Основы цифровой электроники

управления и технологий Очная и заочная форма обучения

- Автомобили и автомобильное хозяйство - Автомобиле- и тракторостроение - Технология машиностроения

микроэлектронные изделия, предназначенные для преобразования и обработки
дискретных сигналов.

В зависимости от вида управляющих сигналов
цифровые ИМС можно разделить на три группы:
потенциальные
импульсные
импульсно-потенциальные

(ТУ). Использование параметров, не записанных в ТУ, не разрешается, так как в процессе совершенствования изделия они могут изменяться.
К основным параметрам логических элементов относятся:
• набор логических функций;
• число входов по И и по ИЛИ;
• коэффициент разветвления по выходу;
• потребляемая мощность;
• динамические параметры: задержка распространения сигнала и (или) максимальная частота входного сигнала.

2 до 16. Если имеющегося числа входов недостаточно, то для их увеличения используются интегральные схемы расширителей по ИЛИ, обозначаемые ЛД.
Коэффициент .разветвления по выходу характеризует нагрузочную способность логического элемента и определяется количеством входов однотипных элементов, которые можно подключить к выходу.
В некоторых случаях в ТУ указывается максимальный выходной ток логического элемента.

определяет не только быстродействие цифровых схем, но и их работоспособность. Время задержки принято определять по уровню 0,5Uвх, и 0,5Uвых, как показано на рис.справа При этом задержка переднего фронта импульсного сигнала может отличаться от задержки заднего фронта и в результате длительность импульса на входе оказывается отличной от длительности импульса на выходе.

Мощность, потребляемая логической ИМС, обычно зависит от сигналов, поданных на входы. Для сравнения потребляемой ИМС мощности пользуются понятием средней мощности Рф, потребляемой базовым логическим элементом во включенном и выключенном состояниях. Это позволяет сравнивать по потребляемой мощности логические ИМС различных серий.

набором элементов, напряжением питания, потребляемой мощностью, динамическим параметрам и др. Наибольшее применение получили серии логических ИМС, выполненные по ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) и КМОП (комплементарная МОП логика) технологиям.
Каждая из перечисленных технологий совершенствовалась, поэтому в каждой серии ИМС имеются подсерии, отличающиеся по параметрам

Серийные логические ИМС

Texas Instrument, которая выпустила ИМС серии SN74
(отечественный аналог – 155 серия).
Дальнейшие усовершенствования этой серии были направлены
на повышение быстродействия и снижение потребляемой мощности.
Основные серии элементов ТТЛ включают следующий перечень номеров:
133, 155, К.155, КМ155, получившие название «стандартные серии»;
130, К.131, 599 – серии с «высоким быстродействием»;
134, 158 – «микромощная серия»;
530, К.531, 1531, 1533 – серии «с диодами Шотки» высокого быстродействия с малым потреблением мощности;
К555, 533 - «микромощная серия с диодами Шотки».

работы

Базовый логический элемент серий ТТЛ
является элементом Шеффера (элемент И−НЕ)
и реализует операцию, логическое умножение с отрицанием.
Он представляет собой двоичный логический элемент, на выходе которого всегда единица, кроме случая, когда на все входы одновременно подаются логические единицы.

Справа показано условное обозначение элемента Шеффера на функциональных схемах (х1, х2, ..., хn – входы; у – выход). Минимальное число входов равно двум.

Условное графическое обозначение элемента И-НЕ

состояний.

Таблица состояний элемента И-НЕ

Логическое уравнение работы элемента, составленное на основании таблицы состояний, записывается в виде

входа, где U0 и U1 – уровни напряжений, соответствующие состояниям «0» и «1».

Временная диаграмма работы элемента

И, содержит резистор R1 и МЭТ; вторая часть – выходная, реализующая функцию НЕ, содержит сложный инвертор на транзисторах Т1−Т2.

Последний состоит из фазорасщепляющего каскада (Т1, R2, R3), предназначенного для противофазного переключения транзисторов Т2, Т3, и выходного усилителя (T2, Т3, D4, R4).
Транзистор Т1 выполняет также функцию диода смещения и тем самым увеличивает порог переключения схемы, повышая ее помехоустойчивость.
Количество входов у реальных схем Коб ≤ 8. Увеличение количества входов расширяет логические возможно­сти схемы элемента, однако ухудшает ее динамические параметры.
В зависимости от значения вытекающего тока тран­зистор Т2 может работать как в активном режиме, так и в режиме насыщения. В большинстве серий транзистор Т2 работает в активном режиме при небольших токах на­грузки.

элемента «на землю». Кроме того, резистор R4 ограничивает ток в цепи коллектора транзи­стора Т2 при переключении элемента.

Резистор R3 обеспечивает запирание транзистора Т3. Последний рассчи­тан на большой рабочий ток и имеет малое время расса­сывания. Через него ток нагрузок входит в схему элемента. Уровень напряжения U на выходе элемента в зависи­мости от тока нагрузки.

Способность элемента ТТЛ работать на большую емкостную нагрузку при высоких скоростях переключения объясняется тем, что заряд и разряд емкости нагрузки Cн происходят через низкоомную выходную цепь; iз = Iэ2; iр = Iк3 (см. схему).

резисторов:

Сопротивление резистора R4 выбирается исходя из заданного значения предельно допустимого тока тран­зисторов T2, T3 и диода D4 и обычно составляет

схем,
работающих в ненасыщенном режиме.
ЭСЛ-схемы имеют низкий выходной импеданс,
небольшой разброс уровней логического напряжения
и хорошую помехоустойчивость для обоих уровней
логического напряжения.
Первым разработчиком ИМС по технологии ЭСЛ
была фирма Motorola,
которая выпустила серию ИМС МС 10000
(отечественные аналоги – 100 и 500 серии).

