110250 (Электротехника и основы электроники)

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургская государственная академия

холода и пищевых технологий

Кафедра электротехники

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания

для самостоятельного изучения дисциплины

''Электротехника и основы электроники''

для студентов всех специальностей

Санкт-Петербург 1999

УДК 621.3

Евстигнеев А. Н.

, Кузьмина Т.Г. , Новотельнова А. В. Основы

цифровой электроники: Метод. указания для сомостоятельного изучения дисциплины '' Электротехника и основы электроники '' для студентов всех спец. - СПб.: СПбГАХПТ , 1999. - 41 с.

Содержит основные сведения о современной элементарной базе цифровых электронных схем.

Ил. – 25 , табл . – 7 , библиогр. – 10 назв.

Рецензент

Канд. техн. наук, доцент А. И. Васильев

Одобрены к изданию советом факультета техники пищевых производств

©

Санкт-Петербургская государственная

академия холода и пищевых технологий, 1999

ВВЕДЕНИЕ

Любая электронная схема от простейшего выпрямителя до сложней-шей ЭВМ предназначена для обработки электрического сигнала: усиление (масштабирование), выпрямление, сглаживание (изменение формы, запоми-нание, суммирование и пр.). По способу представления обрабатываемого сигнала электронные устройства принято подразделять на аналоговые и цифровые.

В аналоговых устройствах используются переменные, изменяющие свое значение в определенном диапазоне значений между верхним и ниж-ним пределами. Это естественно, когда обрабатываемые сигналы являются непрерывными по своей природе или представляют собой непрерывно изменяющиеся напряжения, поступающие от измерительных приборов (например, от устройств для измерения температуры, давления, влажности и т.п.). Пример аналогового сигнала U (t) приведен на рис. 1,а.

Однако входной сигнал по своей природе может быть и дискретным, например, импульсы в детекторе частиц или ''биты'' информации, поступаю- щие от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобных случаях удобно использо-вать цифровую электронику, т.е. схемы, которые имеют дело с информацией, представленной в виде ''единиц'' и ''нулей''. Цифровые переменные имеют только два уровня, (рис. 1,б). Эти уровни напряжения называют верхним и нижним, или обозначают терминами ''истина'' и ''ложь'', которые связаны с булевой логикой, или ''включено'' и ''выключено'', которые отражают состояние релейной системы, а чаще ''нулем'' и ''единицей''.

Благодаря высокой эффективности цифровые методы широко используются для передачи, отбора и запоминания информации, даже в тех случаях, когда входные и выходные данные имеют непрерывную или анало- говую форму. В этом случае информацию необходимо преобразовывать при помощи цифро-аналоговых (ЦАП) и аналогово-цифровых преобразователей (АЦП).

а б

верхний предел высокий уровень

нижний предел низкий уровень

а –аналоговый сигнал; б –цифровой сигнал;

ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема – это микроэлектронное изделие выпол-няющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее не менее пяти элементов (транзисторов, диодов, резисторов, кон- денсаторов), которые нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.

Высокая надежность и качество в сочетании с малыми размерами, массой и низкой стоимостью интегральных микросхем обеспечили их широ- кое применение во многих отраслях народного хозяйства.

По конструктивно-технологическим признакам различают пленочные, полупроводниковые и гибридные микросхемы.

Пленочные микросхемы изготавливают посредством послойного нанесения на диэлектрическое основание (подложку) пленок различных материалов с одновременным формированием транзисторов, диодов и т.п. Пленочные микросхемы делятся на тонкопленочные (толщина пленки до 1мкм) и толстопленочные.

Полупроводниковая интегральная микросхема – это интегральная микросхема, все элементы и межэлектродные соединения которой выполне- ны в объеме и на поверхности проводника (рис. 2 а,б).

При изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем обычно используют планарную технологию.

Активные и пассивные элементы полупроводниковой интегральной микросхемы избирательно формируют в одном монокристалле полупровод- ника. Соединение элементов между собой в полупроводниковой интеграль- ной микросхеме может быть выполнено как в объеме, так и на поверхности монокристалла полупроводника путем создания на окисленной поверхности полупроводника токоведущих дорожек, например, методом вакуумного на-пыления металла. В качестве конденсаторов в микросхемах используют об-ратно смещенные p-n-переходы или конденсаторные структуры Si-SiO2-металл. Роль резисторов выполняют участки поверхности полупроводни-кового кристалла или p-n-переход, смещенный в прямом или обратном нап-равлении, а также канал МДП-транзисторов.

В интегральной микросхеме не всегда можно указать границу между отдельными элементами. Например, вывод конденсатора может одновре-менно являться электродом конденсатора. Из-за малых межэлектродных расстояний и наличия общего для всех элементов схемы кристалла (подлож-ки) в микросхемах создаются достаточно сложные паразитные связи, а так же появляются паразитные элементы, которые, как правило, ухудшают все парараметры микросхемы, как функционального узла радиоэлектронной аппаратуры.

