Компьютерная схемотехника (стр. 9 из 32)
А Б
В
Рисунок 5.3
Элемент “неравнозначность” иначе называют сумматором по модулю два: сумма двоичных цифр дает единицу, если одна из них единица, а другая – нуль; в противном случае, если обе цифры 0 или 1, то сумма равна нулю.
5.2.3 Реализация элемента “Запрет”
На выходе такого элемента должна быть логическая 1, если на основном входе присутствует логическая единица, а на запрещающем входе – логический нуль.
Булево выражение логической функции рассматриваемого элемента имеет вид
.(5.7)
Выражение (5.7) может быть легко реализовано в базисе И, ИЛИ, НЕ.
Применяя теорему де Моргана и тождества булевой алгебры, преобразуем выражение (5.7) к виду, позволяющему реализовать функцию “запрет” в базисе И-НЕ (5.8) и ИЛИ-НЕ (5.9).
,(5.8)
.(5.9)
Ниже показаны функциональные схемы элемента “запрет” на ЛЭ базисов И, ИЛИ, НЕ (рисунок 5.4, а); И-НЕ (рисунок 5.4, б) и ИЛИ-НЕ (рисунок 5.4, в).
Рисунок 5.4
5.2.4 Реализация многобуквенных логических функций на элементах с небольшим количеством входов
Иногда на практике возникает задача реализовать логическую функцию большого числа логических переменных (многобуквенную функцию) на элементах с небольшим количеством входов. В качестве примера на рисунке 5.5 показана функциональная схема, реализующая логическую функцию
(5.10)
на двухвходовых элементах И-НЕ.
Рисунок 5.5
6.ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ (ИМС)
Цифровая микросхема как функциональный узел характеризуется набором сигналов, которые можно разделить на информационные (Х1, Х2, ..., Хn– входные, Y1, Y1, ..., Ym – выходные) и управляющие (V1, V2, ..., Vk). Каждая конкретная ИМС в соответствии со своим функциональным назначением выполняет определенные операции над входными сигналами (переменными), а выходные сигналы представляют собой результат этих операций Yj = F(Х1,Х2, ... ,Хn). Операторами F могут быть как простейшие логические преобразования, например, И, ИЛИ, НЕ, и т. д., так и сложные многофункциональные преобразования, имеющие место, например, в микропроцессорах, БИС памяти и др.
Сигналы управления определяют вид операции, режим работы ИМС, обеспечивают синхронизацию, установку начального состояния, стробируют входные и выходные сигналы, задают адрес, и т. д.
От функциональной сложности ИМС зависит и система ее электрических параметров, которые в общем случае могут иметь десятки наименований, причем многие из параметров характерны только для ИМС какого-либо одного класса. Поэтому ниже рассмотрим те параметры и характеристики, которые характеризуют большинство микросхем. В дальнейшем при изучении отдельных устройств этот перечень по мере необходимости будет расширен.
6.1 Коэффициент объединения по входу (Коб)
Равен числу входов логического элемента. На них поступают логические переменные, над которыми данный элемент выполняет логическую операцию. Коб ограничивает наибольшее число переменных функции, которую реализует данный ЛЭ. При недостаточном количестве входов вместо одного приходится использовать несколько элементов, соединяя их определенным образом (5.2.4).
6.2 Коэффициент разветвления по выходу (Краз)
Численно равен количеству входов аналогичных элементов, которыми можно одновременно нагрузить выход данного элемента без искажения передачи информации. Этот коэффициент характеризует нагрузочную способность элемента и определяется выполнением его выходного каскада. Для различных элементов составляет от нескольких единиц до нескольких десятков.
6.3 Статические характеристики
К статическим характеристикам относятся: входная ВАХ, определяющая зависимость входного тока от входного напряжения; выходная ВАХ, показывающая связь между выходным напряжением и током; передаточная, которая определяет зависимость выходного напряжения от входного [3].
