Что относится к цифровым устройствам

Цифровое устройство

Цифровое устройство

Физически цифровое устройство может быть выполнено на различной элементной базе: электромеханической (на электромагнитных реле), электронной (на диодах и транзисторах), микроэлектронной (на микросхемах), оптической.

В последнее время, ввиду достижений микро- и наноэлектроники, широкое распространение получили цифровые устройства на микроэлектронной элементной базе.

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Цифровое устройство» в других словарях:

цифровое устройство — [Интент] Тематики автоматизация, основные понятия EN digitaldigital apparatusdigital devicedigital machinedigital unitnumeric device … Справочник технического переводчика

цифровое устройство ввода данных — цифровое устройство ввода Устройство ввода данных, в котором используется преобразование данных в цифровой сигнал. [ГОСТ 17657 79 ] Тематики передача данных Обобщающие термины основные устройства и аппаратура передачи данных Синонимы цифровое… … Справочник технического переводчика

цифровое устройство вывода данных — цифровое устройство вывода Устройство вывода данных, в котором используется их восстановление по цифровому сигналу данных. [ГОСТ 17657 79 ] Тематики передача данных Обобщающие термины основные устройства и аппаратура передачи данных Синонимы… … Справочник технического переводчика

цифровое устройство защиты сигнала данных от ошибок — цифровое УЗО Устройство защиты сигнала данных от ошибок, предназначенное для работы с цифровым сигналом данных. [ГОСТ 17657 79 ] Тематики передача данных Обобщающие термины основные устройства и аппаратура передачи данных Синонимы цифровое УЗО EN … Справочник технического переводчика

цифровое устройство преобразования сигнала данных — цифровое УПС Устройство преобразования сигнала данных, предназначенное для работы с цифровым сигналом данных. [ГОСТ 17657 79 ] Тематики передача данных Обобщающие термины основные устройства и аппаратура передачи данных Синонимы цифровое УПС EN… … Справочник технического переводчика

цифровое устройство (для) записи на (магнитную) ленту — — [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993] Тематики информационные технологии в целом EN digital tape recorderDTR … Справочник технического переводчика

цифровое устройство вывода (данных) — цифровые выходные данные — [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993] Тематики информационные технологии в целом Синонимы цифровые выходные данные EN digital outputDO … Справочник технического переводчика

цифровое устройство для обеспечения межсетевого взаимодействия — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN digital interworking unit … Справочник технического переводчика

цифровое устройство защиты — [Интент] Тематики релейная защита EN numerical protection device … Справочник технического переводчика

цифровое устройство обработки информации — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN digital data processing unitDDPU … Справочник технического переводчика

Источник

Что относится к цифровой технике?

Современная офисная техника позволяет сделать работу сотрудников коммерческого подразделения более лёгкой и эффективной. Кроме того, цифровая техника обеспечивает защиту коммерческой информации и материальных ценностей.

К цифровой техники можно отнести:

Сотрудникам офиса коммерческой компании приходится заниматься обработкой большого количества как бумажной, так и электронной документации. Разумеется, персональный компьютер является основным устройством, предназначенным для обработки данных, однако, он способен решить далеко не все производственные задачи. Офисная техника должна выполнять такую работу, как размножение, уничтожение и обрезка документации, ламинирование, сканирование и печать отчётов. Кроме того, информация должна передаваться по различным линиям связи.

Практически в каждом офисе можно встретить такую оргтехнику, как принтер (струйный либо лазерный). Принтер – это незаменимое устройство, позволяющее перенести цифровые данные на бумажный носитель. Полиграфические предприятия, занимающиеся печатью рекламных материалов, используют широкоформатные плоттеры.

Для записи деловых писем либо фиксации хода конференции многие современные руководители используют диктофоны цифровые, обладающие встроенной памятью. Эти устройства могут подключаться к компьютеру для обработки и передачи записанных данных. Дополнительными функциями диктофонов являются автостоп, автореверс, счётчик, активация записи по наличию голоса и т.п. Качество полученной записи зависит не только от характеристик самого аппарата, но и от способа кодирования сигнала.

Для получения дубликатов текстов и изображений используется копировальная машина. Выбирать данное устройство следует, исходя из предполагаемой частоты использования и количества копий материалов. Большой популярностью в офисах многих компаний пользуется факс – этот агрегат будет особенно полезен организациям, сотрудники которых часто рассылают коммерческие предложения.

