Цифровые интегральные схемы

Интегральные схемы – это законченные комплексные устройства, изготовленные в кремниевой пластинке (чипе). Одно такое устройство может содержать от 10 до 100 000 активных элементов (диодов и транзисторов) и, за исключением некоторых специальных приборов (например, усилители большой мощности), подобная конструкция полностью вытеснила дискретную схемотехнику.

Интегральные схемы делятся на два крупных класса: линейные (аналоговые) и цифровые. Типичным примером аналоговых схем являются операционные усилители, а цифровых – логические микросхемы. Кроме того, имеются микросхемы и некоторого «промежуточного» класса. К ним относятся, например, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) и таймер серии 555 (КР 1006 ВИ1). Этот таймер содержит два операционных усилителя, работающих в качестве компараторов напряжения, соединенных с цифровой бистабильной частью, буферный усилитель и транзистор с открытым коллектором.

В качестве активных элементов цифровых микросхем применяются два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Последние имеют структуру металл – окисел – полупроводник (МОП). Цифровые микросхемы на биполярных и полевых транзисторах существенно различаются, и развитие их идет самостоятельными путями. Из логических интегральных схем наибольшее распространение имеет транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ).

Микросхемы на основе полевых транзисторов, основанные на совместном включении пары транзисторов с каналами разных видов проводимости, так называемые комплементарные структуры (КМОП).

Логическое соглашение

Цифровые устройства – это устройства, предназначенные для преобразования, обработки, хранения и/или передачи цифровой информации. Элементы цифровых устройств – это наименьшие функциональные части, на которые разбивается устройство при его логическом проектировании и технической реализации. Компоненты элементов – это неделимые его части, из которых оно собрано: микросхемы, транзисторы, резисторы, конденсаторы и т. д.

В зависимости от способа кодирования цифровой информации различают элементы импульсные, динамические, потенциальные, импульсно-потен­циаль­ные и фазовые.

Цифровые сигналы имеют бинарную природу: принимают одно из двух состояний. Цифровая система, переменные которой принимают только два значения – двоичная система (дискретные устройства). В импульсных элементах логические значения 0 и 1 представляются наличием импульса (напряжения, тока…) или его отсутствием.

В динамических – пачкой (последовательностью) импульсов.

В потенциальных – различной величиной электрического напряжения.
В импульсно-динамических – сигналы 0 и 1 представляются как в виде потенциальных уровней, так и в виде импульсов.

Независимо от способа кодирования сигналов в цифровых схемах соблюдается принцип совместимости входных и выходных сигналов, означающий, что выходные сигналы одного элемента должны однозначно восприниматься другими элементами.

Наибольшее распространение получили потенциальные элементы как самые простые, не требующие наличия конденсаторов и трансформаторов, и достаточно надежные.

В потенциальных элементах сигналы имеют два возможных уровня: высокий (high) и низкий (low). Эти уровни могут соответствовать логическим значениям 1 и 0 соответственно (положительная логика). В зависимости от величины напряжения сигнал воспринимается потенциальным элементом (как имеющий низкий уровень либо высокий).

Математический аппарат, описывающий действия дискретных устройств, базируется на алгебре логики или, как ее еще называют по имени автора – английского математика Джоржа Буля (1815 – 1864), булевой алгебре.

Булева алгебра оперирует двоичными переменными, которые условно обозначаются как 0 и 1 и подчиняются условию x = 1, если x 0, x = 0, если
х 1. В ее основе лежит понятие переключательной, или булевой функции. Элемент, выполняющий логические функции, можно оценивать с позиций как положительной, так и отрицательной логики.

Простейших логических операций три: отрицание (инверсия, операция НЕ), логическое умножение (конъюнкция, операция И) и логическое сложение (дизъюнкция, операция ИЛИ). Более сложные логические преобразования можно свести к указанным операциям.

Операция отрицания выполняется над одной переменной и характеризуется следующими свойствами: функция y = 1 при аргументе x = 0 и y = 0, если x = 1. Обозначается отрицание чертой над переменной, с которой производится операция y = , соответственно, = x.

Операция логического умножения (конъюнкция) для двух переменных обозначается следующим образом: 0·0 = 0; 1·0 = 0; 1·1 = 1, т. е. нулевое значение хотя бы одного из аргументов обеспечивает нулевой результат операции. Операция может быть распространена на большее число переменных. Обозначают ее таким способом: y = x₁ x₂ либо y = x₁ + x₂. Для двух переменных
0 0 = 0; 0 1 = 1; 1 0 = 1; 1 1 = 1, т.е. равенство хотя бы одного аргумента логической единицы определяет единичное значение всей функции. Дизъюнкция, как и конъюнкция, может осуществляться с многими переменными. Совокупность различных значений переменных называется набором. Булевы функции n аргументов могут иметь до N = 2² наборов. Поскольку функция принимает только два значения, общее число булевых n аргументов равно
2^N = 2² . Таким образом, функция одного аргумента может иметь четыре значения: y = x; y = ; y = 1 (константа 1); y = 0 (константа 0).

