рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Общая характеристика цифровых микросхем

Общая характеристика цифровых микросхем - Лабораторная Работа, раздел Математика, Арифметические и логические принципы · Цифровые Микросхемы Предназначены Для Об...

· Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры (автоматы с памятью), счетчики, элементы арифметических устройств (выполняющие различные математические опера­ции) и т. д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возмож­ностями может обладать цифровой автомат, выполненный на базе микросхем данной серии.((Мальцева Л.А. Основы цифровой техники)

· Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одина­ковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхе­мы одной серии совместимыми.

· Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И—НЕ либо ИЛИ — НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы [27]: элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ), резистивно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ), микросхемы на так называемых комплементарных МОП (МДП) структурах (КМОП). Элементы КМОП цифровых микросхем используют пары МОП-транзисторов (со структурой металл — окисел — полупроводник) —с каналами р- и n-типов [24]. Базовые элементы остальных типов выполнены на биполярных транзисторах.

• Все цифровые устройства строятся из логических микросхем, каждая из которых (рис. 1.3) обязательно имеет следующие выводы (или, как их еще называют в просторечии, "ножки"):

  • выводы питания: общий (или "земля") и напряжения питания (в большинстве случаев — +5 В или +3,3 В), которые на схемах обычно не показываются;
  • выводы для входных сигналов (или ""входы"), на которые поступают внешние цифровые сигналы;
  • выводы для выходных сигналов (или "выходы"), на которые выдаются цифровые сигналы из самой микросхемы.

Каждая микросхема преобразует тем или иным способом последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов. Способ преобразования чаще всего описывается или в виде таблицы (так называемой таблицы истинности), или в виде временных диаграмм, то есть графиков зависимости от времени всех сигналов.


Рис. 1.3. Цифровая микросхема

• Все цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Один из этих уровней называется уровнем логической единицы (или единичным уровнем), а другой — уровнем логического нуля (или нулевым уровнем). Чаще всего логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице — высокий уровень. В этом случае говорят, что принята "положительная логика". Однако при передаче сигналов на большие расстояния и в системных шинах микропроцессорных систем порой используют и обратное представление, когда логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения, а логической единице — низкий уровень. В этом случае говорят об "отрицательной логике". Иногда логический нуль кодируется положительным уровнем напряжения (тока), а логическая единица — отрицательным уровнем напряжения (тока), или наоборот. Есть и более сложные методы кодирования логических нулей и единиц. Но мы в основном будем говорить о положительной логике.

· Прежде чем перейти к детальному рассмотрению наиболее распространенных серий микросхем и цифровых устройств на их базе, остановимся на основных параметрах логических элементов. К ним относятся :

- напряжение источников питания,

- уровни напряжений логического 0 и логической 1,

- статические и динамические параметры,

- нагрузочная способность,

- помехоустойчивость и быстродействие,

- потребляемая мощность.

 

 

Напряжение источников питания. Так как в настоящее время наибольшее распространение получили две технологии цифровых микросхем:

- ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) — биполярная транзисторно-транзисторная логика и ТТЛ с диодами Шоттки;

- КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой "металл–окисел–полупроводник",

то приведём напряжения источников питания только для них: микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5В±10%. Большая часть, микросхем на КМОП структурах устойчиво работает при напряжении питания 3-15 В, некоторые при напряжении 9В±10%. Уровни логических 0 и 1 должны отличаться возможно больше.

Уровни напряжений логического 0 и логической 1.Состояния логических схем характеризуются уровнями напряжений на их ходах и выходах. Для каждого логического уровня определен свой диапазон напряжений:

- Верхняя граница диапазона напряжений высокого уровня (Н): распространяется до +оо.

- Нижняя граница диапазона напряжений низкого уровня(L): распространяется до —оо.