Сохранность коммерческой документации и материальных ценностей является одной из наиболее важных задач, возлагаемых на руководителя предприятия. Обеспечить безопасность помогут GSM-системы, позволяющие выявить наличие возгорания, незаконное проникновение либо иную нештатную ситуацию.

Не следует также забывать о компьютерной безопасности – в противном случае конкуренты могут попытаться похитить ценную информацию (клиентские базы, отчётности и прочую документацию), хранящуюся в электронном виде. Своевременное обновление установленного ПО и антивирусных систем позволит избежать многих неприятностей.

Источник

Цифровые устройства. Учебник для колледжей

Рассматриваются: элементная база цифровой микроэлектроники, принципы синтеза и анализа работы цифровых устройств на логических элементах, цифровые устройства комбинационного (дешифраторы, сумматоры и прочие) и последовательностного (триггеры, регистры, счетчики, ЗУ) типа с большим количеством примеров работы конкретных микросхем.Для студентов любых технических специальностей, где изучается аппаратура цифровой микроэлектроники.Автор рекомендует использовать формат fb2 и читалку CoolReader.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Цифровые устройства. Учебник для колледжей предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Раздел 1. Логические элементы

1.1. Общие сведения о цифровых сигналах и цифровых устройствах

В современных цифровых устройствах (ЦУ) мы имеем дело лишь с двумя видами сигналов: логического 0 и логической 1. Эти цифровые сигналы обычно представляются в потенциальной форме с положительной логикой сигналов, когда сигналу логического 0 соответствует положительное постоянное напряжение низкого уровня, а сигналу логической 1 — положительное постоянное напряжение более высокого уровня. Например, для микросхем серии КР1533 сигналу логического нуля соответствует напряжение не более +0,8 В, а сигналу логической 1 — напряжение не менее +2 В. В дальнейшем никогда не следует забывать о физическом смысле цифровых сигналов логического 0 и логической 1: это постоянное напряжение разной величины!

Любая информация в ЦУ может быть представлена совокупностью определенного количества сигналов логического 0 и логической 1 в двух формах:

— Последовательной, когда в одной цепи идет последовательное чередование сигналов через равные тактовые временные интервалы Т. Например так, как показано на рис. 1.1.

— Параллельной, когда в разных нескольких цепях одновременно действуют соответствующие сигналы, причем каждый сигнал в своей цепи.

Такая комбинация цифровых сигналов, несущая какую-либо информацию, называется кодовым словом или просто кодом. В англоязычной литературе она называется просто словом (word). Таким образом, изображенные на рис.1.1а и рис.1.1b совокупности сигналов представляют собой кодовые слова 01001011 и 01010111. Именно так выражаются буквы К и W английского алфавита в коде КОИ-8 (KOI-8). С помощью кодовых слов можно представить не только буквы, но и другие знаки, а также рисунки (в том числе схемы и диаграммы), звуковую информацию (речь, музыку), телевизионные изображения и т. д.

Устройства, предназначенные для передачи, приема и обработки цифровой информации (то есть информации, выраженной кодовыми словами), называются цифровыми устройствами.

По способу функционирования ЦУ могут быть двух видов:

— Комбинационные ЦУ, не обладающие памятью (т.е. не способные запоминать результаты выполненных операций). Здесь значения сигналов на выходах (выходное кодовое слово) определяются только совокупностью сигналов на входах (входным кодовым словом) в данный момент времени.

— Последовательностные ЦУ (устройства с памятью), способные запоминать результаты выполненных операций и хранить эту информацию на своих выходах в виде кодовых слов. У них значение выходного кодового слова определяется не только входным кодовым словом в данный момент времени, но и хранившимся на выходах кодовым словом в предыдущий момент времени.

1.2. Общие сведения о логических элементах

Любые узлы цифровой аппаратуры строятся с помощью устройств, которые называются логическими элементами (ЛЭ). В основном применяются лишь 5 ЛЭ, общие сведения о которых приведены в табл.1.1.

П р и м е ч а н и е. В колонке «Условное графическое изображение элемента» приведены два рисунка каждого элемента: вверху — в соответствии с «восточным» стандартом, внизу красным цветом — в соответствии с «западным» стандартом (см. Введение).

Входы элементов всегда изображаются слева. Сигналы, которые подаются на входы, называются логическими переменными или логическими аргументами и обозначаются обычно буквами «Х» с нумерацией: Х₁, Х₂, Х₃ и т. д.

Выходы элементов всегда изображаются справа. Сигналы, которые формируются на выходах, называются логическими функциями и обозначаются обычно буквами «Y» или f (X).

