книги / Практическая цифровая схемотехника

Можно предположить, что после 0 не сразу будет 1 и есть и некоторая «нейтральная» зона (ни 0, ни 1). Эти уровни различаются для входных и выходных сигналов, причем выходные несколько «лучше» (шире диапазон), ибо каждый элемент как бы восстанавливает сигнал, но по пути к очередному элементу сигнал как бы «ухудшается» (ỳже диапазон, говорят также о запасе помехоустойчивости). К слову сказать, специальные восстановители сигналов являются важнейшими элементами программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), а обеспечение качественной формы сигналов (целостности) при передаче по линиям связи, особенно при скоростной передаче данных – это отдельная сложная задача отдельных специальных дисциплин.

На рис. 10: Voh – (output high) уровень 1 на выходе; Vih – (input high) уровень 1 на входе; Vil – (input low) уровень 0 на входе; Vol – (output low) уровень 0 на выходе.

а

б

Рис. 10. Диапазоны сигналов в логических элементах:

а – абстрактные уровни; б – конкретный пример 2,5V CMOS

Иногда рассматривают Vt – (toggle) – уровень переключения. Между Vh и Vl располагается зона неопределенности. Если помеха приводит к попаданию в эту зону, то это может привести к неправильной работе элемента.

11

4. ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Кроме напряжений V, необходимо учитывать и токи I. Ток потребления, умноженный на напряжение питания, определяет потребляемую мощность элемента. Выходные токи или, точнее, токи по выходу для инвертора указаны на рис. 11.

а

б

Рис. 11. Выходные токи для инвертора: а – I вых. 1; б – I вых. 0

Видим, что токи для разных состояний выхода текут в разных направлениях. Кроме того, несмотря на то, что транзисторы разной проводимости должны всегда работать в противофазе, при переключениях возникает кратковременная ситуация, когда открыты оба, что приводит к короткому замыканию – к импульсу сквозного тока.

Рассматриваются также I вх.1; I вх. 0. В более сложных случаях рассматривают I вых.1 max; I вых.0 max; I вх.1 max; I вх. 0 max. Потребляемая мощность элемента зависит от напряжения питания и делится на статическую и динамическую. Статическая мощность (Static Energy) потребляется элементом, который не переключается. При переключении потребляется динамическая мощность (Dynamic Energy), пропорциональная частоте переключения. Полная мощность равна сумме статической и динамической составляющих. Мощность может измеряться в Ваттах (W, например, в нановаттах, nW, или микроват-

12

тах, uW) или в Джоулях (J, например, в атто-Джоулях, aJ, это 10 в минус 18-й степени Джоуля). Если ранее динамическая мощность преобладала, то при достижении наноразмеров, наоборот, преобладает статическая мощность за счет так называемых токов утечки (Leakage). В так называемых Tri-Gate-транзисторах используется эффективное средство борьбы с утечками, сохраняемое фирмой «Интел» в строжайшем секрете.

5. НАГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (КОЭФФИЦИЕНТ РАЗВЕТВЛЕНИЯ)

Очевидно, что выход элемента с учетом его тока по выходу можно подключать только к определенному количеству других элементов. Это так называемая нагрузочная способность. В справочниках указывается нагрузочная способность элементов (коэффициент разветвления по выходу, Fan-out). Например, указано, что рекомендуемая нагрузочная способность некоторого элемента по выходу ≤ 3. То есть выход данного элемента нельзя подключать более чем трем элементам (по одному входу на элемент). Поэтому при необходимости подключения большего числа элементов, следует, например, дублировать элемент, но это тоже требует учета нагрузочной способности предыдущих элементов. Можно использовать также, например, четное число инверторов для своего рода «усиления» выходного сигнала.

6. БЫСТРОДЕЙСТВИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Важнейшим параметром логических элементов является быстродействие. Быстродействие – это характеристика скорости реакции сигнала на выходе элемента при изменении сигнала на его входе. Говорят о так называемой задержке распространения (propagation delay) или просто о задержке. Поскольку сигналы не идеально прямоугольные, то часто замеряют задержку относительно половины уровня, как, например, показано для инвертора на рис. 12.

13

Рис. 12. Задержка распространения для инвертора

Таким образом, различают задержки по фронту (с 0 на 1) и по срезу (с 1 на 0). Часто используют английские обозначения,

например, Tr – фронт (rise), Tf – срез (fall), Tplh – с 0 (low) на 1 (high), Tphl (с 1 на 0) p-propagation delay. У инвертора один вход и один выход. Для более сложных элементов задержки по разным входам-выходам могут быть разные. На рис. 13 приведен пример таблицы задержек для элемента 4И-4И-2ИЛИ-НЕ.

Рис. 13. Пример таблицы задержек для элемента 4И-4И-2ИЛИ-НЕ

14

Ясно, что надо брать максимальное значение задержки (3,6 наносекунды), с помощью которого можно получить максимально возможную частоту. Если она будет превышена, то элемент может работать неправильно.

7. СОГЛАСОВАНИЕ УРОВНЕЙ СИГНАЛОВ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УРОВНЕЙ

Иногда в одном проекте используют микросхемы разных технологий и уровней питания, поэтому необходимо тщательное согласование уровней сигналов логических элементов [3, 21, 22]. Для этих целей используют, например, специальные элементы в микросхемах так называемых преобразователей уровня. Например, КМДП (CMOS – Complimentary MOS) 561(564,1561)ПУ 4 преобразует уровни КМДП к ТТЛ (TTL – Transistor-Transistor Logic) (рис. 14).

