Цифровая схемотехника

Министерство Российской Федерации Томский политехнический университет

__________________________________________________________________

Е.Л. Собакин

ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Часть I

Учебное пособие Томск 2002

УДК 681.325.6

Собакин Е. Л. Цифровая схемотехника. Учеб. пособие. Ч.I. Томск: Изд. ТПУ, 2002. — 160с.

В пособии изложены основные вопросы курса лекций для студентов специальности 210 100 Управление и информатика в технических системах. Пособие подготовлено на кафедре автоматики и компьютерных систем ТПУ, соответствует учебной программе дисциплины и предназначено для студентов института дистанционного образования.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета Рецензенты:

В.М. Дмитриев профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретических основ электротехники Томского университета систем управления и радиоэлектроники;

С.И. Королёв директор ТОО НПО «Спецтехаудитсервис»,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

Темплан 2002

Томский политехнический университет, 2002

Данное учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210 100 «Информатика и управление в технических системах». Оно составлено на основе курса лекций, прочитанных автором в Томском политехническом университете в течение ряда лет, и посвящено систематическому изложению методов формализованного построения устройств цифровой техники на микросхемах широкого применения.

В пособии содержатся краткие сведения по интегральным микросхемам, достаточные для определения основных технических показателей и характеристик цифровых устройств, для уяснения их принципа действия и выполнения технических расчётов.

Дисциплину «Цифровая схемотехника» следует рассматривать как продолжение курса «Электроника», который студенты должны освоить предварительно, так как требуются знания элементной базы аналоговых электронных устройств.

Большинство современных систем автоматики, вычислительные системы, системы передачи и обработки информации выполняются на устройствах цифровой техники либо полностью, либо частично. Поэтому знание принципов применения цифровых устройств и построения на их основе систем различного назначения имеет актуальное значение и большую практическую ценность как в инженерной деятельности, так и при исследованиях методологического характера.

Материал пособия условно можно разделить на три части: 1) Основы микроэлектроники; 2) Комбинационные устройства цифровой техники; 3) Последовательностные логические устройства цифровой техники.

Приступая к освоению курса, следует изучать материал в порядке перечисления указанных частей, так как последующий материал основан на знании предыдущего, и изменение последовательности может привести к затруднениям в его усвоении. Это усугубляется ещё и тем, что в иных учебных пособиях и специальной технической литературе используются различные термины и понятия для пояснения одних и тех же явлений, процессов, выполняемых преобразований и т. д. Различие же в используемых понятиях или их некорректность ведёт к непониманию сущности излагаемого материала и, как следствие, возникновению трудностей в его усвоении.

Первые два из указанных разделов вошли в первую часть настоящего пособия (Ч1). Третьему разделу посвящено отдельное пособие.

В1. Применение цифровых устройств

В настоящее время, в связи с созданием и широким внедрением в инженерную практику микропроцессорных устройств и систем, не ослабевает и вновь стимулируется интерес к цифровым методам обработки и передачи информации. Названные методы, в свою очередь, придают системам ряд положительных свойств и качеств. Повышается верность передаваемой информации, достигается высокая скорость и производительность систем обработки информации, обеспечивается приемлемая их стоимость, высокая надёжность, малое потребление энергии и т. д.

Решаемые этими системами задачи весьма разнообразны и предопределяют функции устройств, образующих конкретную систему. Поэтому устройства и их функции целесообразно рассматривать именно в свете тех задач, которые решаются системами и, в частности, тех подзадач, которые выполняются отдельными устройствами либо блоками.

Основными типовыми задачами, возникающими при автоматическом или автоматизированном управлении и контроле производственными или иными процессами, являются:

сбор информации (её получение);

преобразование информации (масштабирование, нормализация, фильтрация, кодирование и т. д.);

передача-приём информации;

обработка и использование информации;

хранение информации.

В зависимости от целевого назначения и основных функций различают:

Системы автоматического (либо автоматизированного) управления и контроля.

Системы передачи информации.

Системы обработки информации (вычислительные системы).

Чтобы уяснить взаимосвязь указанных задач, место и роль электронных цифровых устройств, используемых в названных системах, рассмотрим обобщённые структурные схемы этих систем и функциональное назначение их составных частей.

В1.1. Системы автоматического управления

Управлять означает знать состояние (положение) управляемого объекта и в соответствии с заданным алгоритмом (алгоритмом управления) воздействовать на объект, стремясь устранить возникающие отклонения.

Поэтому управление в общем случае связано с выполнением следующих действий:

получение информации о состоянии объекта;

сопоставление полученной информации с заданной информацией о состоянии объекта;

формирование управляющих сигналов (воздействий);

воздействие на объект с целью приведения его в требуемое состояние.

В соответствии с перечисленными действиями в систему автоматического управления (САУ) в общем случае должны входить информационно-измерительное устройство, устройство управления и исполнительное устройство (рис. В1).

Информационно-измерительное устройство (ИИУ) получает информацию об объекте управления (ОУ) и предварительно её обрабатывает. Получение информации заключается в формировании первичных сигналов, значения которых пропорциональны значениям параметров, характеризующих состояние ОУ. Под объектом можно понимать как отдельную производственную установку, так и производственный процесс в целом. А под параметрами «выходные координаты» объекта. Это могут быть, например, значения температуры, давления, расхода материалов или энергии и тому подобное. Поскольку большинство таких координат-параметров представлены в аналоговой форме и характеризуются бесконечным множеством значений, то сигналы должны быть нормализованы по своим параметрам, масштабированы и иметь унифицированную форму.