В соответствии с «восточным» стандартом ЛЭ и любые другие устройства цифровой микроэлектроники поворачивать нельзя, по «западному» стандарту — можно.

ЛЭ выполняет указанную в табл.1.1 соответствующую операцию со входными сигналами, а результат выполненной операции формируется на его выходе.

Элементы НЕ всегда имеют только один вход.

Элементы И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ могут иметь не только два (как показано в табл.1.1), но и три, и четыре входа (иногда даже больше — до 8). Соответственно элементы при этом будут выполнять операции с двумя, тремя, четырьмя и более входными сигналами (смотрите тему 1.5).

Элементы ИЛИ в основном (но не всегда!) имеют лишь два входа. Если требуется выполнить логическое сложение трех и более сигналов, то используются несколько элементов ИЛИ с двумя входами.

С настоящего момента следует иметь в виду, что результат логического сложения сигналов 1 \/ 1 = 1 отличается от результата арифметического сложения тех же сигналов 1 + 1 = 2. Поэтому не следует путать эти две разновидности операции сложения.

Элементы, которые имеют два или более входа, в название элемента должны включать цифру, которая указывает на количество входов, например: элемент 2И (элемент И с двумя входами), элемент 3ИЛИ-НЕ (элемент ИЛИ-НЕ с тремя входами) и т. д.

Смысл названий элементов заключается в следующем:

— Элемент НЕ. На выходе элемента формируется НЕ такой сигнал, какой подается на вход.

— Элемент И. На выходе элемента формируется сигнал логической 1 только тогда, когда сигналы логической 1 поступают И на первый, И на второй, И на все остальные входы.

— Элемент ИЛИ. На выходе элемента формируется сигнал логической 1, когда сигнал 1 поступает ИЛИ на первый вход, ИЛИ на второй вход, ИЛИ на любой другой вход, ИЛИ на несколько входов одновременно.

— Элемент И-НЕ сначала выполняет логическое умножение (операцию И) входных сигналов, а затем полученный результат инвертирует (делает операцию НЕ). Структура элемента 2И-НЕ приведена на рис.1.2а.

— Элемент ИЛИ-НЕ сначала выполняет логическое сложение (операцию ИЛИ) входных сигналов, а затем полученный результат инвертирует (делает операцию НЕ). Структура элемента 2ИЛИ-НЕ приведена на рис.1.2b.

Таблица, полностью описывающая работу логического элемента или любого другого ЦУ, называется таблицей истинности: здесь показываются все возможные комбинации сигналов, которые могут поступать на входы, и что при этом получается на выходах. Ни в коем случае не следует заучивать наизусть таблицы истинности логических элементов, нужно только понять смысл выполняемой элементом операции!

Пример 1. Составим таблицу истинности элемента 3ИЛИ-НЕ (табл.1.2):

В технической и справочной литературе таблицы истинности могут иметь несколько иной вид. Вместо сигналов логического 0 и логической 1 могут стоять знаки:

— логический 0: Н (низкий) или L (low — низкий) уровень напряжения;

— логическая 1: В (высокий) или Н (high — высокий) уровень напряжения.

Например, таблица истинности этого же элемента 3ИЛИ-НЕ может выглядеть следующим образом (табл.1.3).

Изучением внутреннего устройства элементов мы здесь заниматься не будем, т.к. это представляет практический интерес лишь для разработчиков этих элементов. Нам достаточно знать только следующее:

— что все элементы построены на прекрасно знакомых любому учащемуся компонентах (резисторах, транзисторах, диодах и т.д.) по интегральной технологии;

— какие транзисторы использованы для построения интересующего нас элемента и по какой схеме они включены (см. тему 1.4).

Если все-таки появится необходимость ознакомиться с внутренней структурой какого-либо элемента, то следует обратиться к соответствующей справочной или учебной литературе.

Цифровые устройства, построенные с помощью логических элементов, могут работать в двух режимах:

— статическом, когда сигналы на входах и выходах элементов удерживаются неизменными достаточно длительное время;

— динамическом, когда сигналы на входах и выходах элементов меняются (частота изменения достигает порядка ГГц в современных устройствах) в процессе работы.

Контроль работы ЦУ, работающих в статическом режиме, производится очень просто путем измерения уровней напряжения на входах и выходах элементов обычными электронными вольтметрами (можно и осциллографами). А вот контроль работы ЦУ, работающих в динамическом режиме, можно производить только с помощью осциллографов, сравнивая полученные осциллограммы с эталонными временными диаграммами.