Действительное значение выходного напряжения логического элемента определяется импедансом нагрузки, температурой и напряжением питания. Более того, при одинаковых рабочих условиях уровень выходного [напряжения из-за технологических разбросов может быть разным у разных логических элементов. Для разных семейств логических элементов выбраны разные диапазоны напряжений.Типовые уровни выходных напряжений,как правило, соответствуют средним значениям заданных диапазонов напряжений. При переключениях логических схем уровни напряжений на их входах и выходах в течение некоторых достаточно коротких интервалов времени не являются ни низкими, ни высокими, а принимают некоторые промежуточные значения между уровнями Н и L. Такие состояния называются неопределенными.

• Выбор соответствия между диапазонами уровней напряжений и значениями логических переменных является произвольным. Различают два типа логики: Положительная логика: Н= 1, L = 0; Отрицательная логика:Н =0, L =1. На практике чаще используется положительная логика.

 

 

Статические и динамические параметры. Для оценки свойств различных логических элементов служат статические и ди­намические параметры.

Статические параметры определяются по статическим характеристикам. Наиболее важной из них является передаточная характеристика Uвых=f(Uвх), представляющая собой зависимость напряжения Uвых на выходе логического эле­мента при изменении напряжения Uвх на одном из его входов и при постоянстве на других его входах уровня логического 0 или 1. Такая характеристика для инвертиру­ющего логического элемента изображена на рис.3 и позволяет определить следующие параметры при номинальном питающем напряжении Uпит:

=>U1мин— минимальный уровень напряжения логической 1;

=>U0мак— максимальный уровень напряжения логического 0;

=>Uл— минимальный уровень напряжения логического перепада: Uл= U1мин - U0мак;

=>U1пор,U0пор — пороговые уровни входных напряжений поддержания логической 1 и 0. При Uвх < U1пор элемент находится в состоянии логической 1 (Uвых= U1), при Uвх > U0пор — в состоянии логического 0 (Uвых= U0).

Рис.3 Передаточная характеристика инвертора

 

=>∆U — ширина зоны неопределенности: ∆U=U0пор-U1пор - в которой состояние логического элемента не может быть однозначно определено. При Uвх=U1пор…U0пор логический элемент можно использовать в качестве усилителя напряжения. Границы зоны неопределенности определяются точками 1, 2 единичного усиления, в которых duвых/duвх=1

=>U-макс — максимальная амплитуда динамической помехи (в виде импульса отрицательной полярности), при которой логический элемент не выходит из состояния логи­ческой 1 и не попадает в зону неопределенности: U-макс = U1мин — U0пор;

=> U+макс— максимальная амплитуда динамической помехи (в виде импульса положительной полярности), при которой логический элемент не попадает в зону неопределенности из состояния логической 1: U+макс=U1пор - U0макс;

=> Uпор — средний пороговый уровень напряжения переключения логического элемента: Uпор = (U0пор+ U1пор)/2;

Входная характеристика Iвх= f(Uвх)это зависимость входного тока Iвх от напряжения Uвх на одном из входов логического элемента при постоянных напряжениях на остальных. На рис.4а изображена входная характеристика логического элемента транзисторно-транзисторной логики.

По входным характеристикам определяют входные токи логических элементов для состояния логического 0 (I0вх≈I0пор) и логической 1 (I1вх≈I1пор).

Выходная характеристика Uвых=f(Iвых) - это зависимость выходного напряжения Uвых от выходного тока Iвых при заданных постоянных напряжениях на входах.

Существует две разновидности выходных характеристик:

=> U0вых=f(I0вых)— для состояния логического 0;

=> U1вых=f(I1вых)— для состояния логической 1,

где ток I0вых втекает в логический элемент, а ток I0вых вытекает из него.

Типичный вид выходных характеристик показан на рис. 4б. С их помощью определяются максимально допустимые значения выходных токов:

=> I0вых макс;

=> I1вых макс;

 

Рис. 4 Входная (а) и выходная (б) характеристики логического элемента

 

Если нагрузкой служат идентичные логические элементы с входными токами I1вх, I0вх, то максимальное число подключенных к выходу логических элементов не должно превышать N0 < I0вых мак/I0вх; N1 < I1вых мак/I1вх.