Поэтому в ИИУ должны быть первичные измерительные преобразователи и датчики, аналого-цифровые преобразователи и другие функциональные узлы, с помощью которых выполняются следующие преобразования:

значений физических величин в унифицированные аналоговые сигналы постоянного или переменного тока;

масштабирование или нормирование сигналов по уровню и форме;

преобразование аналоговых сигналов в дискретные (цифровые) сигналы;

кодирование сигналов и некоторые другие преобразования.

Сигналы о текущих значениях координат поступают на устройство управления (УУ). В функции этого устройства входит сравнение текущих значений с заданными значениями координат и формирование по результатам сравнения сигналов управления (управляющих сигналов). Заданные значения могут вводиться человеком-оператором либо автоматически программно. В первом случае в качестве УУ может использоваться автоматический регулятор или несколько автоматических регуляторов, уставки которым определяет и задаёт человек. Во втором случае УУ представляет собой программный автомат минилибо микроЭВМ и роль человека-оператора сводится к вводу программы и первоначальному пуску системы.

Для выполнения указанных функций от УУ требуется выполнять арифметические и логические операции по вычислению значений и сравнению сигналов, кратковременному и долговременному запоминанию (хранению) сигналов и формированию управляющих унифицированных сигналов. Последние содержат информацию, на основе которой далее формируются воздействия на объект управления (управляющие воздействия), приводящие его в требуемое состояние.

Непосредственно воздействия требуемой физической природы формирует исполнительное устройство (ИУ). Оно преобразует управляющие сигналы, например, в виде напряжения постоянного или импульсного тока, в скорость вращения исполнительного двигателя, в механическое перемещение клапана на паропроводе и так далее. Для выполнения этих преобразований потребуются: преобразователи цифровых сигналов в аналоговые; преобразователи электрических сигналов в неэлектрические; усилительные устройства и т. д. При этом в качестве промежуточных могут потребоваться преобразователи кодов цифровых сигналов, либо формы представления сигналов. Например, кодов двоичных чисел в пропорциональное количество импульсов, однофазных сигналов в многофазные, используемые для управления шаговыми двигателями и т. д.

Под действием возмущающих воздействий объект выходит из нормального состояния (режима), а САУ возвращает его в требуемый (нормальный) режим работы. Процесс управления протекает в реальном масштабе времени, то есть со скоростью, определяемой характером физических процессов. Если управляющие воздействия запаздывают во времени либо чрезмерны, то может возникнуть неустойчивый режим работы системы, при котором координаты объекта могут принять недопустимые значения и либо сам объект, либо отдельные устройства системы выйдут из строя возникнет аварийный режим. Поэтому в теории САУ основными являются проблемы обеспечения устойчивости и точности управления.

Большинство из перечисленных преобразований могут быть выполнены с помощью цифровых микроэлектронных устройств. Полностью цифровым является УУ, когда оно строится на основе управляющих микроЭВМ либо на цифровых микросхемах.

На цифровых микросхемах выполняются цифровые датчики физических величин, а так же частично аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов.

В1.2. Системы передачи информации (СПИ)

При увеличении расстояния между ИИУ и УУ (рис. В1), а также между УУ и ИУ, возникает задача передачи информации. Необходимость передачи информации на значительные расстояния возникает не только в пространственно развитых системах автоматического управления и контроля, но и в системах других видов связи (телеграфной, телефонной, телефаксной и др.). Кроме того, необходимость передачи информации возникает в вычислительных системах, системах передачи данных, телемеханических системах и т. д. Эта задача осложняется тем, что в процессе передачи по линиям связи искажаются параметры сигналов и это, в свою очередь, может привести к искажению информации к снижению её верности (вероятности правильного её приёма). Искажение же сигналов обусловлено действием помех, возникающих в линиях связи. Помехи, как правило, имеют случайный характер и по своим параметрам могут и не отличаться от параметров сигналов. Поэтому они «способны» искажать сигналы и даже «воспроизводить» информацию трансформировать передаваемое сообщение. Последнее самое нежелательное событие в передаче информации.

Чтобы обеспечить высокую верность и максимальную скорость (эффективность) передачи информации, требуются дополнительные преобразования сигналов и специальные методы их передачи.

К таким преобразованиям относятся кодирование и обратная процедура декодирование информации (и сигналов). Кодирование есть процедура преобразования сообщения в сигнал. При этом преобразования осуществляются по определённым правилам, совокупность которых называется кодом.

Кодирование информации выполняется на передающей стороне, а декодирование на приёмной. Различают помехоустойчивое кодирование и эффективное. Цель помехоустойчивого кодирования построить (сформировать) сигнал, менее подверженный действию помех, придать ему такую структуру, чтобы возникшие в процессе передачи ошибки на приёмной стороне можно было бы обнаружить либо исправить. И, тем самым, обеспечить высокую верность передачи.

Цель эффективного кодирования обеспечить максимальную скорость передачи информации, так как её ценность во многом определяется, насколько своевременно она получена. Согласно этому требованию закодированное сообщение должно нести требуемое количество информации и, в то же самое время, иметь минимальную длину, чтобы на передачу потребовалось минимум времени.

Передача сигналов (и информации) осуществляется по каналам связи. Канал связи это тракт (путь) независимой передачи сигналов от источника к соответствующему приёмнику (получателю) информации. Каналы связи образуются техническими средствами каналообразующей аппаратурой и так же, как и линии связи подвержены влиянию помех.

Одной из основных решаемых в СПИ задач является задача создания требуемого числа каналов связи. Эффективность и помехоустойчивость передачи во многом определяется используемыми каналами связи. Под помехоустойчивостью понимают способность системы (сигнала, кода) правильно выполнять свои функции в условиях действия помех.

Обычно одну и ту же систему можно использовать для передачи информации от многих источников к соответствующему числу приёмников (получателей). Поэтому образование требуемого числа каналов с необходимой помехозащищённостью возлагается на устройство связи. При этом в устройстве связи могут выполняться следующие преобразования: модуляция и демодуляция сигналов; усиление передаваемых в линию и принимаемых из линии связи сигналов; ограничение по уровню и частотному спектру сигналов и некоторые другие.

В зависимости от области использования (применения) СПИ возникает необходимость в дополнительных преобразованиях таких, как преобразование формы сигналов, их физической природы, нормирование параметров поступающих извне сигналов и сигналов, выдаваемых системой на внешние устройства; временное хранение передаваемых в канал связи и выдаваемых системой сигналов.

Перечисленные преобразования предопределяют функциональный состав передающей и приёмной аппаратуры систем передачи информации (рис.В2).

Как видно по схеме, передача осуществляется в одном направлении слева направо. Устройство ввода и первичного преобразования информации (УВПИ) преобразует поступающие от источников информации сигналы в унифицированные «первичные» сигналы, которые невозможно непосредственно передать на большие расстояния. Обычно, эти унифицированные сигналы представляют собой напряжение постоянного тока с фиксированными значениями по уровню. В блоке УВПИ первичные сигналы сохраняются на время передачи (в буферном запоминающем устройстве), после чего стираются из памяти. Кодирующее устройство (КУ) преобразует первичные сигналы в кодированные сигналы, имеющие определённую структуру и формат, допускающие возможность передачи их (сигналов) на большие расстояния («телесигналы»). Как правило, это устройство является комбинационным, хотя в ряде случаев может быть выполнено и последовательностным (многотактным). Здесь реализуются логические и арифметические операции процедур кодирования.

Основным назначением устройства связи (рис. В2) является создание или организация каналов связи на предоставленной линии связи. Линия связи это материальная среда между передатчиком (Прд) и приёмником (Прм) системы. На рисунке условно показана двухпроводная линия электрической связи. Однако могут использоваться радиолинии и волоконно-оптические линии связи и другие. В зависимости от типа линии в Прд и Прм выполняются различные преобразования сигналов с целью согласования их параметров и характеристик с параметрами и характеристиками линии связи и преобразования, направленные на повышение помехоустойчивости сигналов.

На приёмной стороне принятые из линии связи кодированные сигналы вновь преобразуются декодирующим устройством (ДКУ) в первичные сигналы. При этом в принятых сигналах процедурами декодирования обнаруживаются и могут исправляться ошибки и, тем самым, обеспечивается требуемая верность передачи информации. А выходные преобразователи (ВП) преобразуют эти первичные сигналы в форму и вид (физическую природу), которую могут воспринимать получатели информации.

Следует отметить, что большинство функциональных «узлов» и «блоков», показанных на рис. В2, могут быть выполнены на цифровых микросхемах. Поэтому системы передачи информации, как правило, являются цифровыми.

В1.3. Системы обработки информации

(вычислительные системы)

Перечисленные выше типовые задачи могут быть решены и формализованы математическими и логическими методами. В свою очередь названные методы оперируют простейшими операциями (арифметическими или логическими), выполнением которых над некоторыми «исходными данными» получается новый результат, ранее неизвестный. Эта общность методов решения разнообразных задач по обработке информации позволила создать отдельный класс устройств и систем, целевым назначением которых (первоначально) была автоматизация вычислительных процедур электронные вычислительные машины (ЭВМ). На современном этапе развития вычислительной техники ЭВМ «превратились» в компьютеры, на основе которых строятся современные компьютерные системы обработки и передачи информации. Обобщённая структурная схема некоторой вычислительной системы приведена на рис. В3.

Обрабатываемые данные предварительно через устройство ввода Увв поступают на запоминающее устройство ЗУ, где сохраняются на всё время обработки. В этом же ЗУ хранится и программа обработки поступающей информации.

Программа работы системы так же, как и «данные», хранятся в запоминающем устройстве в виде многоразрядных двоичных чисел, записанных в ячейки ЗУ по определённым адресам (адресам ячеек памяти). Двоичные числа, совокупность которых отображает программу обработки данных, структурированы на определённое число частей, каждая из которых имеет определённое назначение. В простейшем случае имеются следующие части: 1) код операции, которую надо выполнить с двумя двоичными числами, отображающими значения «данных» и называемыми «операндами»; 2) адрес первого операнда; 3) адрес второго операнда. Совокупность этих частей образует «команду».

Работа ЭВМ заключается в последовательном выполнении команд, заданных программой. Координирует работу всех блоков во времени и управляет ими управляющее устройство УУ. А непосредственно логические и арифметические операции (действия) над операндами выполняет арифметико-логическое устройство АЛУ, которое по сигналу от УУ «код операции» каждый раз настраивается на выполнение конкретной операции.

Устройство управления расшифровывает поступившую от ЗУ команду (рис. В3 «очередная команда»), код операции направляет на АЛУ и оно готовится к выполнению соответствующей операции. Затем формирует сигналы выборки из ЗУ операндов (см. сигнал «Адреса данных») и определяет адрес очередной команды, которую следует выполнить на следующем такте работы ЭВМ («Адрес очередной команды»). По сигналам от УУ из ЗУ считываются операнды, и АЛУ выполняет необходимые действия. При этом образуется промежуточный результат («Результат операции»), который также сохраняет ЗУ. В зависимости от результата выполнения операции может появиться необходимость изменения последовательности выполнения команд, либо прекратить обработку данных, либо вывести оператору сообщения об ошибках. Для этой цели с АЛУ на УУ поступает сигнал «Признак результата». Процесс обработки введённых данных (информации) продолжается до тех пор, пока не будет извлечена команда «Конец вычислений», либо оператор по своему усмотрению не остановит процесс обработки данных.

Полученный результат обработки также хранится в ЗУ и может быть выведен через устройство вывода Увыв по окончании процесса обработки либо в ходе процесса, если это предусмотрено программой.

Для «общения» оператора с ЭВМ предусматриваются терминальные устройства ТУ, предназначенные для ввода оператором команд и других сообщений и для вывода оператору «сообщений» со стороны ЭВМ.

На рис. В3 не показаны связи управляющего устройства, обеспечивающие синхронизацию работы всех составных частей ЭВМ. Широкими стрелками отображается возможность параллельной передачи данных (одновременной передачи всех разрядов многоразрядных двоичных чисел).

Практически все показанные на рис. В3 блоки (кроме терминальных устройств) могут быть полностью выполнены только на цифровых интегральных микросхемах (ИМС). В частности, УУ, АЛУ и часть ЗУ (регистровая память СОЗУ) могут быть выполнены в виде одной ИМС большой степени интеграции. Названная совокупность блоков образует микропроцессор центральный процессор ЭВМ, выполненный средствами интегральной технологии на одном кристалле полупроводника.

Устройства ввода и вывода данных, как правило, состоят из буферных запоминающих регистров, служащих для временного хранения, соответственно, вводимых и выводимых данных и для согласования системы с внешними устройствами.

Запоминающее устройство (ЗУ) обычно разделяют на две части: оперативное ЗУ (ОЗУ) и постоянное ЗУ. Первое служит для хранения промежуточных результатов вычислений, его «содержимое» постоянно изменяется в процессе обработки данных. ОЗУ работает в режимах «считывания» и «записи» данных. А второе, постоянное ЗУ (ПЗУ), служит для хранения стандартных подпрограмм и некоторых системных (служебных) подпрограмм, управляющих процессами включения и выключения ЭВМ. Как правило, ПЗУ выполняется на программируемых пользователем ИМС ПЗУ (ППЗУ), либо заранее запрограммированных на заводах-изготовителях ИМС ПЗУ, либо перепрограммируемых пользователем ПЗУ (РеПЗУ). Обычно это энергонезависимые запоминающие устройства, в которых записанная информация не «разрушается» даже при их отключении от источника питания.

В состав АЛУ входят одноимённого названия ИМС, выполняющие логические и арифметические операции с двоичными числами, логические элементы и ряд других функциональных узлов, служащих для сравнения чисел цифровые компараторы, для увеличения быстродействия выполняемых арифметических операций, например «блоки ускоренного переноса» и т. д.

В состав УУ входят таймерные устройства, задающие тактовую частоту работы системы и, в конечном итоге, определяющие её производительность, дешифраторы кодов команд, программируемые логические матрицы, регистры, блоки микропрограммного управления, а также «порты» ввода-вывода.

Все перечисленные функциональные узлы выполняются в виде интегральных цифровых устройств.

Основными проблемами вычислительных систем являются, во-первых, повышение их производительности (быстродействия). И, во-вторых, обеспечение работы систем в реальном «масштабе» времени.

Первая проблема носит общесистемный характер и решается путём применения новой элементной базы и специальных методов обработки информации.

Вторая проблема возникает при использовании вычислительных систем для управления производственными процессами и заключается в том, что скорости протекания производственных и вычислительных процессов должны быть согласованы. Действительно, функционирование вычислительной системы (ВС) происходит в так называемом «машинном» времени, когда за единицу времени принимается некоторый фиксированный и неделимый интервал времени, называемый «тактом работы» ЭВМ или компьютера, тогда как реальные физические процессы, например технологические процессы, протекают в реальном времени, измеряемом в секундах, долях секунды, в часах и т. д. Чтобы применение ЭВМ стало возможным, необходимо скорость обработки информации сделать не менее скорости протекания реальных физических процессов. Решение этой проблемы достигается организацией специальных методов обмена информацией (данными) управляющей ЭВМ с периферийными устройствами и применением специальных, так называемых интерфейсных схем и устройств. В функции интерфейсных схем входит:

определение адреса внешнего устройства, требующего обмена информацией с процессором либо с запоминающим устройством системы;

формирование сигналов прерывания работы процессора ВС и инициализация перехода к программе обслуживания объекта, запросившего прерывание. Это осуществляется по специальной системе приоритетов;

реализация очередей на обслуживание внешних устройств;

согласование по параметрам и времени сигналов обмена и т. д.

Благодаря современным достижениям в области интегральной технологии в изготовлении микроэлектронных устройств, созданию микроЭВМ и компьютеров, характеризующихся малыми габаритами, малым потреблением энергии и приемлемой стоимостью, стало возможным их применение в составе систем самого различного назначения. При этом эти системы приобретают новые качества и становятся многофункциональными с возможностью гибкого перехода от одного режима работы к другому путём простого изменения конфигурации систем. В свою очередь, эти достоинства открывают новые перспективы в применении компьютерных систем в самых разнообразных областях человеческой деятельности: в науке, в медицине, в образовании и подготовке кадров и тем более в технике.

Например, телефонная связь традиционно осуществлялась аналоговыми устройствами, когда человеческая речь передавалась (по проводам) сигналами в виде переменных токов звуковых частот. Теперь же наметился интенсивный переход к цифровой телефонной связи, при которой аналоговые сигналы (от микрофона) преобразуются в цифровые, передаваемые на большие расстояния без существенных искажений. На приёмной стороне эти цифровые сигналы вновь преобразуются в аналоговые и доводятся до телефона. Переход к цифровой связи позволяет повысить качество передачи речи, кроме того, телефонную сеть можно использовать для других услуг: охранной сигнализации; пожарной сигнализации; для «конференцсвязи» нескольких абонентов и так далее.

В2. Сравнительная оценка цифровых и аналоговых устройств

микроэлектронной техники

Решая вопрос о построении или проектировании, какого либо устройства, следует предварительно принять решение о направлении проектирования, каким будет устройство? Аналоговым либо дискретным (цифровым)? В свою очередь, это решение можно принять, зная достоинства и недостатки тех и других устройств. Предварительно дадим определения понятиям «аналоговые» и «цифровые» устройства.

Аналоговым называется такое устройство, у которого все сигналы входные, выходные и промежуточные (внутренние) являются непрерывными, описываются непрерывными математическими функциями. Эти сигналы характеризуются бесконечным множеством значений по уровню (состояниям) и непрерывны во времени, хотя диапазон изменения значений непрерывного сигнала ограничен. Поэтому иногда такие устройства называют устройствами непрерывного действия.

Дискретными устройствами или устройствами дискретного действия называют такие, у которых входные, выходные и промежуточные сигналы характеризуются счётным множеством значений по уровню и существованием в определённые интервалы времени. Такие сигналы можно отобразить в той или иной позиционной системе счисления (соответствующими цифрами). Например, в десятичной системе счисления либо двоичной системе счисления. Двоичное представление сигналов нашло наибольшее применение в технике и в формальной логике при исчислении высказываний и при выводе умозаключений из нескольких посылок. Поэтому дискретные устройства называют логическими (по аналогии с формальной двоичной логикой) или цифровыми, принимая во внимание возможность описания их с помощью чисел позиционной системы счисления.

Недостатки технических средств аналоговой техники

Наличие «дрейфа» и «шумов». Дрейф это медленное изменение сигнала, обусловленное дискретной природой явлений, по отношению к заданному его значению. Например, для электрических сигналов дискретную природу протекания электрического тока обуславливают электроны и «дырки», являющиеся носителями электрических зарядов. Шумы это случайные изменения сигнала, вызванные внешними или внутренними факторами, например, температурой, давлением, напряжённостью магнитного поля Земли и т. д.

Методологические трудности в определении понятий «равенство нулю» и «равенства аналоговых сигналов». И как следствие существование проблемы «обеспечения заданной точности (погрешности)» преобразований и передачи сигналов.

Возможность появления неустойчивых режимов работы и существование проблемы «обеспечения устойчивости» работы систем и устройств. Неустойчивый режим характеризуется возникновением в устройстве или системе незатухающих колебаний в изменении некоторых сигналов. В электронике это явление широко используется при построении генераторов импульсов и генераторов гармонических колебаний.

Технические трудности в реализации запоминающих устройств и устройств временной задержки аналоговых сигналов.

Недостаточный уровень интеграции аналоговых элементов и их универсальности.

Сравнительно малая дальность передачи аналоговых сигналов, обусловленная рассеянием энергии в линиях связи.

Сравнительно большое потребление энергии, так как аналоговые элементы работают на линейных участках их переходных характеристик и «потребляют» энергию в начальных (исходных) состояниях.

Достоинства технических средств аналоговой техники

Адекватность отображения физических процессов и закономерностей: и те и другие описываются непрерывными зависимостями. Это позволяет существенно упрощать принципиальные технические решения аналоговых устройств и систем.

Оперативность и простота изменения режимов работы: часто достаточно изменить сопротивление резистора или ёмкость конденсатора, чтобы неустойчивый режим сменился на устойчивый либо обеспечить заданный переходный процесс в устройстве.

Отсутствие необходимости в преобразовании аналоговых величин в дискретные. Эти преобразования сопровождаются погрешностью и определённой тратой времени.

Достоинства технических средств цифровой техники

Возможность программного управления, что увеличивает гибкость изменения структуры и алгоритма функционирования систем, позволяет упростить реализацию адаптивных законов управления.

Простота обеспечения заданной надёжности, точности и помехоустойчивости работы систем.

Простота обеспечения совместимости устройств с устройствами обработки информации в цифровой форме (ЭВМ, компьютерами).

Высокая степень конструктивной и функциональной интеграции, универсальности с возможностью построения систем по типовым проектным решениям. В свою очередь это позволяет сокращать затраты на производство и эксплуатацию систем и устройств.

Возможность проектирования формальными логическими методами, что позволяет сокращать сроки проектирования устройств и даёт возможность изменения функций устройств (и систем на их основе) методами агрегатного построения в процессе эксплуатации.

Недостатки технических средств цифровой техники

Необходимость преобразования аналоговых сигналов в дискретные. Эти преобразования сопровождаются появлением погрешности и задержками во времени.

Относительная сложность изменения режимов работы. Для этого необходимо менять структуру системы либо алгоритм её функционирования.

Сложность процессов анализа функционирования систем, как при проверке правильности их работы, так и при поиске возникающих неисправностей. Цифровые устройства характеризуются большой функциональной сложностью, что требует специальных «диагностических» устройств, которые изучаются в специальной области техники, называемой технической диагностикой.

Повышенные требования к культуре производства и к культуре обслуживания технических средств цифровой техники. В свою очередь, это стимулирует необходимость повышения квалификации обслуживающего персонала и требует от него высокой квалификации.

Сравнительный анализ перечисленных достоинств и недостатков даёт вывод в пользу технических средств цифровой техники. Поэтому в настоящее время цифровые устройства широко внедряются, казалось бы, в традиционные области аналоговой техники: телевидение, телефонную связь, в технику звукозаписи, радиотехнику, в системы автоматического управления и регулирования.

1. Основы микроэлектронной техники

1.1. Основные понятия и определения

Микроэлектроника основное направление электроники, которое изучает проблемы конструирования, исследования, создания и применения электронных устройств с высокой степенью функциональной и конструктивной интеграции.

Микроэлектронное изделие, реализованное средствами интегральной технологии и выполняющее определённую функцию по преобразованию и обработке сигналов, называется интегральной микросхемой (ИМС) или просто интегральной схемой (ИС).

Микроэлектронное устройство совокупность взаимосвязанных ИС, выполняющая законченную достаточно сложную функцию (либо несколько функций) по обработке и преобразованию сигналов. Микроэлектронное устройство может быть конструктивно оформлено в виде одной микросхемы либо на нескольких ИМС.

Под функциональной интеграцией понимают увеличение числа реализуемых (выполняемых) некоторым устройством функций. При этом устройство рассматривается как единое целое, неделимое. А конструктивная интеграция это увеличение количества компонентов в устройстве, рассматриваемом как единое целое. Примером микроэлектронного устройства с высокой степенью конструктивной и функциональной интеграции, является микропроцессор (см. выше), который, как правило, выполняется в виде одной «большой» ИМС.

Схемотехника является частью микроэлектроники, предметом которой являются методы построения устройств различного назначения на микросхемах широкого применения. Предметом же цифровой схемотехники являются методы построения (проектирования) устройств только на цифровых ИМС.

Особенностью цифровой схемотехники является широкое применение для описания процессов функционирования устройств формальных либо формально-естественных языков и основанных на них формализованных методов проектирования. Формальными языками являются булева алгебра (алгебра логики, алгебра Буля) и язык «автоматных» логических функций алгебра состояний и событий. Благодаря использованию формализованных методов, достигается многовариантность в решении прикладных задач, появляется возможность оптимального выбора схемотехнических решений по тем или иным критериям.

Формальные методы характеризуются высоким уровнем абстракции отвлечения, пренебрежения частными свойствами описываемого объекта. Акцентируется внимание только на общих закономерностях во взаимных связях между компонентами объекта его составными частями. К таким «закономерностям», например, относятся правила арифметических действий в алгебре чисел (правила сложения, вычитания, умножения, деления). При этом отвлекаются от смысла чисел (количество ли это яблок, либо столов и т. д.). Эти правила строго формализованы, формализованы и правила получения сложных арифметических выражений, а также процедуры вычислений по таким выражениям. В таких случаях говорят, формальными являются и синтаксис и грамматика языка описания.

У формально-естественных языков синтаксис формализован, а грамматика (правила построения сложных выражений) подчиняется грамматике естественного языка, например русского либо английского. Примерами таких языков являются различные табличные языки описания. В частности, теоретической базой описания цифровых устройств является «Теория конечных автоматов» или «Теория релейных устройств и конечных автоматов».

1.2. Классификация микроэлектронных устройств

Всё многообразие микроэлектронных устройств (МЭУ) можно классифицировать по различным признакам:

по принципу и характеру действия;

по функциональному назначению и выполняемым функциям;

по технологии изготовления;

по области применения;

по конструктивному исполнению и техническим характеристикам и так далее.

Рассмотрим теперь более детально разделение МЭУ по классификационным признакам.

По принципу (характеру) действия все МЭУ подразделяются на аналоговые и цифровые. Выше уже были даны понятия аналоговых и дискретных устройств и, в том числе цифровых. Здесь же отметим, если в дискретных устройствах все сигналы принимают только два условных значения логического нуля (лог.0) и логической единицы (лог.1), то устройства называют логическими. Как правило, все цифровые устройства относятся к логическим устройствам.

В зависимости от выполняемых функций (функционального назначения) различают следующие микроэлектронные устройства:

I. Аналоговые

1.1. Усилительные устройства (усилители).

1.2. Функциональные преобразователи, выполняющие математические операции с аналоговыми сигналами (например, интегрирование, дифференцирование и т. д.).

1.3. Измерительные преобразователи и датчики физических величин.

1.4. Модуляторы и демодуляторы, фильтры, смесители и генераторы гармонических колебаний.

1.5. Запоминающие устройства.

1.6. Стабилизаторы напряжений и токов.

1.7. Интегральные микросхемы специального назначения (например, для обработки радиои видеосигналов, компараторы, коммутаторы и т. д.).

II. Цифровые МЭУ

2.1. Логические элементы.

2.2. Шифраторы, дешифраторы кодов и кодопреобразователи.

2.3. Запоминающие элементы (триггеры).

2.4. Запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, ПЛМ и др.).

2.5. Арифметико-логические устройства.

2.6. Селекторы, формирователи и генераторы импульсов.

2.7. Счётные устройства (счётчики импульсов).

2.8. Цифровые компараторы, коммутаторы дискретных сигналов.

2.9. Регистры.

2.10. Микросхемы специального назначения (например, таймерные, микропроцессорные комплекты ИС и т. д.).

Приведённая классификация далеко не исчерпывающая, но позволяет сделать вывод, что номенклатура цифровых устройств значительно шире номенклатуры аналоговых МЭУ.

Кроме перечисленных, существуют микросхемы преобразователей уровней сигналов, например триггеры Шмита, у которых входные сигналы являются аналоговыми, а выходные дискретными, двоичными. Такие микросхемы занимают промежуточное положение. Аналогично, микросхемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), коммутаторы аналоговых сигналов, управляющиеся дискретными сигналами, следует отнести к «промежуточным» МЭУ.

В зависимости от количества реализуемых функций различают однофункциональные (простые) и многофункциональные (сложные) МЭУ. В многофункциональных устройствах функции могут выполняться одновременно либо последовательно во времени. В зависимости от этого, в первом случае, устройства называют устройствами «параллельного» действия, а во втором случае устройствами последовательного действия или «последовательностными». Если настройка многофункционального устройства на выполнение той или иной функции осуществляется путём коммутации входов (физической перекоммутацией электрических цепей), то такое устройство называют устройством с «жёсткой логикой» работы. А если изменение выполняемых функций производится с помощью дополнительных внешних сигналов (на так называемых управляющих входах), то такие МЭУ следует отнести к «программно-управляемым». Например, ИМС арифметико-логических устройств (АЛУ) могут реализовать арифметические либо логические операции с двумя многоразрядными двоичными числами. А настройка на выполнение арифметических (либо логических) операций осуществляется одним дополнительным внешним сигналом, в зависимости от значения которого будут выполняться желаемые действия. Поэтому АЛУ следует отнести к программно-управляемым МЭУ.

По технологии изготовления все ИМС делятся на:

Полупроводниковые;

Плёночные;

Гибридные.

В полупроводниковых ИС все компоненты и соединения выполнены в объёме и на поверхности кристалла полупроводника. Эти ИС делятся на биполярные микросхемы (с фиксированной полярностью питающих напряжений) и на униполярные с возможностью смены полярности питающего напряжения. В зависимости от схемотехнического исполнения «внутреннего содержания» биполярные микросхемы делятся на следующие виды:

ТТЛ транзисторно-транзисторной логики;

ТТЛш транзисторно-транзисторной логики с транзисторами и диодами Шотки;

ЭСЛ эмиттерно-связанной логики;

И²Л инжекционной логики и другие.

Микросхемы униполярной технологии выполняются на МДП-транзисторах («металл-диэлектрик-полупроводник»), либо на МОП-транзисторах («металл-окисел-полупроводник»), либо на КМОП-транзисторах (комплиментарные «металл — окисел — полупроводник»).

В плёночных ИС все компоненты и связи выполняются только на поверхности кристалла полупроводника. Различают тонкоплёночные (с толщиной слоя менее 1 микрона) и толстоплёночные с толщиной плёнки более микрона. Тонкоплёночные ИС изготавливаются методом термовакуумного осаждения и катодного распыления, а толстоплёночные методом шелкографии с последующим вжиганием присадок.

Гибридные ИС состоят из «простых» и «сложных» компонентов, расположенных на одной подложке. В качестве сложных компонентов обычно используются кристаллы полупроводниковых либо плёночных ИС. К простым относятся дискретные компоненты электронной техники (транзисторы, диоды, конденсаторы, индуктивности и т. д.). Все эти компоненты конструктивно располагаются на одной подложке и на ней также выполняются электрические соединения между ними. Причём одна подложка с расположенными на ней компонентами образуют один «слой» гибридной ИС. Различают однослойные и многослойные гибридные ИС. Многослойная гибридная ИС способна выполнять достаточно сложные функции по обработке сигналов. Такая микросхема равносильна по действию «микроблоку» устройств, либо, если она предназначена для самостоятельного применения, действию «целого» блока.

Кроме того, любые микросхемы оцениваются количественным показателем их сложности. В качестве такого показателя используется «степень интеграции» k, равная десятичному логарифму от общего количества N компонентов, размещённых на одном кристалле полупроводника, то есть

k = lq N. (1)

В соответствии с формулой (1) все микросхемы делятся на микросхемы 1-й, 2-й, третьей и так далее степеней интеграции. Степень интеграции лишь косвенно характеризует сложность микросхем, поскольку принимается во внимание только конструктивная интеграция. Фактически же сложность микросхемы зависит и от количества взаимных связей между компонентами.

В инженерной практике используется качественная характеристика сложности микросхем в понятиях «малая», «средняя», «большая» и «сверхбольшая» ИС.

В табл.1.1 приведены сведения о взаимном соответствии качественных и количественных мер сложности ИС по их видам.