В цифровой технике временной диаграммой является график зависимости значений сигнала на входе или на выходе элемента или устройства (напомним, что любое значение сигнала — это постоянное напряжение) от времени.

После окончания изучения данной темы учащиеся должны показать знание основных логических элементов: их название, условное графическое изображение, выполняемые операции и их символическую запись; уметь определять в статическом режиме значения сигналов на выходах логических элементов в схемах ЦУ при наличии определенных сигналов на входах; уметь чертить временные диаграммы, описывающие работу ЦУ в динамическом режиме.

Пример 2: Дана схема ЦУ, построенная на логических элементах (рис.1.3).

1. Указать названия всех элементов, и какие операции они выполняют.

2. Исследовать работу схемы в статическом режиме: по заданным (рис.1.3) значениям сигналов на входах ЦУ определить значения сигналов на входах и выходах всех элементов.

3. Проанализировать работу схемы в динамическом режиме: построить временные диаграммы для всех элементов при заданных (рис.1.4) изменениях входных сигналов. Для некоторого упрощения уровень логического нуля примем равным точно 0.

1. Названия элементов и выполняемые операции (номер каждого элемента стоит над его изображением в схеме):

1,3 — элементы НЕ, выполняют операцию логического отрицания (инвертирование).

4 — элемент 2И, выполняет операцию логического умножения.

8 — элемент 3И, выполняет операцию логического умножения.

6,7 — элементы 2ИЛИ, выполняют операцию логического сложения.

2,9 — элементы 2И-НЕ, выполняют операцию логического умножения с последующим инвертированием полученного результата.

5 — элемент 3И-НЕ, выполняет операцию логического умножения с последующим инвертированием полученного результата.

10 — элементы 2ИЛИ-НЕ, выполняет операцию логического сложения с последующим инвертированием полученного результата.

2. Исследование работы схемы в статическом режиме. Значения сигналов на выходах всех элементов показаны на рис.1.5.

Рассмотрим более подробно происходящие процессы.

Со входов Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ указанные в задании сигналы (рис.3) поступают на входы элементов (на какие элементы — указано красными стрелками на рис.1.5).

а) Сначала срабатывают элементы 1, 2 и 3, стоящие в 1-й колонке:

— Элемент 1 инвертирует поступающий на его вход сигнал 0 и на выходе формирует сигнал 1, который далее проходит на вход элемента 4 (прохождение сигнала указано синей стрелкой).

— Элемент 2 выполняет операцию И-НЕ: сначала умножает поступающие на его входы сигналы 0 и 0, а затем полученный результат инвертирует. В результате на выходе элемента формируется сигнал 1, который далее проходит (синяя стрелка) на вход элемента 5.

— Элемент 3 инвертирует поступающий на его вход сигнал 1 и на выходе формирует сигнал 0, который далее проходит (синие стрелки) на входы элементов 7, 8 и 9.

б) На следующем этапе срабатывают элементы 4 и 5, стоящие во 2-й колонке:

— Элемент 4 выполняет умножение поступающих на его входы сигналов 1 и 1. В результате на выходе элемента формируется сигнал 1, который далее проходит (зеленая стрелка) на вход элемента 6.

— Элемент 5 выполняет операцию И-НЕ: сначала умножает поступающие на его входы три сигнала 1, 1 и 1, а затем полученный результат инвертирует. В результате на выходе элемента формируется сигнал 0, который далее проходит (зеленые стрелки) на входы элементов 6 и 7.

в) Далее срабатывают элементы 6 и 7, стоящие в 3-й колонке:

— Элемент 6 выполняет логическое сложение поступающих на его входы сигналов 1 и 0. В результате на выходе элемента формируется сигнал 1, который далее проходит (желтая стрелка) на вход элемента 8.

— Элемент 7 выполняет логическое сложение поступающих на его входы сигналов 0 и 0. В результате на выходе элемента формируется сигнал 0, который далее проходит (желтые стрелки) на входы элементов 8 и 9.

г) Затем срабатывают элементы 8 и 9, стоящие в 4-й колонке:

— Элемент 8 выполняет умножение поступающих на его входы трех сигналов 1, 0 и 0. В результате на выходе элемента формируется сигнал 0, который далее проходит (розовая стрелка) на вход элемента 10.

— Элемент 9 выполняет операцию И-НЕ: сначала умножает поступающие на его входы сигналы 0 и 0, а затем полученный результат инвертирует. В результате на выходе элемента формируется сигнал 1, который далее проходит (розовая стрелка) на вход элемента 10.

