Логические и запоминающие элементы

В результате изучения данной главы студенты должны: знать: типы и параметры элементов цифровых устройств; уметь: определять характсритистики элементов цифровых устройств; владеть: аппаратом алгебры логики для построения элементного базиса.

Элементы цифровых устройств и их основные параметры

Цифровые вычислительные устройства в соответствии с заданным алгоритмом обрабатывают данные, т. е. последовательности чисел, представленных преимущественно в позиционной двузначной (бинарной) системе счисления, алфавит которой содержит два символа — 0 и 1.

Основой построения цифровых преобразователей служат логические и запоминающие элементы, представляющие собой функционально завершенную часть для обработки разряда двоичного числа. Элемент обладает двумя различающимися признаками сигнала, в качестве которых могут быть наличие или отсутствие импульсов (импульсное кодирование), значение фазы 0 или синусоидального сигнала (фазовая манипуляция), низкий или высокий уровни напряжения (потенциальное представление). Преимущественное распространение получили потенциальные логические элементы (ЛЭ), эффективно реализуемые в интегральной технологии вследствие непосредственной связи элементов (без разделительных конденсаторов).

Работу цифрового преобразователя описывают логической функцией двоичных переменных. Выбор полного и минимального логического базиса, т. е. набора ЛЭ, достаточных для реализации любой логической функции, определяется возможностями представления и преобразования логических функций, которые принято задавать в виде алгебраического выражения (формульное описание) или совокупности значений функции при каждом наборе переменных (табличное описание).

При формульном описании логических функций используют операции инверсии (логического отрицания), сложения и умножения логических переменных. Наличие п двоичных переменных Х_у х₂,х" позволяет составить М = 2″ чисел (различных наборов переменных) и реализоватьN= 2^мфункций видау_т = f (xj, x₂, …, х"), которые могут принимать значения 0 или 1. Совпадение областей значений функций (0; 1} и аргументов {0; 1} функции многих переменных выражают как суперпозицию функций двух переменных (гг = 2), образующих М = 2² = 4 чисел, которые дают N= 2⁴ = 16 функций, наиболее распространенными из которых являются следующие восемь (табл. 12.1).

Таблица 12.1

Основные функции двух переменных.

Алгебра логики в качестве базиса рассматривает три функции — И, ИЛИ, НЕ. Сложные логические функции можно реализовать с помощью базиса, включающего функции одной и двух переменных. Для реализации сложных логических функций, как правило, используют небольшой набор логических элементов. Элементный базис формируется на основе схем, реализующих основные функции одной и двух переменных (табл. 12.2).

Возможно множество вариантов построения устройств, реализующих заданную логическую функцию. Их преобразование базируется на основных законах булевой алгебры:

• 1) дополнительности x-x = 0, xVx = 1;
• 2) нулевого множества х- 0 = 0, х V 0 = х;
• 3) универсального множествах -1 = х, х V 1 = 1;
• 4) двойной инверсии х = х;
• 5) повторения (тавтологии)x-x = x, xVx = x;
• 6) переместительном х₀ V х =ХУ х₀;
• 7) сочетательном Xq V (х V Х2) = (xq V Х) V Х2 = Xq V Х V х2;
• 8) инверсии (де Моргана) х • х₂ = Х V х₂, Х Vx₂ = Х -х₂.

Таблица 12.2

Основные тины логических элементов.

Взаимное преобразование функций позволяет построить минимальные элементные базисы, содержащие единственный ЛЭ, реализующий функцию Шеффера или стрелку Пирса. Например, с использованием элемента И-НЕ несложно образовать элементы полного логического базиса НЕ, И, ИЛИ (рис. 12.1).

Реальные ЛЭ, как правило, имеют большее число входов и могут одновременно реализовать логические функции многих переменных, что следует учитывать при проектировании устройств на выбранном элементном базисе.

Функционирование цифровых устройств в соответствии с алгоритмом, воплощенном в форме логической функции, возможно при отсутствии сбоев в работе элементов. Безошибочное выполнение элементами заданных функций обеспечивается при соблюдении условий совместимости элементов по электрическим характеристикам в условиях эксплуатации.

Рис. 12.1. Реализация ЛЭ НЕ (а), И (б), ИЛИ (в) на основе элемента И-НЕ Логический элемент как электрическое устройство описывают с использованием статических и динамических характеристик. Особенности применения ЛЭ обусловили определение их характеристик при работе в составе цепочки идентичных логических элементов (рис. 12.2, а).

При экспериментальном исследовании входную и выходную характеристики можно получить посредством изменения числа подключенных элементов.

Статическая проходная (передаточная) характеристика ЛЭ представляет собой зависимость С/_цых(U_liX) при медленном изменении напряжения на одном входе (на остальных входах должны быть установлены рабочие режимы). Типичная характеристика ЛЭ, обеспечивающая возможность выделения электрических сигналов, соответствующих уровням нуля и единицы, имеет три области с отличающимся выходными напряжениями: I — f/_Bblx= f/°; II — U_Bых= U^x III — t/_BbIX равно промежуточному напряжению (зоне неопределенности), причем границам участков соответствуют значения напряжения Г/_вх, называемые порогами переключения, Vi? и V,¹, (рис. 12.2, б).

В качестве основных параметров элемента приняты логический перепад AU= U¹ — U⁰ и ширина зоны неопределенности A V_n = V_n° - V_v с которыми связана статическая помехоустойчивость, определяемая как максимальное значение помехи, при которой не происходят ложные срабатывания. Очевидно, что ЛЭ останется в состоянии [/"_ых= U если положительное напряжение помехи U* < V® — ?/°, и останется в состоянии /7_ВЫХ = f/° при U_n < U^x — V^x_u.