Наименьшее из полученных чисел называют коэффициентом разветвления на выходе: N = min(N0,N1),который характеризует нагрузочную способность логического элемента.

Наклон выходной характеристики определяет выходное сопротивление логи­ческого элемента.

Важным параметром логических элементов является также коэффициент объединения по входу (М), определяющий число его входов. Данная величина может достигать значения 6…8.

Мощность и ток, потребляемые логическим элементом от источника питания Е, зависят от его состояния. Обычно пользуются значением средней статической потребляемой мощности Рср=E(I0Е + I1Е)/2, где I0Е,I1Е — токи в состоянии логического 0 и логической 1.

Динамические параметры.Время задержки переключения при прохождении сигналов че­рез логические элементы, характеризующее их быстродействие, можно опреде­лить с помощью переходных характеристик (рис.5) по смещению среднего уровня Uср входного и выходного напряжений. Для оценки быстродействия часто пользуются средним временем задержки

 

tср = (t10+t01 )/2

 

где t10,t01 — время задержки переключения при переходе напряжения на выходе логического элемента от U1 к U0 и от U0 к U1. Оно определяет среднее время выполнения одной логической операции или инерционность логического элемента.

Рис. 5 Переходная характеристика

 

Важными динамическими параметрами логических элементов являются также длительности фронта tф и среза tс формируемых выходных сигналов. Величины этих параметров измеряются на уровнях 0.1 U1вых и 0.9 U1вых.

Другой способ определения tср основан на измерении периода колебаний, возбуждаемых в кольцевом генераторе. Кольцевой генератор представляет со­бой замкнутую цепь с нечетным числом К инверторов (рис.6). Если на вход первого инвертора воздействует напряжение U0 логического нуля, то на выходе К-го инвертора через некоторое время появляется напряжение U1 логической единицы и первый инвертор переключается в другое состояние. За один период Т колебаний инвертор переключается дважды, поэтому среднее время задержки

tср = Т/2К

Для получения колебаний в виде прямоугольных импульсов число инверто-

ров выбирают равным 5-9. Этот способ определения tсрчасто используют на практике.

I

Рис. 6 Схема кольцевого генератора

Задержка переключений логических элементов обусловлена паразитными емкостями транзисторных структур. Уменьшение времени задержки связано с уве­личением зарядных токов и, следовательно, потребляемой мощности. Поэтому для оценки качества схемотехнической и конструкторско-технологической реализации логических элементов используют параметр, называемый работой пере­ключения: А=Рсрtср. При этом в среднюю мощность включают динамическую со­ставляющую, обусловленную процессами переключений логического элемента. Известно, что при резком изменении напряжения на конденсаторе через него протекает большой ток. Во время переключения логического элемента токи пара­зитных емкостей создают дополнительные потери мощности. Динамическая со­ставляющая средней мощности зависит от частоты переключений и может в не­сколько раз превышать среднюю мощность статического режима.

 

· Различают пороговое напряжение логической 1 U1пор- наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логического 0 до уровня логической 1, а также пороговое напряжение логического 0 U0пор- наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логической 1 до уровня логического 0.

Для микросхем ТТЛ серий U1 пор- 2,4 В; Uопор = 0,4 В. Напряжение низкого и высокого уровней на выходе микросхем ТТЛ U1≥ 2.4 В; U°вых ≤0.4В. Для микросхем на КМОП структурах U1>0.7Uпит; U0пop<0,3Uпит

· Нагрузочная способность. Cпособность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется нагрузочной способностью. Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число элементов может использоваться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность. В связи с этим в составе различных серий микросхем есть так называемые буферные элементы с нагрузочной способностью, в несколько раз большей, чем у основных элементов. Количественно нагрузочная способность оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно включить к выходу микросхемы. В свою очередь единичной нагрузкой является вход основного логического элемента данной серии. Характеристики характеристики логических элементов по нагрузочнойспособности:

- Коэффициент разветвления по выходу или нагрузочная способность по выходудля большинства логических элементов серии ТТЛ составляет 10, а для микросхем серий КМОП -до 100:

- Коэффициент объединения по входу или нагрузочная способность по входу:это отношение максимального входного тока к стандартному входному току данного семейства логических схем

Помехоустойчивость.