к потенциальным элементам:
«1» и «0».
В потенциальной системе представляются в виде потенциалов, т. е. напряжений того или иного знака.
В настоящее время промышленностью выпускается несколько серий элементов ЭСЛ
(например, К137, К187, К229, 100, К500, 500 и др.),
обладающих функциональной и технической полнотой,
т. е. обеспечивающих выполнение любых арифметических
и логических операций, а также хранение, вспомогательные
и специальные функции.

работы

На рисунке справа показано условное графическое обозначение базового элемента ЭСЛ на функциональных схемах, где х1, х2, …, хn - входы;
у1 – инверсный выход;
у2 – прямой выход.

Условное графическое обозначение элемента ЭСЛ

Минимальное число входов равно двум.
Элемент реализует для “положительной логики” одновременно функции ИЛИ–НЕ (стрелка Пирса) по выходу у1
и функцию ИЛИ (дизъюнкция) по выходу у2.

по таблице состояний записывается в виде

(знак плюс соответствует дизъюнкции, т. е. логическому сложению)

на три входа.

схема может реализовать
либо функции ИЛИ–НЕ, ИЛИ для положительной логики,
либо функции И–НЕ, И для отрицательной логики.

Для положительной логики
«1» и «0»
представляются
напряжениями:

Для положительной логики
«1» и «0»
представляются
напряжениями:

что

Таким образом, по выходу у1 реализуется функция И–НЕ,
а по выходу у2 – функция И.

соответствии с таблицей состояния элемента ЭСЛ для «отрицательной» логики

из:

1) дифференциального усилителя (токовый переключатель), содержащего две ветви, работающие в ключевом режиме (первая ветвь на транзисторах T1–Т3, вторая – на транзисторе Т4, транзисторы работают в активной области и не входят в состояния насыщения, обе ветви усилителя связаны эмиттерами через резистор R3, источ­ик напряжения питания Uип и резистор R3 образуют генератор тока IR3);
2) источника опорного напряжения на транзисторе T5 и диодах D1 и D2, обеспечивающих температурную компенсацию изменения тока IR3 из-за изменения напряжения Uбэ транзисторов Т4{Т1–Т3) и T5;
3) выходных эмиттерных повторителей на транзисто­рах Т6, Т7.

"окошечный" компаратор).
Тогда:

технических системах нереализуемо из-за неизбежных малых флуктуации входных напряжений

диапазоне частот от 0 Гц до бесконечности. Это определяет требования к компаратору в части смещения нуля и рабочей полосы частот, так же как и к операционному усилителю.
2. Сравнение входных напряжений с нулевой статической погрешностью, что требует ku → ∞ (сравни с ОУ).
3. Нулевое время реакции на произвольную разность входных напряжений, что требует бесконечно большой скорости нарастания выходного напря­жения и нулевых внутренних задержек компаратора.
4. Выходные напряжения должны принимать два дискретных значения.

разность входных токов
Время отклика (время переключения, задержка распространения).

решения широко применяются в практике, особенно при сравнении низкочастотных сигналов.

микросхемы, отличающиеся от ОУ функцией (и, конечно, схемой) выходного каскада. Монолитные компараторы обеспечивают разрешающую способность от десятков микровольт до единиц милливольт при задержке срабатывания от единиц до десятков наносекунд.
В качестве примера рассмотрим
весьма популярный компаратор
521(554)САЗ.

Его особенностью является весьма своеобразный выходной каскад. Этот каскад имеет открытый коллектор и открытый эмиттер, и возможна реализация различных включений выходного каскада (инвертирующего и неинвертирующего) при различных комбинациях величин положительного и отрицательного напряжений питания
(см. схему на следующем слайде)

(с инверсией),
в) пример реализации выходных ЭСЛ сигналов (без инверсии).

Под стробом обычно понимают некоторый сигнал прямоугольной формы разрешающий (реже запрещающий) функционирование стробируемого устройства.
Строб позволяет анализировать (подключать к исполнительным устройствам) состояние компаратора только в наперед заданные моменты времени.

сигнальных цепей с коэффициентом передачи близким к 1 и минимальными фазовыми сдвигами.
Как и широко известные механические коммутаторы электрических цепей, аналоговые переключатели могут быть
нормально замкнутыми, нормально разомкнутыми, последовательными и параллельными.
Кроме этого, в электронных схемах различают
переключатели напряжения и переключатели тока.
Как правило, АЛ коммутируют слаботочные, низковольтные цепи, но существуют схемы предназначенные, для коммутации силовых аналоговых сигналов.

электротехники:
Комплекс учебно - методических материалов: Часть 1 / Б.Ю. Алтунин,
Н.Г. Панкова; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-130 с.
2. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч.1/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин; НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-98 с.
3. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч.2/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин; НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2008.-98 с
4. Касаткин, А.С. Электротехника /А.С. Касаткин, М.В. Немцов.-М.: Энергоатомиздат, 2000.
5. Справочное пособие по основам электротехники и электроники /под. ред. А.В. Нетушила.-М.: Энергоатомиздат, 1995.
6. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.-3-е изд., перераб. И доп.-М.: Радио и связь, 1990.-512 с.: ил.
7. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П. Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. – 653 с.