д) В конце срабатывает элемент 10, который выполняет операцию ИЛИ-НЕ: сначала делает логическое сложение поступающих на его входы сигналов 0 и 1, а затем полученный результат инвертирует. В результате на выходе элемента формируется сигнал 0, который проходит на выход схемы Y.

3. Анализ работы схемы в динамическом режиме.

а) Сначала определим, как меняются сигналы на выходе элемента 1 (рис.1.6а). На вход этого элемента сигналы поступают со входа X₁ (показано красным цветом на рис.1.6а), которые меняются следующим образом: в первом такте — 0, во втором — 1, в третьем — 0, в четвертом — 0. Элемент 1 — это элемент НЕ, который инвертирует данные поступающие сигналы и на своем выходе Y₁ формирует последовательность 1011 (на рис.1.6а показано синим цветом).

б) Теперь рассмотрим изменение сигналов на выходе элемента 2 (рис.1.6b). На оба входа этого элемента поступают сигналы со входа X₃ (показано красным цветом на рис.1.6b), которые меняются так: в первом такте — 11, во втором — 00, в третьем — 11, в четвертом — 00. Элемент 2 — это элемент 2И-НЕ, который выполняет умножение данных поступающих сигналов с последующим инвертированием полученных результатов и на своем выходе Y₂ формирует последовательность 0101 (на рис.1.6b показано синим цветом).

По полученным результатам можно сделать еще один важный вывод: элементы И-НЕ (а также элементы ИЛИ-НЕ) с объединенными входами выполняют функцию элемента НЕ, т.е. производят инвертирование поступающих сигналов.

в) Далее проанализируем изменение сигналов на выходе элемента 3 (рис.1.7a). На вход этого элемента сигналы поступают со входа X₄ (показано красным цветом на рис.1.7a), которые меняются следующим образом: в первом такте — 0, во втором — 1, в третьем — 0, в четвертом — 0. Элемент 3 — это элемент НЕ, который инвертирует данные поступающие сигналы и на своем выходе Y₃ формирует последовательность 1011 (на рис.1.7a показано синим цветом).

1.3. Интегральные микросхемы (ИМС). Маркировка ИМС

Логические элементы выпускаются в виде интегральных микросхем (ИМС или просто ИС). ИМС называют схему, компоненты которой нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что все устройство рассматривается как единое целое. Функциональную сложность любой ИМС принято характеризовать степенью интеграции — количеством компонентов N в микросхеме. По степени интеграции различают:

— ИМС малой степени интеграции: менее 100;

— ИМС средней степени интеграции: N = 100 ÷ 1000;

— БИС (большие интегральные схемы): N = 1000 ÷ 10000;

— СБИС (сверхБИС): N = 10000 ÷ 10 6 (миллион);

— УБИС (ультраБИС): N = 10 6 ÷ 10 9 (миллиард);

В данной книге рассматриваются в основном элементы цифровой техники и ЦУ, выпускаемые преимущественно в виде ИМС средней степени интеграции и БИС.

Внимание! Следует всегда иметь в виду, что элементы цифровой техники и различные цифровые устройства выпускаются как в виде отдельных микросхем средней степени интеграции и БИС, так и входят составными частями в микросхемы БИС, СБИС, УБИС и ГБИС многофункциональных ЦУ. Например: в АЛУ, интерфейсы, микропроцессоры и другие специализированные микросхемы отдельных отраслей техники, которые изучаются как в данном предмете, так и в соответствующих специальных курсах. Но в любом случае принцип их работы, структура и назначение выводов остаются одинаковыми!

Рассмотрим структуру маркировки ИМС российского производства (в других странах каждая фирма, выпускающая микросхемы, применяет свою систему условных обозначений; смотрите, например, Приложение 2 или [Л9, Л16]).

Например, ИМС имеет нанесенную на корпусе маркировку: КР1533ЛИ2. Структуру такой маркировки можно условно разделить на 4 части:

КР — одна или две буквы (их может и не быть). Здесь буква К при ее наличии показывает, что данная ИМС выпускается для широкого применения. Если есть другая буква, то она указывает материал и тип корпуса или его отсутствие. Наиболее часто в цифровой технике встречаются: М — керамический микрокорпус; Р — пластмассовый корпус типа 2.

1533 — три или четыре цифры номера серии, по которому можно судить о структуре ИМС (смотрите тему 1.4). Кроме этого, первая цифра номера серии показывает конструктивно-технологическое исполнение ИМС: 1,5,7 — полупроводниковые (7 — бескорпусные); 3 — прочие (пленочные, керамические и т.д.); 2,4,6,8 — гибридные, где отдельные компоненты изготовлены по разной технологии.

Цифровые ИМС в основном выполнены по полупроводниковой технологии, поэтому имеют первую цифру номера серии 1 или 5.

П р и м е ч а н и е. Вопросы, посвященные конструктивно-технологическому исполнению ИМС, типам и материалам их корпусов освещаются в предмете «Учебная электромонтажная практика». При желании этот же материал можно найти практически в любом справочнике по ИМС.

ЛИ — две буквы, указывающие функциональное назначение ИМС. Для микросхем, содержащих различные логические элементы, эти буквы приведены в теме 1.5. После окончания изучения предмета все учащиеся должны будут знать данную часть маркировки ИМС для основной группы ЦУ.

2 — одна-три цифры порядкового номера ИМС в данной серии по функциональному признаку.

В конце маркировки иногда добавляется еще одна буква разброса параметров (численные значения разброса конкретных параметров определяются по справочнику) у двух или более одинаковых микросхем данной серии.

Работающие в настоящее время ИМС цифровой техники по принципу построения могут иметь следующую структуру на кремниевой основе:

— ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Здесь используются обычные биполярные транзисторы, включенные по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером (ОЭ). Такую структуру имеют, например, ИМС серий 133, 155.

— ТТЛШ (ТТЛ с диодами Шоттки). Применение здесь диодов Шоттки, включенных между коллектором и базой транзисторов, не позволяет транзисторам входить в режим насыщения. Это приводит к ускорению переключения транзисторов и, следовательно, к повышению быстродействия ИМС. Микросхемы ТТЛШ-структуры условно делятся на две группы: а) маломощные (например, ИМС серий 533, 555, 1533); b) быстродействующие (например, ИМС серий 530, 531, 1531).

— ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика). Здесь также используются обычные биполярные транзисторы, но они включены по другой схеме в отличие от ИМС структур ТТЛ и ТТЛШ. В микросхемах ЭСЛ-структуры используется принцип переключения токов в транзисторах, работающих на общую эмиттерную нагрузку (отсюда и название структуры). Другими словами, здесь базовым элементом является дифференциальный усилитель. Такую структуру имеют, например, ИМС серий 500, 1500, 1590.

— МОП (металл-окисел-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Это схемы на полевых транзисторах р или n-типов с обогащенным каналом, КМОП (комплементарные МОП) — схемы на дополняющих транзисторах. Например, ИМС серий 561, 564, 1554, 1561, 1564, 5514, 5564, 5584.

Кроме этого, существуют микросхемы на основе арсенида галлия GaAs, выполненные на полевых транзисторах с затвором Шоттки. Например, ИМС серии 6500.

1.5. ИМС логических элементов

П р и м е ч а н и е: Аналоги приведенных ниже микросхем производства в основном американской фирмы «Texas Instruments» приведены в Приложении 3.

У микросхем логических элементов третья часть маркировки начинается с буквы Л, а вторая буква показывает, какие конкретно логические элементы содержит данная ИМС:

ЛН — элементы НЕ. Например, микросхема КР1533ЛН1 (рис.1.10), содержащая 6 элементов НЕ.

Красным цветом здесь показана нумерация выводов корпуса микросхемы (смотрите окончание данного параграфа), но далее мы это показывать не будем, чтобы не загромождать рисунки. При необходимости следует обратиться к Приложению 1 данной книги или к соответствующей справочной литературе.

ЛИ — элементы И. Например, микросхемы: КР1533ЛИ1 (рис.1.10), содержащая 4 элемента 2И; КР1533ЛИ3 (рис.1.10), содержащая 3 элемента 3И); КР1533ЛИ6 (рис.1.10), содержащая 2 элемента 4И.

ЛЛ — элементы ИЛИ. Например, микросхема КР1533ЛЛ1 (рис. 1.11), содержащая 4 элемента 2ИЛИ.

ЛА — элементы И-НЕ. Например, микросхемы: КР1533ЛА1 (рис.1.11), содержащая 2 элемента 4И-НЕ; КР1533ЛА2 (рис.1.11), содержащая 1 элемент 8И-НЕ; КР1533ЛА3 (рис.1.11), содержащая 4 элемента 2И-НЕ; КР1533ЛА4 (рис.1.12), содержащая 3 элемента 3И-НЕ.

ЛЕ — элементы ИЛИ-НЕ. Например, микросхемы: КР1533ЛЕ1 (рис.1.12), содержащая 4 элемента 2ИЛИ-НЕ; КР1533ЛЕ4 (рис.1.12), содержащая 3 элемента 3ИЛИ-НЕ; КР531ЛЕ7 (рис.1.12), содержащая 2 элемента 5ИЛИ-НЕ.

ЛР, ЛБ — комбинированные ИМС, содержащие разные логические элементы, причем обычно внутри микросхемы уже выполнены соединения между этими элементами. Например, микросхема КР1533ЛР4 (рис.1.13). Она содержит два элемента 4И и один элемент 2ИЛИ-НЕ, причем выходы элементов 4И внутри микросхемы уже соединены со входами элемента 2ИЛИ-НЕ.

ЛП — прочие. Содержат логические элементы, не включенные в табл.1.1. Например, микросхема КР1533ЛП5 (рис.1.14) содержит элементы, выполняющие логическую операцию «исключающее ИЛИ» (в случае двух аргументов ее еще называют «неравнозначностью» или «суммой по модулю 2»), смотрите табл.1.4.

У данного элемента есть одна интересная особенность (следите по табл. 1.4): при наличии постоянного сигнала 0 на одном входе сигнал с другого входа «проходит» на выход в прямом виде; а при наличии на одном входе постоянного сигнала 1 элемент инвертирует сигнал, поступающий на другой вход. Указанная особенность используется, в частности, в схеме исправления ошибок при передаче информации с помощью корректирующего кода Хэмминга (см. тему 3.24).

Рассмотренные микросхемы относятся к ИМС со средней степенью интеграции, которые имеют двухрядное расположение выводов (рис.1.15). БИС, СБИС и ГБИС обычно имеют 4-рядное расположение выводов (рис.1.16).

Нумерация этих выводов производится от «ключа» (рис.1.15 и 1.16) против часовой стрелки (рис.1.17а).

Не логические выводы часто снабжаются крестиками (рис.1.17б). К ним, в частности, относятся выводы для питания, которые обозначаются: положительный +U_СС, отрицательный -GND (общий провод, от слова ground — заземление), но они на рисунках ИМС изображаются довольно редко.

1.6. Основные параметры, характеризующие работу ИМС

Познакомимся с основными параметрами ИМС, которые имеют значение при эксплуатации, ремонте и наладке цифровой аппаратуры.

U_СС — напряжение питания. Для ИМС серии КР1533 и некоторых других оно составляет 5 В ± 10%.

U_L (L — low — низкий) — напряжение низкого уровня (уровня логического 0) на входе U_IL (I — input — вход) и на выходе U_OL (O — output — выход). Для ИМС серии КР1533 нормой является: U_IL — не более 0,8 В; U_OL — не более 0,5 В.

U_H (H — high — высокий) — напряжение высокого уровня (уровня логической 1) на входе U_IH и на выходе U_OH. Для ИМС серии КР1533 нормой является: U_IH — не менее 2,0 В; U_OH — не менее 2,7 В.

I_L — ток низкого уровня на входе I_IL и на выходе I_OL. Для ИМС серии КР1533 нормой является I_IL = — 200 мкА; I_OL = 8 мА.

I_H — ток высокого уровня на входе I_IH и на выходе I_OH. Для ИМС серии КР1533 нормой является I_IH = 20 мкА; I_OH = — 0,4 мА.

P_B — потребляемая (рассеиваемая) мощность на один вентиль (логический элемент НЕ): P_B = (P_L + P_H) /2, где P_L и P_H — потребляемая мощность при наличии на выходе элемента соответственно низкого уровня логического 0 и высокого уровня логической 1. В статическом режиме для ИМС серии КР1533 нормой является P_B = 1,2 мВт.

Следует иметь в виду, что для микросхем на биполярных транзисторах величины P_L и P_H отличаются довольно существенно, причем меньшей величиной является P_H. Микросхемы на полевых транзисторах потребляют настолько малую мощность, что для них разницу между P_L и P_H практически можно не учитывать.

В динамическом режиме потребляемая микросхемой мощность возрастает, увеличиваясь с ростом частоты.

t_P — время задержки распространения сигнала. Данная величина представляет собой промежуток времени между изменением сигнала на входе и соответствующим изменением сигнала на выходе. t_P является динамической характеристикой работы ИМС, по ней обычно судят о быстродействии микросхем. Очевидно, что при уменьшении t_P быстродействие возрастает.

Различают время задержки распространения сигнала при включении t_PHL (когда сигнал на выходе элемента меняется с 1 до 0) и при выключении t_PLH (когда сигнал на выходе элемента меняется с 0 до 1). Эти величины для элемента НЕ показаны на рис.1.18.