Для оценки нагрузочной способности ЛЭ вводят коэффициент разветвления по выходу K_?3l3 как максимальное число однотипных элементов на выходе, потребляющих ток, который не приводит к нарушению нормальной работы. Коэффициент объединения ЛЭ по входу К₀(_} определяет наибольшее число однотипных элементов на входе без нарушения функционирования.

Рис. 12.2. Схема определения характеристик ЛЭ (а), статическая характеристика (б)> сигналы в динамическом режиме (в) Динамическая характеристика потенциального ЛЭ снимается при задании сигнала с помощью идентичного элемента. При этом реальные зависимости, описываемые сложными временными функциями, для наглядности аппроксимируют отрезками прямых линий, в результате чего получаются трапецеидальные импульсы (рис. 12.2, в).

Логические элементы характеризуют следующими параметрами: средним временем задержки распространения сигнала ?_зрср = = (4¹ + ?_зр)/2; средней мощностью, потребляемой элементом, Р= (Iy + Iy)V/2. Для сравнительной оценки свойств ЛЭ используют энергию переключения А = Pt_3p.

Сигналы между логическими элементами, узлами и блоками передаются по объединенным в шины линиям, к которым подключены входы и выходы нескольких элементов, осуществляющих прием и передачу данных. Для разделения во времени сигналов от разных устройств используют элементы, осуществляющие отключение выхода ЛЭ от линии. Режим тристабильного элемента, называемый 2-состоянием и осуществляющий его отключение от линии, управляется по специальному входу ОЕ (Output Enable).

Характеристики и параметры ЛЭ определяются их структурой, схемной реализаций и технологией изготовления. Множество цифровых ИМС различного функционального назначения производятся в виде отдельных групп, называемых сериями, которые изготовлены, но единой технологии, имеют схожие схемотехнические решения и подобные электрические и эксплуатационные характеристики. Микросхемы одной серии совместимы по электрическим параметрам.

Развитие схемотехники и технологии сопровождается постоянной модификацией ЛЭ и созданием новых серий. Среди биполярных микросхем долгое время преимущественное распространение имели элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), отличительным признаком которой является использование многоэмиттерного транзистора (МЭТ) для выполнения логических операций. Типовые вентили ТТЛ имеют двухкаскадный инвертор, обеспечивающий высокую нагрузочную способность (коэффициент разветвления по выходу Х_раз > 10) для подключения к внешним линиям связи при использовании в периферийных блоках ИМС.

Введение

в схему транзистора T_z позволяет реализовать 2-состояние элемента при подаче на вход ОЕ высокого напряжения /У¹, которое и приводит к запиранию выходного транзистора и отключению схемы от шин электропитания (рис. 12.3, а).

Значения выходного напряжения ТТЛ при номинальном напряжении электропитания V = +5 ± 0,5 В приняты в качестве стан;

Рис. 12.3. Логические элементы ТТЛ (я) и ШТЛ (б).

дартных логических уровней: низкого (U⁰ = 0⁰, 4 В) и высокого (t/¹ = 2,4-^4,2 В).

Основными недостатками ТТЛ, ограничивающими их применение в БИС, являются сложность технологии, большое число компонентов (в том числе резисторов) и сравнительно большая потребляемая мощность. Снижение работы переключения достигают заменой МЭТ сборкой из диодов Шоттки Д j, Д₂, получая в результате элемент ШТЛ — Шоттки-транзисторной логики (рис. 12.3, б). Развитие технологии и получение приемлемых параметров р-п-р-транзисторов привело к созданию экономичных комплементарных ТТЛ-элементов (КТ²Л-элементов), имеющих большую нагрузочную способность.

Наиболее быстродействующие биполярные элементы строят на основе переключателя тока (балансного каскада) па транзисторах, работающих в активном режиме, которые в сочетании с малым логическим перепадом обеспечивают быстрое переключение элемента. Приведенную структуру называют эмиттерно-связанной логикой (ЭСЛ) или транзисторной логикой на переключателях тока (ТЛПТ). Особенностью элементов ЭСЛ является отрицательное напряжения питания, следовательно, отрицательные логические уровни, которые несовместимы с другими типами ЛЭ.

Весьма широкое применение в современных ИМС получили логические элементы на МДП-транзисторах. Используются занимающие наименьшую площадь устройства на МОП-транзисторах с «-каналом (рис. 12.4, а) или имеющие минимальное потребление комплементарные пары (рис. 12.4, б).

Основу элементов составляют инвертирующие усилители (инверторы), содержащие управляющие и нагрузочный транзисторы. Для построения ЛЭ используют параллельное (реализуют функцию ИЛИ-HE) или последовательное (И-НЕ) соединение управляющих транзисторов. Основные статические характеристики эле;

Рис. 12.4. Логические элементы ИЛИ-HE типа и-МОП (а) и КМОП (б).

мента определяет базовый инвертор, а увеличение числа управляющих транзисторов влияет на динамические свойства вследствие изменения суммарных сопротивлений и емкостей. Применение взаимодополняющих транзисторов значительно снижает потребление энергии в статическом режиме, так как сигналы, отпирающие управляющие транзисторы, одновременно закрывают нагрузочные. Использование слоев поликремния в качестве элементов соединений, отсутствие резисторов и малая площадь МДП-элемента позволяют получить степень интеграции на порядок выше, чем ТТЛ. Уровни сигналов полностью совместимы с уровнями ТТЛ.