При последовательном соединении логических элементов необходимо, чтобы все последующие элементы надежно распознавали выходные сигналы эле­ментов, стоящих перед ними. Производители логических микросхем обычно указывают гарантированную статическую помехоустойчивостьсвоих схем, оп­ределяющую наихудшие условия их эксплуатации (по температуре, нагрузке, напряжению питания).

· Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах.

Статическая помехоустойчивость по высокому уровню напряженияопреде­ляется разностью между минимальным выходным напряжением логической единицы U1мин вых рас­сматриваемого логического элемента и минимально допустимым входным напряжением логической единицы U1мин вх элемента, стоящего за ним, при которой он все еще вос­принимает входной сигнал U1мин вх как сигнал высокого уровня.

Статическая помехоустойчивость по низкому уровню напряженияопределя­ется разностью между максимальным выходным напряжением логического нуля U0макс вых рассматриваемого логического элемента и максимально допустимым входным напряжением логического нуля U0макс вх элемента, стоящего за ним, при которой он ещё воспринимается как сигнал низкого уровня.

· Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости. Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т.е. максимальной частотой переключения триггера, выполненного на этих базовых элементах. Предельная рабочая частота схем ТТЛ серии К155 составляет 10МГц, а микросхем на КМОП структурах - лишь 1МГц.

· Быстродействие определяется так же, как среднее время задержки распространения сигнала

 

tзд.ср=0,5(t0,1.+t1,0)

 

 

где t0,1 и t0,1 -времена задержки распространения сигнала при включении и выключении (рис 8)

 

· Среднее время задержки распространения сигнала является более универсальным параметром микросхем, так как зная его, можно рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы суммированием для всех последовательно включённых микросхем. Для цифровых микросхем этот параметр составляет единицы наносекунд.

Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях логического нуля (Р°) и логической единицы на выходе

 

· (Р1). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления Рср =(Ро+Р1)/2. Статическая средняя мощность потребления базовых элементов серии К155 составляет несколько десятков милливатт, а у элементов серий К561 она более чем в тысячу раз меньше. Следовательно, при необходимости построения цифровых устройств с малым потре­блением целесообразно использовать микросхемы на КМОП-структурах. Однако сле­дует учитывать, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая ло­гическими элементами, возрастает. Поэтому помимо Рср задается также мощность Рдпп, измеряемая на максимальной частоте переключений. Необходимо иметь в виду, что с повышением быстродействия мощность, потребляемая микросхемой, увеличивается.

· Важнейшим показателем микросхем является надежность. Ее характеризуют интенсивностью частоты отказов

 

λ= n/(N·T) , ( )

 

где Т- время испытаний; N- общее число микросхем, поставленных на испытания; n- число элементов, вышедших из строя за время испытаний.

Вероятность безотказной работы ИС за время t

 

P(t) = ехр(-λ t). ( )

 

· Средняя интенсивность отказов микросхем со средним уровнем интеграции составляет λ= 1·1О~7 1/ч.

Надежность цифровых устройств на микросхемах значительно превышает надежность аналогичных устройств на дискретных элементах.

Наиболее распространёнными в настоящее время являются цифровые интегральные микросхемы ТТЛШ- и КМОП-семейств. Основным достоинством микросхем КМОП является то, что в статическом режиме они практически не потребляют электрической энергии. Однако при работе с тактовой частотой 1-2 МГц потребляемая ими мощность становится соизмеримой с мощностью, потребляемой маломощными ТТЛШ серий К555 и К1533.

В таблице 1 приведены основные характеристики некоторых ТТЛ (ТТЛШ) интегральных микросхем серий К155, К555, К531 и К1531 (В.К.Батоврин. Практикум по электронике и микропроцессорной технике).

