0 только при равенстве О
всех переменных*
функции ИЛИ — НЕ равно логической 1 только при равенстве О всех переменных.
Как и в обычной алгебре (алгебре чисел) в алгебре логики существуют теоремы, знание которых значительно облегчает действия с логическими переменными.
Коммутативный закон: Х\-Х2=Х2-Х\
Ассоциативный закон: Х1-(Х2-ХЗ)=(Х\-Х2)-ХЗ Дистрибутивный закон:
XI • (Х2УЛГЗ) =^1 ■X2VXX - ХЗ Правило повторения:
Х-Х=Х
Правило отрицания:
Х=0
, Правило двойного отрицания:
W=X
Правило склеивания:
Х1(Х1 УЛГ2)=ЛГ1 Теорема Моргана:
X2=~XlVX2 Операции с 0 и 1:
X ■ 1=Х
Х.0=0
X\VX2=X2VXl
XIV(X2VX3)^XWX2)VX3
XIVX2-X3= (XIVX2) ■ (XI У*3)
XVX=X
XVT=\
XlVXl-X2=Xl
X\VX2=Xl-X2
XVO^X XVI = 1
5 3.3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ.
БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Цифровые интегральные микросхемы предназначены для обработки и хранения информации, представленной в виде двоичных чисел. Выпускаются ИМС сериями. По принятой системе условное обозначение микросхемы должно состоять из четырех элементов:
первый — цифра, определяющая конструктивно-технологи- ческуй группу (1, 5, 6, 7 — полупроводниковые; 2, 4, 8 — гибридные; 3 — пленочные и пр.);
второй — две или три цифры (от 00 до 999), определяющие порядковый номер серии микросхем. Таким образом, первые два элемента (три-четыре цифры) определяют полный номер серии;
третий — две буквы, определяющие функциональное назначение микросхемы по подгруппе (генераторы — Г, логические элементы — Л, формирователи — А, запоминающие устройства — Р и т. д.) и виду внутри подгруппы (элемент И — И, элемент НЕ — Н, элемент И — НЕ — А и т. д.);
четвертый — условный номер по функциональному признаку в данной серии. Так, например, логические элементы И — НЕ на два и три аргумента должны иметь различные номера.
Приведем пример условного обозначения полупроводниковой микросхемы 155-й серии:
I Л
—И 5 5 Л_А
Условный номер по функциональному признаку Подгруппа и вид по функциональному назначению Порядковый номер серии Конструктивно-технологическая группа Полный номер серии
Перед номером серии могут ставиться дополнительные буквы:
К — микросхема широкого применения, полнбе обозначение становится К561ИР1;
М — керамический корпус, например КМ155ИМЗ.
Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент, на котором могут быть собраны устройства, выполняющие любые логические операции. Обычно в качестве базовых берут элементы, выполняющие операции И — НЕ или ИЛИ — НЕ. Перед детальным анализом элементной базы остановимся на основных электрических параметрах базовых элементов, которые определяют важнейшие характеристики всех интегральных схем, входящих в состав серии. Кроме того, параметры базовых элементов определяют возможность совместной работы микросхем различных серий в составе одного устройства и позволяют определить качественные показатели устройств, собранных на элементах различных серий. К основным параметрам относятся быстродействие,
потребляемая мощность (Р„от), помехоустойчивость (ыПОм), нагрузочная способность, уровни напряжений источника питания, логической единицы и нуля.
Быстродействие определяется динамическими параметрами, среди которых наиболее универсальным является среднее время задержки распространения сигнала:
;3др=0,5(СР+О.-
где — время задержки распространения сигнала при переходе его из состояния логической 1 в состояние логического 0 на выходе микросхемы; р' — время задержки при обратном переходе сигнала (рис. 3.3).
Зная время задержки базового элемента, можно суммированием tзд р рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы для всех последовательно включенных элементов. Если схема имеет цепи обратной связи, то очередной перепад входного напряжения должен начинаться не раньше, чем закончится предыдущее изменение напряжения, поступающего по цепи обратной связи с выхода схемы на ее вход. Эта закономерность связывает время задержки распространения с предельной рабочей частотой, которая является основным динамическим параметром цифровых автоматов:
п
fпр^ 1 /2 ^ ^зд. р.
