СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ_18.2.17 (855859), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Логические элементы с тремя состояниями на выходе предназначены для работы на общую шину, образуемую объединением выходов нескольких микросхем. На шине выход одной микросхемы находится в обычном состоянии и управляет шиной, а выходы остальных микросхем находятся в третьем состоянии.

Токи утечки выходов с тремя состояниями для некоторых микросхем достаточно велики (до 10 мкА), что требует, например, использование подтягивающего резистора (по типу резистора в схеме монтажного ИЛИ-НЕ рис. 1.26).

1.4.7. Мощность, потребляемая микросхемами.

Мощность, потребляемая от источника питания при работе цифровых устройств является важным фактором при оценке их эффективности. Особенно важны мощностные характеристики для мобильных устройств( определяет периоды подзарядки аккумуляторов) и для устройств, работающих на предельных частотах( определяет сложность охлаждающих узлов).

Мощность, потребляемая микросхемами, делится на статическую и динамическую.

1. Статическая мощность определяется как произведение тока потребления на напряжение питания.

В этой формуле статический ток потребления I_CCS отнесен к корпусу микросхемы, который может содержать несколько элементов. Величина тока потребления указывается в справочниках по микросхемам.

2. Динамическая мощность содержит две составляющие:

• Мощность P_CCD1, связанная с перезарядкой емкостей, подключенных к выходу цифрового элемента. Это C_L – емкость нагрузки, равная сумме выходной емкости элемента, входных емкостей подключенных элементов и емкости монтажа.

В формулу для расчета динамической мощности входит время цикла работы микросхемы T_CY. Это обычно период импульсов CLK или другая характерная величина, связанная с реальной частотой переключения элемента.

Замечание: Мощность P_CCD1 рассчитывается на один элемент, входящий в корпус микросхемы.

• Мощность P_CCD2, связанная с перезарядкой внутренних емкостей и сквозной ток для корпуса микросхемы. Для расчета этой составляющей динамической мощности применяется эквивалентная емкость С_PD, связанная с рассеиванием энергии в микросхеме. Эта емкость указывается в справочниках по микросхемам и относится ко всей микросхеме.

Для определения суммарной мощности потребления микросхемой вначале суммируют динамические мощности P_CCD1 по работающим элементам корпуса микросхемы, затем прибавляют статическую мощность P_CCS и динамическую мощность P_CCD2.

Для микросхем КМОП серий основной является динамическая мощность.

1.4.8.Многозначные модели сигналов

В начале главы были рассмотрены двоичные, Булевские модели сигналов, в которых сигнал принимает только два возможных значения 0 и 1 и функции логических элементов описываются средствами Булевой алгебры.

Но в этой алгебре например нет средств представления высокоимпедансного значения сигнала, которое появляется на выходе тристабильного буферного элемента..

В отличие от Булевой алгебры, где сигналы имеют только два уровня, в практической схемотехнике используется многозначная логика.

Четырехзначная логика

При использовании четырехзначной модели ,сигналам назначаются логические уровни из следующего списка:

"1" – высокий логический уровень сигнала,

"0" – низкий логический уровень сигнала,

"Х" – неопределенный логический уровень сигнала,

"Z" – логический уровень, соответствующий высокому импедансу.

Ниже в табл.1.3 в матричной форме представлены таблицы истинности логических операций НЕ (NOT), И ( AND), ИЛИ (OR), ИСКЛ. ИЛИ (XOR) в четырехзначном алфавите . Аргументы двуместных операций обозначены как А и В, результат в соответствующей им клетке таблицы .

Таблица 1.3. Таблицы истинности логических операций НЕ (NOT), И ( AND), ИЛИ (OR), ИСКЛ. ИЛИ (XOR) в четырехзначном алфавите

Троичная модель представления цифровых сигналов легко определяется из четверичной путем исключения одного из значений – Х или Z.

Девятизначная значная модель представления цифровых сигналов.

Дальнейшее уточнение математических представлений цифровых сигналов и операций над ними идет либо за счет еще большего повышения значности используемого алфавита, либо за счет введения дополнительного параметра - силы сигнала. Например в девятизначном алфавите сигнал может быть представлен девятью значениями :

‘U’ неинициализированное,

’X’ сильная неопределенность,

‘W’ слабая неопределенность,

’0’ сильный 0,

‘L’ слабый 0,

‘1’ сильная 1,

‘H’ слабая 1,

’Z’ высокий импеданс,

‘~’ безразличное значение.

Таблицы истинности логической операции НЕ и операции И в этом девятизначном алфавите представлена ниже ( см. табл.1.4) .В таблице истинности операции И по горизонтали в первой строке таблицы представлены девять возможных значений аргумента А, по вертикали в последнем(самом правом )столбце - девять возможных значений аргумента В. В ячейках матрицы- значение результата операции И в девятизначном алфавите. Например, из таблицы истинности девятизначной операции И, представленной ниже, следует, что если аргумент А равен 1(четвертый слева столбец таблицы истинности ) , а В равен U (вторая строка), то результат операции равен U.

