Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Логическая схема, соответствующая таблице истинности в табл. 3.2 Х вымя Рис.3.б. Временные диаграм мы для логической схемы, изображенной на рис. 3 4 ДЛЯ НЕСПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ НАДЕЖДА ОСТАЕТСЯ Если весь этот электрический «материал» вас беспокоит, не волнуйтесь, по крайней мере пока. Остальная часть книги написана так, — насколько это было возможно, — чтобы ее можно было читать независимо от материала этой главы. Но позже, если вам придется проектировать и создавать реальные цифровые системы, у вас возникнет потребность в этом материале. Итак, даже если вы ничего не знаете об аналоговой электронике, вам нужно понимать логику работы цифровых схем.
Но когда в процессе разработки и отладки приходится учитывать временные соотношения, любой разработчик цифровой 3.2.Семейстеапогическихсхем 113 техники должен временно отказаться от «цнфровой абстракции» и рассмотреть аналоговые явления, которые ограничивают или нарушают работу цифровых схем. Оставшаяся часть этой главы пол готовит вас к этому путем рассмотрения электрических характеристик схем. 3.2. Семейства логических схем Существует очень много способов проектирования электронных логических схем. В первых электрически управляемых логических схемах, разработанных в 30-е годы фирмой Вей ЕаЬогагог)ез, применялись реле.
В середине 40-х годов в первой электронной цифровой вычислительной машине «Эниак» 1Еп 1ас) использовались логическиее схемы на вакуумных лампах. В «Эниаке» было около 18000 ламп и примерно столько же логических вентилей, что совсем не много по сегодняшним меркам, когда кристаллы микропроцессоров содержат десятки миллионов транзисторов. Однако «Элиах» мог нанести вам гораздо больше неприятностей, чем чип, если бы вы «уронили» его — он имел 100 футов в длину, 1О футов в высоту, был глубиной 3 фута и потреблял мощность! 40 кВт! Изобретение полупроводникового диода 1зет!сопсЬсгог а!оде) и биполярного плоскастнога транзистора (Ыро!аг )ипсг!оп ггаплйга«) привело к появлению в конце 50-х годов более быстрых и мощных компьютеров меньших размеров. В 60- е годы изобретение интегральной схемы (ОС; !пгейгагей с!гси!г, !С) позволило создавать на одном кристалле большое число диодов, транзисторов и других компонентов, и компьютеры стали еще лучше.
Первые семейства интегральных логических схем также появились в 60-е годы. Семейство логических схем !!ай!с Татйу) — это набор различных ИС, имеющих сходные входные, выходные и внутренние характеристики, но выполняющих различные логические функции. Микросхемы одного семейства можно соединять между собой для реализации любой желаемой логической функции.
С другой стороны, микросхемы разных семейств могут быть не совместимы из-за различных напряжений питания или из-за других уровней, представляющих логические значения. Наиболее удач н ы м о казалось семейство логических схем на биполярных транзисторах (Ыро!аг !о8!с Татйу) — транзисторно-транзисторная логика 1ТТЛ; !галл!в!ах-!гапвглгог !ай!с, ТТЬ).
ТТЛ-схемы впервые появились в 60-х годах и сегодня представлены фактически несколькими семействами логических схем, совместимых друг с другом, но отличающихся по быстродействию, потребляемой мощности и стоимости. В разных частях цифровой системы могут быть использованы компоненты нескольких различных ТТЛ-семейств всоответствии с целями и ограничениями проекта.
Хотя в 90-е годы ТТЛ-схемы были в значительной степени заменены КМОП-схемами, в учебных лабораториях все же можно встретить ТТЛ- компоненты; поэтому в параграфе 3.10 пойдет речь о семействе ТТЛ. За десять лет да изобретения биполярного плоскостного транзистора были запатентованы принципы работы транзистора другого типа, названного палевым транзистором со структурой «металл-окисел-полупроводник» (те!а!-охи!в летгсопйисгог !)«Ы-«Яес! и апзйгог, МОЯгЕТ), или просто МОТ1-транзисторам ()ГОя палл!згог).
Однако первое время, до 60-х годов, МОП-транзисторы было 1 14 Глава Э. Цифровые схемы трудно изготавливать, и лишь благодаря ряду достижений логические схемы и устройства памяти на основе МОП-транзисторов стали реальными. Но все же МОП- схемы значительно отставали от биполярных интегральных схем по быстродействию и были привлекательны для применения только в отдельных случаях нз-за меньшей потребляемой мощности и большей степени интеграции. Начиная с середины 80-х годов, прогресс в создании МОП-схем, особенно комплсмсптарпык МОП-скем к<МОП-схем; сотр)степ<агу МО5 (СМОЛ) с<гав<<э], позволил значительно улучшить их характеристики и такие схемы стали более популярными. В большинстве новых сверхбольших интегральных схем типа микропроцессоров и блоков памяти использована КМОП-технология.
Кроме того, в приложениях малого и среднего уровня сложности, для которых когда-то были выбраны логические семейства ТТЛ, теперь, вероятно, будут применяться КМОП-схемы с аналогичными функциональными возможностями, нос ббльшим быстродействием и меньшей потребляемой мощностью. КМОП схемы теперь составляют подавляющую часть мирового рынка ИС.
КМОП-логика является одновременно наиболее подходящей н самой простой для создания логических схем. Начиная со следующего параграфа, мы опишем базовую структуру логических КМОП-схем и предо<явим самые распространенные серийные семейства КМ ОП-логики. Как следствие длительного перехода промышленности от ТТЛ- к КМОП-логике, многие КМОП-семейства был разработаны так, чтобы в какой-то мере быть совместимыми с семействами ТТЛ. В параграфе 3.12 мы покажем, как можно обьединять в пределах одной системы ТТЛ- и КМОП-схемы. З.З.
КМОП-логика Функциональное поведение логической КМОП-схемы понять довольно просто, даже если ваши знания аналоговой электроники не особенно глубоки. Главным элементом в структуре логических КМОП-схем являются описываемые ниже МОП- транзисторы; чаще всего логические КМОП-схемы только нз ннх и состоят.
Но до рассмотрения МОП-транзисторов и логических КМОП-схем, мы должны поговорить о логических уровнях. 3.3.1. Логическиеуревни КМОП-схем Абстрактные логические элементы оперируют двоичными цифрами 0 и 1. Однако реальные логические схемы имеют дело с электрическими сигналами в виде уровней напряжения. В любой логической схеме имеется диапазон напряжений (нли другие состояния схемы), соответствующий логи <ескому О, и другой, не перекрывающийся с ним диапазон напряжений, соответствующий логической 1. Типичная логическая КМОП-схема работает от 5-вольтового источника питания. Такая схема может интерпретировать любое напряжение в диапазоне 0-1.5 В как логический 0 и напряжение в диапазоне 3.5 — 5.0  — как логическую 1.
Таким образом определяются низкий уровень и высокий уровень для 5-вольтовой КМОП- логики (рис. 3.6). Не предполагается, что напряжение окажется в промежуточной области (1.5 — 3 5 В), кроме интервалов времени, когда сигнал переходит от одного уровня к другому; в противном случае логические значения будут не определены 3.3.
КМОП-логмка 115 (то есть схема может интерпретировать их и как О, н как 1). У КМОП-схем с другими напряжениями питания — например, З.З или 2.7 вольта — имеется аналогичное разделение диапазонов напряжений. хо в Рис. 3.6. Логические уровни для типичных логических КМОП-схем неопределены — ный логичес- кий уровен~ ьчв п.о в 3.3.2. МОП-транзисторы МОП-транзистор можно представить как устройство с 3 выводами, которое действует подобно управляемому напряжением резистору. Как изображено на рис. 3.7, напряжение, приложенное ко входу, изменяет сопротивление между нижним и верхним выводами. В логических схемах МОП-транзистор работает так, что его сопротивление всегда либо очень велико (при этом транзистор «закрыт»), либо очень мало (при этом транзистор «открыт»).
Рис. 3.7. Представление МОП-транзистора в виде резистора, сопротивление которого зависит от управляющего напряжения Чт П--- Существуют два типа МОП-транзисторов: с п-каналом и с р-каналом; названия определяются типом полупроводникового материала, использован ного в качестве управляемого резистора. Условное обозначение МОП-транзистора с каналом ппипа 1пМОП-траиэистор; п-с)вапп«1 МОЯ ПУМА ггапзузуаг) приведено на рис.
3.8. Выводы имеют следующие названия: затвор фаге), исток (заигсе) и сток ( в' ат). Птядя на условное обозначение транзистора, можно догадаться, что в нормальных условиях потенциал стока выше потенциала истока. Резистор. упрввляемый нвпрякением. с Рис. 3.8, условное обозначеоток увеличением ч, значение л, уменьшв- ние мОп-транзистора с кана- лом л-типа Примечание обычно Ч„>0 Напряжение между затвором н истоком (р" ) у МОП-транзистора с каналом п- Ф типа обычно равно нулю или положительно. Если 1' = О, то сопротивление межлу м стоком и истоком (Н ) очень велико и составляет, по крайней мере, мегаом ПО иы Ом) или больше. По мере увеличения р (то есть с увеличением напряжения на Вв затворе) Я„, уменьшается до очень малого значения порядка! О Ом, ау некоторых транзисторов и меньше.
Условное обозначение МОП-транзистора с каналом р-тила 1рМОП-транзисторр; рсувапп«1 МОЯ (РМО3) ггапзвтаг) приведено на рис. 39. Его функциониро- 116 Глава 3. Цифровые схемы ванне аналогично работе МОП-транзистора с каналом п-типа, за исключением того, что обычно исток имеет более высокий потенциал, чем сток, а уг равно вя нулю или отрицательно. Если р равно нулю, то сопротивление между истоком и стоком (тт ) очень велико. С уменьшением )г (когда напряжение на затворе сталь вя новится все более отрицательным) Я уменьшается, принимая в конце концов оченьмалое значение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