Рис. 14. Условное графическое обозначение преобразователя уровня

Имеется также ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика (ECL) (рис. 15).

15

Рис. 15. Обозначения преобразователей уровня по ГОСТ 2.743-91: а – ТТЛ/МОП; б – ЭСЛ/ТТЛ

8. РАСШИРЕНИЕ МЕСТНОСТИ ЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ

Инверсия – одноместная логическая операция (см. рис. 1). 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ – двухместные операции. Местность операций в схемотехнике называют коэффициентом объединения по входу. В микросхемах ТТЛ имеются элементы 4И-НЕ, 8И-НЕ, 4ИЛИ-2И-НЕ и др. В микросхемах КМОП местности операции не превышают четырех. Это связано с ограничением на число последовательно соединенных транзисторов (так как происходит существенное падение напряжения на них), лучшее значение – три, при четырех помехоустойчивость снижается. Очевидно, что для расширения местности операций выходы элементов нельзя соединять параллельно (если это не выходы с открытым, например, коллектором – об этом речь далее), так как создаются предпосылки логической неопределенности, кроме того возникают своего рода «состязания» логических состояний, и так называемый уравнительный ток может привести к неисправности. Поэтому необходимо использовать математический аппарат, изучаемый в дисциплине «Дискретная математика и математическая логика», для декомпозиции требуемого логического выражения в заданном базисе с заданной местностью операций.

В то же время в ТТЛ логике имеются так называемые логические расширители, пример на рис. 16.

16

Рис. 16. Логический расширитель

На рис. 16 показано увеличение местности ИЛИ-НЕ до четырех с использованием входов с открытым эмиттером (Э) и коллектором (С). Используются соответствующие обозначения

(рис. 17).

Рис. 17. Обозначение открытых выходов по ГОСТ

9. НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ВХОДЫ,

НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Неиспользуемые входы КМОП и ТТЛ (Ш) подключаются к константам, не изменяющим логику работы. Подключение к уже задействованным входам возможно, но не желательно, поскольку это может привести к увеличению входного тока и снижению быстродействия. В ЭСЛ имеются специальные резисторы, обеспечивающие необходимые условия, поэтому здесь на

17

«лишние» входы не обращают внимания. В ТТЛ на неподключенных входах уже имеется логическая единица, что не учитывает, например, система схемотехнического моделирования, используемая в дисциплине. В КМОП неподключенный вход логически эквивалентен нулю, что соответствует используемой модели. Это надо учитывать при моделировании.

Иногда в микросхеме задействованы не все элементы, но питание подано на все. Поэтому имеет смысл установить константами режим минимальной мощности потребления этих неиспользуемых элементов.

10. ВЫХОДЫ БИПОЛЯРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ОТКРЫТЫМ КОЛЛЕКТОРОМ. МОНТАЖНАЯ ЛОГИКА

Монтажное И, ИЛИ (Wired AND, Wired OR) для двух биполярных логических элементов 2И-НЕ с открытым коллектором изображено на рис. 18.

Рис. 18. Элемент с открытым коллектором и использование его для монтажной логики

То есть здесь можно соединять выходы разных элементов. Если выход хотя бы одного элемента 2И-НЕ равен нулю, то на выходе – ноль. Если выходы обоих 2И-НЕ в единицах – то на

выходе единица x0 x1 & x2 x3 .

То бишь говорят так: для выходных единиц двух 2И-НЕ – монтажное И, для нулей – ИЛИ. Обозначения монтажной логики по ГОСТ приведено на рис. 19.

18

Рис. 19. Обозначения монтажной логики

Вместо резистора (см. рис. 18) иногда можно включить в коллекторную цепь обмотку реле (уровень источника питание должен быть достаточным для срабатывания реле), контакт которого, может быть подключен в цепь другого источника питания. Получаем так называемый «сухой контакт» и гальваническую развязку с объектом управления (рис. 20).

Рис. 20. Обмотка реле в коллекторной цепи биполярного транзистора МП 25, управляемого мультивибратором (рисунок взят из интернет-ресурсов и находится

всвободном доступе)

11.ЭЛЕМЕНТ С ТРЕМЯ СОСТОЯНИЯМИ

(ТРИСТАБИЛЬНЫЙ БУФЕР)

ВКМОП схемах в случае отключения сразу двух соответствующих друг другу транзисторов p и n проводимости получают так называемое третье состояние на выходе. Для создания элемента с тремя состояниями используют, например, инвертор, два дополнительных транзистора отключения от шин питания и разрешающий сигнал Е с дополнительным инвертором (рис. 21).

19

Рис. 21. Элемент с тремя состояниями на выходе

В случае, если сигнал разрешения Е = 0, шины питания подключены к инвертору, и на выходе наблюдается либо 0

(Х = 1), либо 1 (Х = 0) (рис. 22).

Рис. 22. Элемент с тремя состояниями на выходе, Е = 0, элемент работает как инвертор

Если сигнал разрешения Е = 1, то выход элемента фактически отключен («висит в воздухе», ток не течет ни туда, ни сюда), это и есть третье состояние, высокоимпедансное состояние с высоким выходным сопротивлением, Z-состояние (рис. 23).

20