Основные характеристики цифровых микросхем

Лекция 4. Характеристики ИМС и ЛО

Тема II. Элементы цифровой схемотехники

Система контроля ППФП студентов.

Результаты освоения теоретического, методического и практического подраздела ППФП оцениваются в соответствии со специальными требованиями и нормативами, разрабатываемыми кафедрой физического воспитания для каждого факультета. Требования устанавливаются с учетом профиля выпускаемых специалистов. Утвержденные кафедрой зачетные нормативы по разделу ППФП обязательны для каждого студента и входят в комплекс зачетных требований и нормативов по учебной дисциплине «Физическая культура». В каждом семестре необходимо выполнять не более 3 зачетных тестов. Студенты специального отделения, а также освобожденные от практических занятий выполняют тесты и требования из тех разделов ППФП, которые доступны им по состоянию здоровья.

Допуск к обязательной итоговой аттестации после завершения полного курса обучения учебной дисциплины «Физическая культура» предполагает, что студенты должны выполнять обязательные практические тесты по общей физической, спортивно-технической и профессионально-прикладной подготовке не ниже оценки «удовлетворительно».

Понятие элементов, узлов и устройств цифровой схемотехники. Технические средства цифровой схемотехники в зависимости от выполняемых функций, делят на элементы, функциональные узлы и устройства, а также микропроцессоры и компьютеры (рис. 2.1). Они предназначены для обработки дискретной информации и потому называются цифровыми.

Рис. 2.1. Состав технических средств цифровой схемотехники

Технические средства цифровой схемотехники в настоящее время основаны на интегральных микросхемах (ИМС) разной степени сложности.

Элементами в цифровой схемотехнике называются наименьшие неделимые микроэлектронные схемы (изделия), предназначенные для выполнения логических операций или хранения бита информации. К элементам условно относятся и вспомогательные схемы — усилители, повторители, формирователи и др. Элементы строятся на основе двухпозиционных ключей, что технически реализуется наиболее просто. Элементы с двумя состояниями называются двоичными.

На входах и выходах двоичного элемента действуют напряжения, которые принимают в установившемся режиме два значения — высокого U_H и низкого U_L уровней (индексы от английских слов High и Low). Эти напряжения отображают электрические сигналы. Сигнал с двумя состояниями называется двоичным. Переходэлемента из одного состояния в другое называется его переключением. На основе элементов строят типовые функциональные узлы. По логике работы функциональные узлы разделяют на комбинационные и последовательностные схемы.

В комбинационных схемах логическое состояние выходов элементов зависит только от комбинации входных сигналов в данный момент времени. К функциональным узлам комбинационного типа относятся сумматоры, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, схемы сравнения (компараторы) и контроля по четности, кодопреобразователи.

В последовательностных схемах логическое значение выходов определяют как комбинацией выходных сигналов, так и состоянием памяти схемы в данный момент времени. К функциональным узлам последовательностного типа относятся регистры, счетчики, генераторы чисел и управляющие автоматы. На основе типовых функциональных узлов строят различные устройства, например компьютеры.

В цифровой схемотехнике используют генератор тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает периодическую последовательность прямоугольных импульсов, называемых тактовыми (C). Начало каждого импульса C называется тактовым моментом. Временной интервал между двумя соседними импульсами C называется машинным тактомT_C. Вначале каждого импульса C происходит смена информации на входах элементов и узлов машины (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Временная диаграмма ГТИ

Частота ГТИ измеряется десятками, сотнями мегагерц и гигагерцами. В литературе ГТИ часто называют генераторами синхронизирующих импульсов, а сами импульсы называют синхронизирующими или синхроимпульсами. Амплитуда и полярность импульса C зависит от физических принципов построения цифровой схемы. Принцип подачи информации на входы элементов и узлов в тактовые моменты называется дискретизацией сигналов во времени.

В цифровой схемотехнике используются два основные вида двоичных сигналов: потенциальные и импульсные (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Диаграммы потенциальных (ПС) и импульсных (ИС) сигналов

Сигнал, который изменяется только в тактовые моменты времени, называется потенциальным. Сигнал, который нарастает в тактовый момент, а спадает в пределах данного такта, называется импульсным. Длительность потенциального сигнала равна или кратна длительности машинного такта.

В логике значения двоичного сигнала и соответствующей переменной X кодируются символами “0” (лог. “0”) и “1” (лог. “1”). Напряжение, отображающее символ “1”, обозначим через U¹ а символ “0” — через U⁰. Различают два способа кодирования логических сигналов X_i потенциальными сигналами — положительный и отрицательный. При положительном кодировании (положительная логика или соглашение) больший уровень напряжения U_H с учетом знака отображает лог. “1”, а меньший U_L — лог. “0”, то есть X = 1, если U¹ = U_H, и X = 0 при U⁰ = U_L (рис. 2.4 а). При отрицательном кодировании (отрицательная логика или соглашение) больший уровень напряжения U_H с учетом знака отображает лог. “0”, а меньший U_L — лог. “1”, то есть X = 1, если U¹ = U_L, и X = 0 при U⁰ = U_H (рис. 2.4 б).