а

б

в

Рис. 2

а – эквивалентная схема; б – структура полупроводниковой интегральной микросхемы;

в – структура гибридной интегральной микросхемы;

Гибридная интегральная микросхема – это интегральная микросхема пассивные элементы которой выполнены посредством нанесения различных пленок на поверхность диэлектрической подложки из стекла, керамики или ситалла, а активные элементы – навесные полупроводниковые приборы без корпусов (рис. 2,в).

Гибридные интегральные микросхемы позволяют использовать пре- имущества пленочной технологии в сочетании с полупроводниковой тех-нологией.

Полупроводниковая интегральная микросхема может быть изготов- лена по совмещенной технологии – активные элементы выполнены в объеме полупроводникового монокристалла, а пассивные элементы – на защищен-ной (например, окислом) поверхности монокристалла в тонкопленочном ис-полнении. На этой же поверхности сделаны и токопроводящие дорожки и площадки. Поскольку транзисторы и диоды полупроводниковой интеграль- ной микросхемы, изготовленной по совмещенной технологии находятся внутри монокристалла (подложки), размеры такой интегральной микросхе-мы могут быть значительно уменьшены по сравнению с размерами гибрид-ной интегральной микросхемы, в которой используются дискретные актив-ные элементы, занимающие сравнительно много места на подложке.

1.1. Основные параметры интегральных микросхем

Плотность упаковки – это число элементов электронной схемы в одном кубическом сантиметре объема интегральной микросхемы.

Степень интеграции x определяется количеством элементов n, вхо- дящих в состав интегральной микросхемы.

x = lg n

Микросхема 1 степени интеграции содержит до 10 элементов (мало- масштабная интегральная схема – мис). Микросхема 2 степени интеграции (среднемасштабная – сис) содержит от 10 до 100 элементов. Микросхема 3 степени интеграции содержит от 10² до 10³ элементов и относится к катего-рии больших интегральных микросхем (БИС). Сверхбольшие (СБИС) имеют

степень интеграции более 1000 элементов (табл. 1).

Таблица 1

Уровень сложности ИС		Количество интегрированных элементов		Параметры функционального назначения ИС
МИС		≤ 10		Биполярные ячейки, простые логические элементы, дифференциальные усилительные каскады
СИС		10 – 100		Триггеры, регистры, сумматоры, операцион- ные усилители, коммутаторы
БИС		100 – 1000		Полупроводниковые запоминающие и ариф- метико-логические устройства
СБИС	> 1000		Микропроцессоры, однокристальные микро- ЭВМ, аналого-цифровые преобразователи

1.2. Серии и семейства серий интегральных схем

Серия – это комплект из нескольких типов интегральных схем, имею- щих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначен- ных для совместного применения в аппаратуре. Интегральные схемы, входя- щие в серию, имеют единые эксплутационные показатели и используются как совместимые наборы деталей, пригодные для создания электронной ап- паратуры любой степени сложности.

Серии интегральных схем, совместимые друг с другом по логическим

уровням, условиям эксплуатации и конструктивным показателям, могут образовывать семейства серий интегральных схем.

2. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логические и запоминающие элементы составляют основу устройств цифровой обработки информации – вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией: преобразуют по определенным правилам входную информацию в выход-ную. Операции, используемые при обработке цифровой информации, осно-ваны на двоичной системе счисления, представляющей информацию в виде слов – комбинаций символов 1 и 0.

Обработка цифровой информации логическими элементами произво-дится по законам и правилам алгебры логики, разработанной в XIX веке английским ученым Дж. Булем.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

1. логическое сложение (дизъюнкцию) или операцию ИЛИ

F=x1+x2+…+xn

2. логическое умножение (конъюкцию) или операцию И

F= x1 · x2·…·xn

1. логическое отрицание (инверсию) или операцию НЕ

F= x

Определение этих операций дается с помощью таблиц истинности, содержащих перечисление всех возможных сочетаний (наборов) входных переменных (входных слов).

Каждая простая логическая функция может быть технически реализо- вана простыми элементами, к которым относятся элементы И, ИЛИ, НЕ и их комбинации.

На рис. 3 приведены условные обозначения логических элементов и таблицы истинности.

Из простых элементов можно составить сколь угодно сложные логи-ческие устройства, например, счетчики импульсов, регистры, сумматоры, блоки памяти и т.п.

На практике применяют комбинированные элементы, реализующие две логические операции, например, элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Они назы-ваются функционально полными, т.к. позволяют реализовать любую логи-ческую функцию. Например, имея набор элементов И-НЕ можно построить схему ИЛИ.

Наименование функции	Условное графи- ческое обозначение	Выражение функции	Таблицы истинности
			x1	0	0	1	1
			x2	0	1	0	1
ИЛИ		y= x1+x2	y	0	1	1	1
И		y= x1 ·x2	y	0	0	0	1
НЕ		_ y= x1	y	1	1	1	0
ИЛИ-НЕ		___ y= x1+x2	y	1	0	0	0
И-НЕ		____ y= x1 ·x2	y	1	1	1	0

Рис. 3

Элемент И-НЕ (штрих Щеффера) выполняет операцию

___________

F= x1 · x2 · x3 ·…· xn

Элемент ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса) выполняет операцию