На рисунке 6.1 приведена типовая передаточная характеристика инвертора ТТЛ - типа. С ее помощью можно определить ряд параметров ЛЭ, например, уровни напряжений логической единицы (U1), логического нуля (U0), значения пороговых напряжений, при которых выходной сигнал переключается из 1 в 0 (U0пор) и наоборот из 0 в 1 (U1пор), оценить помехоустойчивость элемента.
Рисунок 6.1
Оценивается наибольшим напряжением статической помехи Uпом, действующей на входе, которое не вызывает ложного переключения элемента из 1 в 0, или наоборот.
Статическими принято называть помехи, величина которых остается постоянной в течение времени, значительно превышающего длительность переходных процессов в схеме. Причиной появления таких помех в большинстве случаев является падение напряжения на проводниках, соединяющих микросхемы в устройстве. Наиболее опасные помехи возникают в шинах питания. Падения напряжения на “земляной” шине, разные для различных ИМС, будут суммироваться с входными сигналами и могут приводить к сбоям. Для исключения подобных ситуаций необходимо внимательно относиться к расположению проводников, подводящих напряжение питания, и увеличивать по возможности их сечение.
Помехоустойчивость можно оценить по передаточной характеристике элемента (рисунок 6.1), определив значения U0помиU1пом.
6.5 Динамические характеристики и параметры
Характеризуют быстродействие логических элементов.
На рисунке 6.2 изображено изменение выходного напряжения во времени при переключении из 1 в 0 и наоборот.
Рисунок 6.2
По этой характеристике определяется время перехода элемента из состояния единицы в нуль t1,0 и перехода в обратное состояние t0,1. Эти временные интервалы измеряются на уровнях 0,1 и 0,9 от перепада выходного напряжения при переключении элемента (ΔU = (U1вых – U0вых)) (при этом емкость нагрузки должна соответствовать заданной).
Часто быстродействие оценивается временами задержки распространения сигнала при включении t0,1зд.р. и выключении t1,0зд.р. ,а также средним временем задержки распространения tзд.р.ср (определяется как полусумма задержек при включении и выключении). Эти параметры измеряются на уровнях 0,5 от перепадов входного и выходного сигналов (рисунок 6.3).
Рисунок 6.3
6.6 Вид реализуемой логической функции
Выше, при изложении курса, были рассмотрены основные логические элементы, выполняющие различные функции: И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ; ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ; И-ИЛИ-НЕ; ПОВТОРЕНИЕ (усиление цифрового сигнала) и др.
6.7 Потребляемые токи и мощность
К основным параметрам часто также относят токи, потребляемые цифровой ИМС для двух её состояний: I1пот, I0пот, и потребляемую мощность Рпот.
Рпотпредставляет собой мощность, потребляемую микросхемой от источника питания в заданном режиме. Различают Р1потиР0пот, потребляемые ИМС в состояниях логических 1 и 0, а также среднюю потребляемую мощность
Рпот.ср = 0,5*( Р1пот + Р0пот).(6.1)
6.8 Входные и выходные токи, напряжения
I0вх – предельный входной ток при сигнале 0 на входе;
I1вх – предельный входной ток при сигнале 1 на входе;
U1вых – минимальное выходное напряжение при логической 1 на выходе при заданном токе нагрузки;
U0вых – максимальное выходное напряжение при сигнале 0 на выходе при заданном токе нагрузки;
I0вых max – максимальный выходной ток при логическом нуле на выходе;
I1вых max – максимальный выходной ток при логической единице на выходе.
Входное напряжение, при котором происходит резкое изменение выходного напряжения, называется порогом переключения Uпор. Амплитудная передаточная характеристика реального логического элемента в переходной области (штриховая линия) не имеет явно выраженного порога переключения (рисунок 6.1). Изменение выходного напряжения начинается при одном значении входного напряжения U0пор, а заканчивается при другом U1пор. Характеристика имеет зону неопределенности ΔUпор=U1пор-U0пор, что вызвано, в частности, переходом транзистора из режима отсечки в режим насыщения и наоборот.