Рис. 2.4. Логические соглашения:

а — положительное X⁺; б — отрицательное X^–

Для импульсных сигналов различают два рода кодирования (рис. 2.5): первый — наличие импульса отображает лог. “1”, отсутствие — лог. “0”; второй — наличие импульса одной полярности отображает лог. “1”, а другой полярности – лог. “0”.

Рис. 2.5. Импульсное кодирование:

а — первого рода; б — второго рода

По типу физических приборов различают следующие элементы: построенные на электронных лампах — первое поколение; на транзисторах — второе поколение; на ИМС малой и средней степени интеграции — третье поколение; на больших и сверхбольших ИМС — четвертое поколение.

По виду информационных сигналов выделяют:

Ø потенциальные элементы — используются только потенциальные сигналы;

Ø импульсные элементы — используются только импульсные сигналы;

Ø потенциально-импульсные элементы — используются потенциальные и импульсные сигналы.

По функциональному назначению элементы цифровой схемотехники делятся на следующие классы:

Ø логические элементы, предназначенные для выполнения логических операций — НЕ, И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ, НЕ-И-ИЛИ и др.;

Ø запоминающие элементы — триггеры, предназначенные для хранения значения одной двоичной переменной — нуля или единицы, то есть одного бита информации;

Ø вспомогательные элементы (усилители, формирователи, преобразователи сигналов, схемы временного согласования, генераторы импульсов и др.), предназначенные для обеспечения работы элементов первых двух классов.

По конструктивно-технологическому изготовлению элементную базу современной цифровой схемотехники составляют интегральные микросхемы. Это — микроэлектронные изделия с высокой плотностью упаковки электрорадиоэлементов (резисторов, диодов, транзисторов) и соединений между ними. С точки зрения спецификации, испытаний, поставки и эксплуатации ИМС рассматриваются как единое целое. В ИМС электрорадиоэлементы называются элементами, если они неотделимы от схемы, и компонентами, если их можно использовать самостоятельно.

Микросхемы классифицируют по следующим основным признакам:

Ø технологии изготовления — полупроводниковые, гибридные, пленочные;

Ø конструктивному оформлению — корпусные и бескорпусные;

Ø форме обработки информации — аналоговые, цифровые и аналого-цифровые;

Ø степени интеграции (сложности) — малые, средние, большие, сверхбольшие и ультрабольшие;

Ø типу активных элементов — построенные на биполярных и МОП-транзисторах;

Ø области применения — широкого применения, специализированные, в том числе заказные и полузаказные;

Ø используемым материалам — кремниевые, арсенид-галлиевые;

Ø перспективным направлениям — криомикроэлектронные, акустоэлектронные, оптоэлектронные, молекулярной электроники и др.

Набор цифровых микросхем с общими конструктивно-технологическими и схемотехническими признаками образует серию ИМС. В цифровой схемотехнике широко применяются цифровые полупроводниковые корпусные ИМС на основе кремния и арсенида галлия. В полупроводниковых ИМС все компоненты и соединения между ними выполнены в объеме и на поверхности кристалла площадью от 4 до 100мм². В гибридных ИМС навесные компоненты крепятся на поверхности диэлектрической подложки. В пленочных ИМС все компоненты и соединения между ними выполнены в виде тонких пленок на диэлектрической подложке.

Сложность микросхем характеризуется уровнем интеграции N, степенью интеграции K = lgN и степенью функциональной сложности F = lgL, где N — число компонентов, L — число двухвходовых логических элементов (вентилей); значение десятичного логарифма округляется до большего целого числа. Промышленность изготовляет ИМС от первой (менее 10 комп.) до шестой (менее 1 млн. комп.) и выше степени интеграции. Возможности интегральной технологии определяет плотность упаковки: соотношение числа компонентов к объему (иногда к площади) кристалла. Плотность упаковки в полупроводниковых ИМС составляет 10⁷ комп./см³, а для гибридных — 100-200 комп./см³.

Малая интегральная схема (МИС) содержит до 100 комп. включительно, средняя микросхема (СИС) — 100-1000 комп., большая интегральная схема (БИС) — до 100000 комп., сверхбольшая интегральная микросхема (СБИС) — до 1 млн. комп., а ультрабольшая (ультра-БИС) — до 10 млн. комп. и больше. На МИС строят элементы, на СИС реализуют типовые узлы, на БИС, СБИС и ультра-БИС обеспечивается построение микропроцессоров и микрокомпьютеров.

Каждая элементарная логическая функция реализуется соответствующим логическим элементом: ИЛИ (дизъюнктор), И (конъюнктор), НЕ (инвертор). Для реализации сложных функций логические элементы объединяются в логическую схему. Функционально полная система логических элементов позволяет построить любую сложную логическую схему. Такие системы образуются следующими наборами логических элементов: 1) ИЛИ, НЕ; 2) И, НЕ; 3) НЕ-ИЛИ; 4) НЕ-И и другими. В технически полной системе элементов обеспечивается значение электрических параметров двоичных сигналов, для этого используются вспомогательные элементы — усилители, повторители, формирователи и др.

С учетом вышеизложенного можно сказать, что система элементов представляет собой функционально и технически полный набор элементов, который использует одинаковые способы представления информации, а также имеет общие конструктивно-технологические характеристики.