В качестве примера приведем значения t_PHL и t_PLH для микросхемы КР1533ЛН1: t_PHL — не более 11 нс; t_PLH — не более 8 нс.

К_Н — нагрузочная способность или коэффициент разветвления по выходу. Показывает, какое максимально допустимое количество элементов можно подключить к выходу каждого элемента данной микросхемы. Например, на рис.1.3 к выходу 3-го элемента присоединены три других элемента — 7-й, 8-й и 9-й. Допустимо ли это, вы можете сказать сами: обычные микросхемы ТТЛШ-структуры имеют К_Н = 10.

U_П — помехоустойчивость, которая оценивается в статическом и динамическом режимах. Статическая помехоустойчивость определяется максимально допустимой величиной повышения (относительно уровня 0) или понижения (относительно уровня 1) напряжения на входах, которое еще не приводит к изменению сигнала на выходе. Для микросхем серии КР1533 нормой является U_П = 0,4В. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения микросхемы (быстродействия) и ее статической помехоустойчивости.

N — надежность. Ее обычно характеризуют максимально допустимым количеством отказов за единицу времени. Для микросхем серии КР1533 нормой является N = 10 —6 отказов в час.

1.7. Сравнительная характеристика ИМС различных структур

Основными параметрами, позволяющими производить сравнение по качеству микросхем различных структур и серий, являются статическая потребляемая мощность и среднее время задержки распространения сигнала в пересчете на один вентиль. Для наглядности типовые значения Р_В и t_P приведены на графике (рис.1.19).

Из этого графика видно, что наихудшими параметрами характеризуются микросхемы ТТЛ-структуры. Поэтому в настоящее время интенсивно идет процесс их вытеснения микросхемами других структур. Однако следует иметь в виду, что в ныне функционирующей аппаратуре микросхемы ТТЛ-структуры (особенно ИМС серии 155) распространены очень широко и будут работать еще очень долго. Первым разработчиком ИМС по технологии ТТЛ является фирма «Texas Instruments», которая выпустила ИМС серии SN74 (аналог — серия 155).

Применение диодов Шоттки и усовершенствование технологии позволило уменьшить потребляемую мощность и увеличить быстродействие в микросхемах ТТЛШ-структуры по сравнению с ИМС структуры ТТЛ.

Наименьшую потребляемую мощность при сравнимом с ИМС других структур быстродействии имеют микросхемы МОП-структуры, построенные на полевых транзисторах. Но наряду с указанным очевидным преимуществом они имеют и недостатки: чувствительность к статическому электричеству, значительный разброс всех параметров, повышенное выходное сопротивление (до 1 кОм). Разработка первых микросхем МОП серии CD4000 (аналог — серия 561) была выполнена фирмой «RCA».

Наивысшее быстродействие достигается в микросхемах ЭСЛ-структуры, т.к. здесь транзисторы работают в ненасыщенном (линейном) режиме. Но большая потребляемая мощность и низкая помехоустойчивость не позволяют применять их достаточно широко. ИМС структуры ЭСЛ используются в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к быстродействию (например, в запоминающих устройствах). Первым разработчиком ИМС по технологии ЭСЛ была фирма «Motorola», которая выпустила серию МС10000 (аналог — серия 500).

Приведенный анализ подтверждает следующее: в настоящее время наибольшее распространение имеют ИМС структур ТТЛШ и МОП.

Сверхвысокое быстродействие при сравнимой с другими структурами потребляемой мощности достигается в микросхемах на основе арсенида галлия, но сравнительно высокая стоимость, недостаточно разработанная технология и некоторые другие недостатки пока не позволяют применять данные микросхемы в широких промышленных масштабах.

1.8. Элементы с открытым коллекторным выходом

Некоторые микросхемы структуры ТТЛ и ТТЛШ имеют открытые коллекторные выходы (ОК), у них нет резистора коллекторной нагрузки в выходном транзисторе. Для формирования выходного перепада напряжения (чтобы имелась возможность установки на выходе и уровня логического 0, и уровня логической 1) к выходу элемента с ОК требуется подключать нагрузочное сопротивление, поэтому такие микросхемы применяются для обслуживания устройств, которые и будут представлять собой для ИМС коллекторную нагрузку. К ним относятся индикаторы, сигнальные лампы, светодиоды, коаксиальные кабели и т. д. В условном изображении таких микросхем ставится знак, показанный на рис.1.20 внутри элементов 2И.

Источник