Таблица 1.4. Таблицы истинности логических операций НЕ (NOT) и И (AND) в девятизначном алфавите UX01ZWLH~

Именно такая модель сигналов образуют логический тип сигналов с именем std_ulogic пакета языка VHDL STD_LOGIC, входящего в стандарт IEEE STD_LOGIC_1164.

TYPE std_ulogic IS (

'U', -- Uninitialized (неинициализированный сигнал),

'X', -- Forcing Unknown (неопределенный сигнал),

'0', -- Forcing 0 (сигнал лог. "0"),

'1', -- Forcing 1 (сигнал лог. "1"),

'Z', -- High Impedance (высокий импеданс),

'W', -- Weak Unknown (слабый неопределенный сигнал),

'L', -- Weak 0 (слабый сигнал лог. "0"),

'H', -- Weak 1 (слабый сигнал лог. "1"),

'-' -- Don't care (произвольный сигнал) );

1.4.9. Серии микросхем средней степени интеграции.

Практическое проектирование цифровой аппаратуры выполняется обычно не на простейших элементах И, ИЛИ, НЕ, а на более крупных логических компонентах- функциональных узлах и устройствах. Эти узлы конструктивно выполняются в виде микросхем. Внутри микросхемы расположен кремниевый кристалл, на котором реализованы логические элементы и их связи ( интегральная схема-ИС). В зависимости от количества логических элементов на кристалле различают интегральные схемы малой ( до 100), средней ( до 1000) , большой( до 10000) и сверхбольшой степени интеграции.

Начнем с анализа работы функциональных узлов, построенных на микросхемах средней степени интеграции.

Серии (family) интегральных микросхем начали выпускаться промышленностью, начиная с 60-х годов прошлого века. Каждая серия основывается на одинаковом технологическом процессе и содержит микросхемы, допускающие соединение в схему без промежуточных согласующих элементов. Развитие технологии микроэлектроники вывело на первое место технологический процесс, основанный на комплиментарных парах униполярных (полевых) транзисторов, выполненных по технологии металл-окисел-полупроводник (КМОП, CMOS circuits.В английской терминологии это metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET или MOS transistor. В настоящее время практически все микропроцессоры, микросхемы памяти и программируемые логические интегральные микросхемы ( см.гл.6) выпускаются по КМОП технологии.

В России, в частности, выпускались следующие серии микросхем средней степени интеграции общего применения, выполненные по ТТЛ технологии (схемотехника логических элементов реализуемых по этой Транзистор-транзистор технологии в пособии не рассматривается- смотрите пособия [1,2])– КР155, К531, КР533, КР555, КР1531, КР1533. На Западе – это серии 74, 74L, 74LS, 74ALS, 74F.

По КМОП технологии в России, в частности, выпускались серии – КР561, КР564, КР1554, КР1561, КР1564. На Западе – это серии 74H, 74HC, 74HCT, 74VHC и 74VHCT.

Условное обозначение отечественных микросхем включает:

1. Букву или две буквы, определяющие назначение и тип корпуса. Например: КР – кремниевая микросхема коммерческого применения с пластмассовым корпусом DIP;

2. Трех или четырех цифр, обозначающих порядковый номер серии;

3. Двух букв, обозначающих функциональную группу;

4. Одной или двух букв – обозначающих тип микросхемы внутри функциональной группы;

5. Буквы – характеризующей возможные вариации значений некоторых параметров (например, выходной мощности, часто не используется).

Например, микросхема КР1533ЛА1 (2 логических элемента 4И-НЕ).

К – коммерческое применение ;

Р – тип корпуса;

1 – группа по конструктивно-технологическому исполнению;

533– номер серии;

Л – подгруппа по функциональному назначению;

А – вид по функциональному назначению;

1 – номер разработки в данной серии.

Условное обозначение зарубежных цифровых схем включает:

1. две цифры, определяющие применение и условия эксплуатации (например: 74 – микросхемы широкого применения или 54 – микросхемы военного применения);

2. одну, две или три буквы, определяющие технологию изготовления;

3. несколько цифр, определяющих функциональное назначение;

4. одну или нескольких букв, определяющих вариант изготовления и тип корпуса микросхемы.

Например, отечественная микросхеме КР1533ЛА1 соответствует зарубежной 74ALS20Р.

1.4.10. Статические и динамические характеристики микросхем.

Предприятия-изготовители указывают следующие статические параметры микросхем.

Таблица 1.4.10. Статические параметры интегральных микросхем

№	Наименование	Обозначение
1	Напряжение питания	UCC
2	Входное напряжение низкого уровня	UIL
3	Входное напряжение высокого уровня	UIH
4	Выходное напряжение низкого уровня	UOL
5	Выходное напряжение высокого уровня	UOH
6	Ток питания	ICC
7	Входной ток низкого уровня	IIL
8	Входной ток высокого уровня	IIH

Продолжение таблицы

№	Наименование	Обозначение
9	Выходной ток низкого уровня	IOL
10	Выходной ток высокого уровня	IOH

Обозначения и схема измерения динамических параметров микросхем приведены на следующем рисунке.

Характеристики

Список файлов книги