Основы цифровой схемотехники . Формальный аппарат описания логической стороны процессов в цифровых устройствах. Набор трех логических функций: НЕ, И, ИЛИ называют булевским или булевым базисом. Алгебра логики Y a Функция НЕ Вход Выход 0 1 1 0 Y ab Y a b Вход 1 Вход 2 Выход И Выход И-НЕ Выход ИЛИ Выход ИЛИ-НЕ 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 Функции И ИЛИ Реализация смешивания двух сигналов • Комбинационные микросхемы выполняют более сложные функции, чем простые логические элементы. • Комбинационные микросхемы, как и логические элементы, не имеют внутренней памяти, уровни их выходных сигналов определяются текущими уровнями входных сигналов. • Комбинационные микросхемы внутри построены из простейших логических элементов. Функциональные элементы цифровой техники Входы Выходы 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 Дешифратор Дешифратор Входы Выходы 3 2 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 х 0 1 0 1 x х 1 0 1 х x х 1 1 Шифратор Триггеры и регистры являются простейшими представителями цифровых микросхем, имеющих внутреннюю память. Выходные сигналы микросхем с внутренней памятью зависят также еще и от того, какие входные сигналы и в какой последовательности поступали на них в прошлом, то есть они помнят предысторию поведения схемы. Триггеры и регистры S R Q(t+1) Функция 0 0 х Запрещенная комбинация Триггер 0 1 1 Установка в "1" 1 0 0 Установка в "0" 1 1 Q(t) Хранение Классификация триггерных схем Основные типы триггеров: • RS-триггер — самый простой триггер, но редко используемый; • JK-триггер имеет самое сложное управление, также используется довольно редко; • D-триггер — наиболее распространенный тип триггера. Триггеры Входы Выходы -S -R C J K Q -Q 0 1 Х Х Х 1 0 1 0 Х Х Х 0 1 0 0 Х Х Х 1 1 1→ 0 1 0 1 0 1 1 1→ 0 0 1 0 1 1 1 1→ 0 0 0 Не изменяется 1 1 1→ 0 1 1 Меняется на Не определено противоположное JK-триггеры 1 1 1 Х Х Не изменяется 1 1 0 Х Х Не изменяется 1 1 0→ 1 Х Х Не изменяется Входы D-триггеры Выходы -S -R C D Q -Q 0 1 Х Х 1 0 1 0 Х Х 0 1 0 0 Х Х 1 1 0→1 1 1 0 1 1 0→1 0 0 1 1 1 0 Х Не меняется 1 1 1 Х Не меняется 1 1 1→0 Х Не меняется Не определено Регистр хранения Регистр сдвига Счетчики Входы Выходы 4 2 1 -EZ Q -Q X X X 1 Z Z 0 0 0 0 D0 -D0 0 0 1 0 D1 -D1 0 1 0 0 D2 -D2 0 1 1 0 D3 -D3 1 0 0 0 D4 -D4 1 0 1 0 D5 -D5 1 1 0 0 D6 -D6 1 1 0 D7 -D7 Мультиплексоры 1 Входы Выходы C=0 A1 A0 B1 B0 P S1 C=1 S0 P S1 S 0 Сумматоры 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 Уровни представления цифровых устройств: 1) логическая моделью; 2) модель с временными задержками; 3) электрическая модель. Цифровые логические микросхемы Типы выводов цифровых схем: 1) выводы питания и общий вывод; 2) выводы входных сигналов; 3) выводы для выходных сигналов. Цифровые микросхемы • • • • • • • • • Коэффициент объединения по входу Коб Коэффициент разветвления по выходу Краз Быстродействие Напряжение высокого U1 и низкого U0 уровней Пороговые напряжения высокого U1пор и низкого U0пор уровней Входные токи I0вх, I1вх Помехоустойчивость Потребляемая мощность Pпот или ток потребления Iпот Энергия переключения Основные параметры логических элементов Полупроводниковые элементы, используемые в электронных схемах: • проводники, коммутирующие активные элементы; • вентили, выполняющие логические операции; • транзисторы (полупроводниковые триоды), предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрического тока; • резисторы, обеспечивающие режимы работы активных элементов; • приборы с зарядовой связью (ПЗС), предназначенные для кратковременного хранения электрического заряда и используемые в светочувствительных матрицах видеокамер; • диоды и др. Технологии электронных схем В настоящее время используется следующие технологии построения логических элементов: • транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL); • логика на основе комплементарных МОП-транзисторов • (КМОП, CMOS); • логика на основе сочетания комплементарных МОП- и биполярных транзисторов (BiCMOS). Технологии электронных схем Пример реализации сборок «И» и «ИЛИ» Принципиальная схема транзисторного ключа Схема простейшего ТТЛ-инвертора ТТЛ логический элемент 2И-НЕ Использование транзисторных ключей Принципиальная схема ТТЛвентиля с открытым коллектором Принципиальная схема устройства, выполняющего функцию элемента 2ИЛИ-НЕ Разновидности ТТЛ логических элементов Модели выходного каскада ТТЛвентиля с двумя и тремя состояниями