Логические элементы в процессе работы находятся либо в статическом режиме (в состоянии 1 или 0), либо в динамическом ' (переход из 1 в 0 и обратно). Мощность, потребляемая элементом от источника питания, в каждом состоянии различна. В связи с этим измеряют статическую среднюю мощность: Рср = 0,5(Ри +
-\-Р') (где Рь — мощность, потребляемая элементом в состоянии 0; Р1 — мощность в состоянии 1) — и динамическую мощность Ра, <
определяемую на предельной рабочей частоте. При конструировании цифровых устройств необходимо учитывать, что мощность, потребляемая микросхемами, увеличивается с повышением частоты сигналов.
Помехоустойчивость логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем случайного напряжения, которое может присутствовать на его входе без опасности ложного срабатывания. Статическая помехоустойчивость логического элемента полностью определяется помехоустойчивостью ключа, входящего в состав элемента, и рассматривалась в § 2.5. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы, длительности и амплитуды помехи, а также от скорости переключения и статической по- ’
мехоустойчивости логического элемента.
Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу Краз, определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без
нарушения его работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагрузочной способности ухудшаются другие параметры: уменьшаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность. Поэтому помимо базовых элементов, имеющих необходимую нагрузочную способность, в состав развитых серий включают специальные элементы с повышенным коэффициентом разветвления.
При серийном выпуске микросхем стала необходимой стандартизация напряжения питания. Так, для большинства серий, построенных на биполярных транзисторах, работающих в ключевом режиме (так называемая транзисторно-транзисторная логика — ТТЛ), стандартным напряжением питания является 5 В±5%. Микросхемы на основе КМДП структур могут работать при £„=3...15 В. Микросхемы на биполярных транзисторах, работающих в активном режиме (так называемая эмиттерно-связанная логика — ЭСЛ), работают от источников питания с отрицательным напряжением
Рассмотрим устройство и принцип работы базовых логических элементов наиболее распространенных типов цифровых микросхем.
Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). На
рисунке 3.4, а показана схема логического элемента И — НЕ ТТЛ с простым одно.транзисторным ключом. На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VT1. Принцип действия такого транзистора тот же, что и у обычного биполярного транзистора. Един-
ственное отличие заключается в том, что инжекция носителей заряда в базу осуществляется через несколько самостоятельных эмит- терных р—«-переходов. Модельное представление этой схемы при различных входных сигналах показано на рисунке 3.4, б, в, г. Видно, что логическая единица Uix, поступившая на входы VT\, запирает все эмиттерные переходы. Ток, текущий через резистор /?б, замкнется через открытые р—«-переходы — коллекторный VTI и эмиттерный VT2. Этот ток откроет транзистор VT2, и напряжение на его выходе станет близким к нулю, т. е. Y=U“ых (рис. 3.4, б). Если же на все или хотя бы на один вход VTI будет подан сигнал Uвх (рис. 3.4, в, г), то ток, текущий по Яб, замкнется через открытый эмиттерный переход VT\. При этом входной ток VT2 будет близок к нулю, и выходной транзистор окажется запертым, т. е. Y—Uвых- Таким образом, в рассмотренной схеме осуществляется логическая операция И — НЕ Y=X 1-Х2-ХЗ... Следует отметить, что если входы транзистора VT2 оставить свободными и не подключать к источнику сигнала, то это будет воспринято элементом как наличие логических 1 на его входах. Ток, текущий через Яб, в этом случае откроет VT2, и на его выходе появится сигнал t/вых- Рассмотренная схема базового элемента ТТЛ с простым инвертором находит ограниченное применение только в качестве схемы с открытым коллектором. В этих схемах RK внутри микросхемы отсутствует и нагрузкой ключа является внешний потребитель: элемент индикации (лампочка, светодиод) или исполнительное устройство (электромагнит, реле и пр.).
Ограниченное применение схем с простым ключом вызвано их недостатками, описанными в § 2.5. Там же рассматривалась схема сложного инвертирующего ключа (см. рис. 2.31). Многоэмиттерный транзистор и сложный инвертирующий ключ и составили схему базового логического элемента И — НЕ ТТЛ. Эта схема (рис. 3.5) состоит из следующих каскадов: входного многоэмиттерного транзистора VT 1, выполняющего логическую операцию И; управляющего транзистора VT2 и двухтактного инвертирующего выходного кас-
/=Х/Х2АЗ
к ада на VT3 и VT4. При этом транзистор VT4 рассчитан на большой рабочий ток, так как через него стекают на землю входные токи многоэмиттерных транзисторов следующих логических элементов. (При совместной работе нескольких логических элементов входы управляемых микросхем служат нагрузкой для управляющего элемента, как это показано на рис. 3.4, б, в, где управляющая микросхема изображена в виде переключателя.)
Базовый элемент на КМДП структурах. Структура из двух комплементарных МДП-транзисторов, являющаяся идеальным переключателем напряжения (см. рис. 2.32), положена в основу базовых элементов И — НЕ (рис. 3.6, а) и ИЛИ — НЕ (рис. 3.6, б). Как видно из этих схем, для реализации функции И — НЕ используется параллельное включение транзисторов p-типа и последовательное (каскадное) включение транзисторов n-типа. При этом каждый входной сигнал подается на пару транзисторов с каналами различной проводимости. Так, переменная XI поступает на транзисторы VT 1 и VT4, Х2 на VT2 и VT5, ХЗ на VT3 и VT6. При поступлении на все входы сигналов логической единицы Xl=X2=X3=Ulx закроются все транзисторы p-типа (VTI, VT3) и откроются транзисторы с каналом и-типа (VT4, ..., VT6). В результате выход элемента соединится с общим проводом и выходное напряжение станет равно t/вых- Если же напряжение хотя бы на одном из входов, например
останется низкого уровня, то закроется я-канальный транзистор VTA и откроется р-канальный транзистор VT1, через который выход элемента подключится к источнику питания. Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической единице.
Для реализации базового элемента ИЛИ — НЕ (рис. 3.6, б) необходимо поменять местами параллельные и последовательные участ
ки схемы и заменить в каждой группе (параллельной и последовательной) транзисторы с каналами одного типа на транзисторы с каналами противоположного типа проводимости.
Прочие типы базовых элементов. Микросхемы, выполненные по ТТЛ и КМДП технологии, обладают хорошими эксплуатационными показателями и поэтому получили наиболее широкое распространение. Однако в настоящее время применяют и другие типы микросхем. Например, там, где требуется повышенное быстродействие, находят применение микросхемы, выполненные по ЭСЛ технологии. Это микросхемы на п—р—n-транзисторах с общим проводом, соединенным с коллекторными цепями. Большое быстродействие достигается за счет работы транзисторов в активном режиме без перехода в режим насыщения. Однако работа в активном режиме приводит к резкому уменьшению помехоустойчивости и значительному увеличению потребляемой мощности.
Перспективным направлением, улучшающим свойства ТТЛ микросхем, является введение в них диодов Шоттки, имеющих структуру металл—полупроводник. Эти диоды шунтируют коллекторные переходы ключевых транзисторов, предотвращая их насыщение. Благодаря этому время задержки распространения сигнала уменьшается почти в три раза. ИМС с диодами Шоттки сейчас повсеместно вытесняют микросхемы, выполненные по обычной ТТЛ технологии.
Еще более перспективным является использование технологии
Таблица 3.3
Параметр
|
ТТЛ
|
ТТЛ с диодами Шоттки
|
КМДП
|
ЭСЛ
|
и2л
|
Задержка распространения, НС
|
10...30
|
3...20
|
15...50
|
0,5...2
|
5
|
Предельная частота сигналов, МГц
|
15
|
50
|
1...5
|
300
|
30
|
Потребляемая мощность, мВт
|
10
|
2...20
|
0,001
|
25...40
|
0,2
|
Статическая помехоустойчивость, В
|
0,4
|
0,4
|
0,ЗЕ„
|
0,125
|
|
Коэффициент разветвления
|
10
|
10
|
50
|
10
|
3
|
Напряжение питания, £„, В
|
5±5%
|
5±5%
|
3...15
|
-5,2+5%
|
около +1
|
Уровень логического 0, В
|
0,4
|
0,5
|
<0,1
|
— 1,65
|
|
Уровень логической 1, В
|
2,4
|
2,7
|
~£„
|
—0,96
|
|
Максимальный выходной ток, мА
|
16
|
20
|
0,5
|
40
|
_
|
Площадь, занимаемая элементом,
1СГ3 мм2
|
У
12...38
|
|
6...19
|
12...31
|
2,5...3,7
|
Наиболее распространенные серии
|
К155,
|
К555,
|
К176
|
К500,
|
|
|
К131
|
К531
|
К561
|
кюо
|
|
интегральной инжекционной логики — И2Л. Базовый элемент этой логики содержит два биполярных транзистора различной структуры (п—р—п и р—п—р) и диоды Шоттки. Такие элементы при очень малой потребляемой мощности обладают достаточно высоким быстродействием. Кроме того, этот элемент занимает на кристалле очень маленькую площадь, что позволяет создавать микросхемы высокой степени интеграции.
В заключение параграфа приведем таблицу основных параметров базовых логических двухвходовых элементов широко распространенных и перспективных типов (см. табл. 3.3).
§ 3.4. ЭЛЕМЕНТЫ КОМБИНАЦИОННОЙ ЛОГИКИ
Логический элемент — это электронное устройство, реализующее одну из логических операций. Если значение функции на выходе элемента однозначно определяется комбинацией входных переменных в данный момент времени, то элемент относится к комбинационной логике. Хотя любое цифровое устройство и может быть построено из логических элементов одного типа, например И — НЕ либо ИЛИ — НЕ, на практике редко ограничиваются одним типом элементов. Промышленность выпускает развитые серии интегральных микросхем с большим числом логических элементов. Самая большая по составу отечественная серия — это К155, в которую входит более 150 микросхем, в том числе около 50 схем логических элементов различного функционального назначения.
На принципиальной схеме логический элемент изображают прямоугольником, внутри которого ставится изображение указателя функции. Обычно линии с левой стороны прямоугольника показывают входы, с правой — выходы элемента. Если какой-либо вход обозначен окружностью (рис. 3.7, е, з), то это значит, что функция выполняется для сигнала низкого уровня (отрицательная логика). Если окружностью обозначен выход, то элемент производит логическое отрицание (инверсию) результата операции, указанной внутри прямоугольника.
На рисунке 3.7 изображены основные логические элементы, используемые в цифровых устройствах: элемент НЕ (рис. 3.7, а) У=Х; элемент И (рис. 3.7, б) Y=X1-X2; элемент ИЛИ (рис. 3.7, в) Y=X1 VX2;
элемент И — НЕ ^рис. 3.7, д) Y=X1 -Х2, эквивалентный элементу ИЛИ — НЕ (рис. 3.7, е) для сигналов низкого уровня (отрицательная логика), так как Y=X1 -Х2=Х1УХ2;
элемент ИЛИ — НЕ (рис. 3.7, ж) Y=X1VX2, эквивалентный элементу И — НЕ (рис. 3.7, з) для сигналов низкого уровня, так как Y=X1VX2=X1-X2;
сумматор по модулю 2 (рис. 3.7, г) Y=X1©X2; элемент И — ИЛИ — НЕ (рис. 3.7, к) Y=X1-X2VX3-X4; элемент И — НЕ с четырьмя входами (рис. 3.7, л) Y=X1-X2X ХХЗ-Х4.
&
|
Y
|
Х1_
|
1
|
Y
|
Х1_
|
= /
|
У
|
|
|
Х2_
|
|
|
Х2_
|
|
|
х±
Х2
Х1_
Х2
Do'stlaringiz bilan baham: |