 

Таблица П.3.14

Параметр Серия
К155 К555 К531 К1531
Напряжение питания , В 4,75-5,25
Выходное напряжение логического нуля не более, В 0,4
Выходное напряжение логической единицы не менее, В 2,4
Входное напряжение логического нуля не более, В 0,8
Входное напряжение логической единицы не менее, В 2,0
– потребляемая мощность на логический элемент не более, мВт
– среднее время задержки распространения на логический элемент не более, нс
– энергия переключения на логический элемент не более, пДж
Входной ток логического нуля не более, мА 1,6 0,4 0,8
Входной ток логической единицы не более, мА 0,04 0,02 0,05 0,04
Выходной ток логического нуля не более, мА
Выходной ток логической единицы не более, мА 0,4 0,4
– сопротивление нагрузки не менее, кОм 0,4 0,3 0,3
– емкость нагрузки не более, пФ

 

Из таблицы видно, что серии ИС различаются быстродействием, потребляемой мощностью.

 

 

Сравнительная оценка и области применения интегральных логических элементов.Первые серии интегральных схем относятся к транзисторной логике с непосредственными связями. Затем были разработаны серии на основе резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной технологий. Эти серии микросхем не получили широкого распространения, так как в 1963 г. была освоена более со­вершенная технология — транзисторно-транзисторная логика (Standard TTL). Распространение различных типов логики в настоящее время обусловлено разли­чием их характеристик и параметров. Ряд параметров для наиболее распростра­ненных типов интегральных логических элементов приведен в табл.1.

 

Таблица 1

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Арифметические и логические принципы

Работы цифровых интегральных схем и микропроцессоров.. лекция введение основные задачи.. основное содержание курса перечень лабораторных работ..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Общая характеристика цифровых микросхем

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Разработки МП других фирм
Мы проследили историю развития МП на примере МП, выпущенных фирмой INTEL.Но фирма INTEL не единственная, кто занимается производством МП. Коротко поговорим о друг

Однокристальные микроконтроллеры (или однокристальные МЭВМ)
Фирма INTEL еще известна тем, что здесь появился не только первый МП, но и первая однокристальная МЭВМ или МК. Однокристальный МК представляет собой устройство, в

Место и роль микропроцессорной техники в НТП общества.
Видимо ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что создание МП является одним из крупнейших достижений микроэлектроники и вычислительной техники за последние десятилетия. Слово «МП» сейчас также п

В системах диагности и контроля РЭС
Параллельно с созданием РЭС на основе МП и МЭВМ создавалась аппаратура и системы диагностики и контроля РЭС – системы контроля РЭС различного уровня сложности: от измерительных приборов со встроенн

Аналог или цифра?
Для начала дадим несколько базовых определений.   • Сигнал - это любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сил

Виды дискретных (цифровых) электрических информационных сигналов.
•Дискретные сигналы могут быть постоянного и переменного токов.   •Идеальный однополярный дискретный сигн

Сравнительная оценка цифровых и аналоговых устройств микроэлектронной техники
· Электронные устройства по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: - аналоговые (непрерывные), - дискретные (прерывистые (или цифровые).

Традиционная цифровая электронная система обработки информации
(с жесткой логикой)       Рис   Входно

Микропроцессорная система обработки информации
(с программируемой логикой)     Рис………    

Система условных буквенно-цифровых обозначений ИМС
Система обозначения ИМС отечественного производства представляет собой цифро - буквенный код, содержащий иноформацию о функциональном назначении микросхемы, числе подобных типов и типономиналов ИМС

Функциональные подгруппы и разновидности интегральных микросхем.
Функции подгруппы Обозначение Функциональные разновидности Обозначение Формирователи А

Первая буква
С – цилиндрический корпус D – с двухрядным параллельным расположением выводов (DIP) S – с однорядным расположением выводов Т – трехрядное расположение выводов М

On_load_lecture() Корпуса цифровых микросхем
Большинство микросхем имеют корпус, то есть прямоугольный контейнер (пластмассовый, керамический, металлокерамический) с металлическими выводами (ножками). Предложено множество различных типов корп

Используемые в УГО
Функциональное назначение Обозначение Вычислитель СР Вычислительное устройство CPU

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги