Под элементом понимается наименьшая функционально и конструктивно законченная часть ЦВМ, которая выполняет какую-либо логическую (булеву) функцию (логический элемент) или какое-либо другое преобразование информации. В настоящее время элементы реализуют в составе микросхем. Микросхема - это микроэлектронное изделие с повышенной степенью интеграции. Будем считать, что понятия микросхема и интегральная схема равноценны. В зависимости от используемых сигналов различают элементы и микросхемы аналоговые, аналого-цифровые и цифровые. В зависимости от степени интеграции, то есть от числа элементов в составе микросхемы, различают микросхемы малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции. В зависимости от технологии изготовления различают микросхемы, выполненные по интегральной, гибридной или плёночной технологии. Интегральная технология предполагает выполнение всех деталей в одном кристалле полупроводника (чаще всего – кремния). Гибридная технология предполагает применение интегральных элементов в бескорпусном варианте, которые монтируются на изоляторе и соединяются с помощью напылённых проводников. Плёночная технология предполагает применение плёнок даже при изготовлении активных компонентов.
В зависимости от базовой схемы, которая используется при реализации элементов в микросхеме, различают микросхемы, выполненные по следующим технологиям:
1. ДТЛ - диодно-транзисторная логика;
2. ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика;
3. ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика;
4. ТТЛШ – ТТЛ с диодами Шотки;
5. МОП (металл- окись- полупроводник);
6. МДП (металл- диэлектрик- полупроводник);
7. КМОП – комплементарные МОП;
8. КМДП - комплементарные МДП;
В зависимости от используемых транзисторов различают микросхемы, выполненные по биполярной технологии и по МДП-технологии. Цифровые микросхемы выпускают в виде серий элементов или микросхем. Элементы или микросхемы одной серии - это микросхемы, выполненные в одинаковых корпусах, с одинаковыми характеристиками, с одинаковым питанием и предназначенные для совместного применения. В микросхемах одной серии обязательным условием их совместного применения является одинаковый способ представления в них двоичной информации, одинаковые логические уровни.
Чтобы успешно использовать элементы в составе цифровых устройств необходимо учитывать хотя бы некоторые параметры используемых элементов. Выделим основные параметры, учёт значений которых позволяет создавать работоспособные цифровые устройства и определять их быстродействие и входные и выходные допустимые токи в статике.
1. Логические уровни - это уровни напряжения, которые соответствуют нулю и единице - U¹ и U°.
2. Пороговое напряжение (UПОР) - это граница раздела нуля и единицы в бесконечной цепочке элементов.
3. Максимальная величина входного тока (IВХ.MAКС ) определяется при нуле и единице на входе.
4. Максимальный выходной ток элемента (IВЫХ.МАКС) определяет его нагрузочную способность. Выходные токи также определяются при уровнях логического нуля и логической единицы на выходе элемента.
5. Нагрузочная способность (КН) в пределах серии элементов определяется максимально допустимым количеством элементов (а точнее, входов элементов) той же серии, которые могут быть подключены к выходам элементов.
6. Быстродействие элементов (tЗДР) определяется временем задержки информации и продолжительности фронтов сигналов на выходе. Проектируемое устройство будет работоспособно, если во всех используемых в нём элементах логические уровни одинаковы, если с выходов элементов потребляется допустимый ток.
Знание входных и выходных токов элементов позволяет определить входные и выходные токи всего устройства, а знание времени задержки используемых элементов позволяет оценить быстродействие всего устройства.
2.3. Разновидности электрических схем.
Электрическая схема – способ изображения цифрового изделия на плоскости с использованием условных графических обозначений (УГО) элементов и узлов. Вычислительная техника использует 3 разновидности электрических схем:
1) схема электрическая структурная (Э1);
2) схема электрическая функциональная (Э2);
3) схема электрическая принципиальная (Э3).
На структурных схемах изображают прямоугольниками или другими графическими обозначениями основные функциональные части изделия и основные взаимосвязи между ними. Графическое построение схемы должно давать представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. Стрелками на линиях взаимосвязи показывают направление хода процессов, происходящих в изделии. Структурная схема даёт общее представление о функциональном составе (из каких блоков, частей или устройств состоит изделие) изделия и взаимодействии основных блоков между собой. По функциональной схеме можно понять принцип функционирования изделия, из каких основных узлов состоит изделие. При синтезе цифровых устройств с использованием булевой алгебры, если схема проектируется не на определённой серии элементов, не в определённом базисе элементов создаётся именно функциональная схема. Примерами функциональных схем являются схемы, приведенные на рисунке 1.2. Если же проектируется функциональная схема сложного устройства, то в составе этого устройства могут присутствовать комбинационные и накапливающие узлы, представление которых в виде совокупностей инверторов, конъюнкторов и дизъюнкторов нецелесообразно, потребует слишком много места и усложнит
Рисунок 1.2 – Примеры функциональных схем цифровых устройств
анализ работы устройства. В таком случае на функциональных схемах комбинационные узлы изображаются в виде трапеции, а накапливающие узлы в виде прямоугольников, причём информационные входы и выходы располагаются примыкающими к более длинной стороне, а управляющие сигналы - к короткой стороне. Поток информации на функциональной схеме должен идти сверху вниз или слева направо. Направление передачи информации кодируется стрелкой. Высота изображения узла на схеме равна Н=10,15...мм. Длина изображения L=1.5Н. Если необходимо особо подчеркнуть разрядность узла, которая существенно больше разрядности других узлов, длина изображения выбирается больше. Примеры изображений комбинационных узлов показаны на рисунке 1.3. Идентификатором DC представлен дешифратор, а идентификатором SM помечен комбинационный сумматор.
Принципиальные схемы используются при изготовлении изделия. Поэтому на них должна быть полная информация обо всех соединениях, разводке питания, используемых деталях, микросхемах. Перечень используемых деталей прилагается к принципиальной схеме как дополнительный документ или предлагается непосредственно на схеме, если деталей немного. слишком много места, усложнит анализ работы устройства. В таком случае на функциональных схемах комбинационные узлы изображаются в виде трапеции, а накапливающие узлы в виде прямоугольников, причём информационные входы и выходы располагаются примыкающими к более длинной стороне, а управляющие сигналы - к короткой стороне.
Рисунок 1.3 - Условные обозначения комбинационных узлов на функциональных схемах
Пример изображения накапливающего узла на функциональных схемах показан на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 – Пример условного обозначения накапливающего узла на функциональных схемах
Принципиальные схемы используются при изготовлении изделия. Поэтому на них должна быть полная информация обо всех соединениях, разводке питания, используемых деталях, микросхемах. Перечень используемых деталей прилагается к принципиальной схеме как дополнительный документ или предлагается непосредственно на схеме, если деталей немного.
Рисунок 1.5 – Условные обозначения логических элементов: а) элемент без дополнительных полей; б)элементы с дополнительными полями
На принципиальных схемах логические элементы и узлы изображаются в виде прямоугольников, имеющих только основное поле, если выполняемая функция достаточно проста (рис. 1.5, а), или имеющих кроме основного - дополнительные поля (рис.1.5, б).
Входы и выходы располагаются с противоположных длинных сторон условного обозначения. Внутри основного поля, напротив верхнего входа, располагается символ выполняемой основной функции, под которым располагают маркировку используемой микросхемы. Входы и выходы помечаются метками (при необходимости). У входов и выходов условных обозначений элементов указывают номера контактов микросхемы, в состав которой входят эти элементы.
На всех электрических схемах обычно не показывают линии питания каждой микросхемы. На принципиальной схеме способ подведения питания к микросхеме показывают с помощью текста или специальных таблиц.
Контрольные вопросы
1. Какими электрическими сигналами представляют двоичные переменные?
2. Какова разница между аналоговым и цифровым сигналом?
3. Что такое положительная и отрицательная логика?
3. Чем характеризуются микросхемы одной серии?
4. Какие логические функции реализуется при параллельном и последовательном соединении транзисторов?
5. Назовите основные параметры логических элементов.
6. Какие разновидности электрических схем вы знаете? В чём их разница?
Литература
1.Интернет-ресурс 2 https://www.tverhtk.ru/library/predmets/pc_systems/Osnovy_shemotehniki_cifrovyh_ustrojstv_2005.pdf (Основы схемотехники цифровых устройств. Конспект лекций. Л.А.Брякин. 2005 г.), стр.5-6, 17-19, 20-25.
2.Ответы на контрольные вопросы.