Таблица 1.1

Из анализа табл.1.1 следует, что в сравнении с цифровыми ИС аналоговые микросхемы при одинаковых степенях интеграции имеют в своём составе (на кристалле полупроводника) более чем в три раза, меньшее число компонентов. Это объясняется тем, что активные компоненты (транзисторы) аналоговой микросхемы работают в линейном режиме и рассеивают большее количество энергии. Необходимость отвода тепла, выделяющегося при рассеянии энергии, ограничивает количество компонентов, размещаемых на одном кристалле. У цифровых микросхем активные компоненты работают в ключевом режиме (транзисторы либо заперты, либо открыты и находятся в режиме насыщения). В этом случае рассеиваемая мощность незначительна, и количество выделяемого тепла также незначительно и следовательно число компонентов на кристалле может быть размещено больше. (Размеры кристаллов стандартизованы и ограничены.) При униполярной технологии объём кристалла, занимаемый под полевой транзистор приблизительно в три раза меньше объёма, занимаемого биполярным транзистором (n-p-n или p-n-p типа). Этим объясняется тот факт, что активных компонентов на кристалле стандартных размеров в униполярной микросхеме можно разместить больше.

По конструктивному исполнению в зависимости от функциональной сложности микроэлектронные устройства подразделяются:

на простые микросхемы (ИМС);

на микросборки;

на микроблоки.

ИМС микроэлектронное изделие, изготавливаемое в едином технологическом цикле, пригодное для самостоятельного применения или в составе более сложных изделий (в том числе, микросборок и микроблоков). Микросхемы могут быть бескорпусными и иметь индивидуальный корпус, защищающий кристалл от внешних воздействий.

Микросборка микроэлектронное изделие, выполняющее достаточно сложную функцию (функции) и состоящее из электрорадиокомпонентов и микросхем, изготавливаемое с целью миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. По существу гибридные микросхемы являются микросборками. Самой простой микросборкой может быть, например, набор микрорезисторов, выполненных на кристалле полупроводника и оформленных в едином корпусе (как микросхема).

Микроблок также является микроэлектронным изделием, состоит из электрорадиокомпонентов и интегральных схем и выполняет сложную функцию (функции).

Как правило, микросборки и микроблоки изготавливаются в различных технологических циклах, и, может быть, на разных заводах-изготовителях.

В качестве классификационных технических характеристик обычно используются потребляемая мощность (одной микросхемой) и быстродействие.

По потребляемой мощности все ИМС можно разделить на: а) микромощные (менее 10 мВт); б) маломощные (не более 100 мВт); в) средней мощности (до 500 мВт) и г) мощные (более или = 0,5 Вт).

По быстродействию (максимальным задержкам времени распространения сигналов через ИС) микросхемы делятся условно на: а) сверхбыстродействующие с граничной частотой f_гр переключений свыше 100 МГц; б) быстродействующие (f_гр от 50 МГц до 100 МГц); в) нормального быстродействия (f_гр от 10 МГц до 50 МГц). При этом задержки распространения составляют порядка от единиц наносекунд (10^-9с.) до 0,1 микросекунды (1s =10^-6с.).

Цифровые микроэлектронные устройства, в том числе микросхемы и другие устройства дискретного действия, удобно классифицировать по характеру зависимости выходных сигналов от входных. Как это принято в теории конечных автоматов. В соответствии с этим признаком все устройства принято разделять на комбинационные и последовательностные.

В комбинационных устройствах значения выходных сигналов в какой-либо момент времени однозначно определяются значениями входных сигналов в этот же момент времени. Поэтому можно считать, что работа таких устройств не зависит от времени. Их ещё называют устройствами «без памяти», однотактными устройствами или устройствами однотактного действия. В теории конечных автоматов комбинационные устройства называют «примитивными конечными автоматами».

В последовательностных устройствах значения выходных сигналов (выходные сигналы) зависят от значений входных сигналов не только в рассматриваемый момент времени, но и от значений входных сигналов в предыдущие моменты времени. Поэтому такие устройства называют устройствами с «памятью», многотактными устройствами, а в теории конечных автоматов, просто? конечным автоматом (не тривиальным).

При рассмотрении учебного материала, в дальнейшем, за основную примем именно эту классификацию, так как методы построения (синтеза) и процессы функционирования названных устройств существенно различаются.

Заканчивая изложение вопросов классификации, отметим, что приведённый перечень классификационных признаков и перечень наименований микроэлектронных изделий (микросхем) далеко не исчерпывающий. В дальнейшем, по мере необходимости, этот перечень мы дополним.

1.3. Логические элементы

Логические элементы относятся к простейшим комбинационным «устройствам», имеющим один выход и один-два входа. Своё название они получили по той причине, что их функционирование полностью можно описать логическими функциями и в частности булевыми функциями.

Как и в формальной логике, все высказывания могут быть истинными либо ложными, так и логические функции могут принимать только два условных значения: логической единицы (лог.1) «истина» и логического нуля (лог.0) «ложь».

При описании работы логических элементов выходным сигналам ставят в однозначное соответствие функции, а входным сигналам аргументы этих функций. Таким образом, и функции, и аргументы функций, а также входные и выходные сигналы логических элементов являются двоичными. Если пренебречь реальным временем перехода логического элемента из одного состояния (состояния лог.1) в другое (состояние лог.0), то ни аргументы и ни функции не будут зависеть от фактора времени переменной времени. Правила получения и преобразования логических выражений рассматривает алгебра логики или булеваалгебра.