Цифровые интегральные микросхемы относятся к двум классам (семействам). Термин семейство означает вид полупроводниковой технологии, используемой при изготовлении микросхем. Именно технология определяет такие важные характеристики микросхем, как напряжение питания, рассеиваемая мощность, скорость переключения и помехоустойчивость.

В настоящее время наиболее распространены два основных логических семейства: КМОП (комплементарная, металл – оксид – полупроводник) и ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Второе семейство имеет несколько подсемейств, включая популярный вариант маломощной ТТЛ с диодами Шотки (LS – TTL) ТТЛШ. Несмотря на их очевидное различие, они выполняют одни и те же функции.

Рис. 44. Внутреннее устройство двухвходовых ЛЭ И (&),
выполненных по технологии ТТЛ и КМОП-технологиям: КМОП (а); ТТЛ (б)

Из обычных ТТЛ-микросхем представлено семейство 74 (КР1533), например 7400, 7408, 7432. Микросхемы маломощные с диодами Шотки имеют буквы LS – 74LS00, 74LS08, 74LS32.

Популярные КМОП-микросхемы образуют семейство 4000 (561), например 4001, 4174, 4574.

Логические элементы, оперирующие с двоичной (дискретной) информацией, подразделяются на два больших класса: комбинационные схемы (дискретные автоматы без памяти) и последовательные устройства (дискретные автоматы с памятью).

Все комбинационные схемы (логические устройства) характеризуются отсутствием памяти. Память – свойство системы сохранять в течение требуемого времени значения сигналов, характеризующих внутреннее состояние цифрового устройства. Сигналы на выходах комбинационного устройства в любой момент времени однозначно определяются сочетанием сигналов на входах и не зависят от его предыдущих состояний. Схемным признаком таких устройств служит отсутствие обратной связи, т. е. замкнутых петель для похождения сигналов с выходов на входы.

Параметры микросхем

Оценивают микросхемы по следующим основным параметрам: напряжению питания, быстродействию (динамическим характеристикам), потребляемой мощности, коэффициенту разветвления по выходу, коэффициенту объединения по входу, помехоустойчивости, надежности, стойкости к климатическим и механическим воздействиям.

а) б)

Рис. 45. Уровни срабатывания ТТЛ (а); передаточная характеристика (б)

Граница между этими двумя диапазонами напряжений называется логическим порогом. Для микросхем серии КР1533 U_ВЫХ = U_ВХ – U_ПОР (1,52 В).

Прежде чем изучать варианты элементов, рассмотрим, как определяются некоторые импульсные параметры.

Рис. 46. Временная диаграмма переключения инвертора (а);
взаимное расположение переднего фронта (включение) и заднего фронта
(среза – выключение) (б) и (в)

На графиках отмечено пять временных отрезков: длительности положительного t^0,1 и отрицательного t^1,0 выходных перепадов, два задержки распространения (при включении t^1,0_зд.р и при выключении t^0,1_зд.р), а также так называемое среднее время задержки распространения выходного сигнала t_{ЗД.Р.СР.} Более общий параметр – среднее время задержки распространения выходного сигнала t_ЗД.Р.СР – это полусумма t^1,0З_ЗД.Р и t^0,1_ЗД.Р. Параметр t_ЗД.Р.СР позволяет сравнивать быстродействие любых известных логик.

Помехоустойчивость или, как ее еще называют, шумовой иммунитет определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы и непосредственно связана с ее передаточной характеристикой. В зависимости от продолжительности помехи ее связывают с помехами, длительность которых больше длительности переходных процессов. Для помехоустойчивости может учитываться воздействие напряжения высокого и низкого уровня.

Статической помехоустойчивостью по низкому уровню считают разность

U = / U – U /,

где U – максимальное допустимое напряжение низкого уровня на выходе нагруженной микросхемы; U – максимальное допустимое напряжение низкого уровня на входе нагруженной микросхемы.

Помехоустойчивость по высокому уровню определяют как

U = / U – U / ;

здесь U – минимальное напряжение высокого уровня на выходе нагруженной микросхемы; U – минимальное допустимое напряжение высокого уровня на нагруженном входе.