Реферат: Электротехника и основы электроники
Министерствообщего и профессионального образования
Российской Федерации
Санкт-Петербургская государственная академия
холода и пищевых технологий
Кафедраэлектротехники
ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМетодические указаниядля самостоятельногоизучения дисциплины
''Электротехника и основыэлектроники''
для студентов всехспециальностей
Санкт-Петербург 1999УДК 621.3Евстигнеев А. Н.
, Кузьмина Т.Г. , Новотельнова А. В. Основы
цифровой электроники: Метод. указания для сомостоятельного изучения дисциплины '' Электротехника и основы электроники '' для студентов всехспец. — СПб.: СПбГАХПТ, 1999. - 41 с.
Содержит основные сведения осовременной 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 техникипищевых производств
© Санкт-Петербургская государственнаяакадемия холода и пищевых технологий, 1999
ВВЕДЕНИЕ
Любая электронная схема от простейшеговыпрямителя до сложней-шей ЭВМ предназначена для обработки электрическогосигнала: усиление (масштабирование), выпрямление, сглаживание (изменение формы,запоми-нание, суммирование и пр.). По способу представления обрабатываемогосигнала электронные устройства принято подразделять на аналоговые и цифровые.
В аналоговых устройствахиспользуются переменные, изменяющие свое значение в определенном диапазонезначений между верхним и ниж-ним пределами. Это естественно, когдаобрабатываемые сигналы являются непрерывными по своей природе или представляютсобой 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 посвоей природе может быть и дискретным, например, импульсы в детекторе частицили ''биты'' информации, поступаю- щие от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобныхслучаях удобно использо-вать цифровую электронику, т.е. схемы, которые имеютдело с информацией, представленной в виде ''единиц'' и ''нулей''. Цифровыепеременные имеют только два уровня, (рис. 1, б). Эти уровни напряжения называютверхним и нижним, или обозначают терминами ''истина'' и ''ложь'', которыесвязаны с булевой логикой, или ''включено'' и ''выключено'', которые отражаютсостояние релейной системы, а чаще ''нулем'' и ''единицей''.
Благодаря высокой эффективностицифровые методы широко используются для передачи, отбора и запоминанияинформации, даже в тех случаях, когда входные и выходные данные имеютнепрерывную или анало- говую форму. В этом случае информацию необходимопреобразовывать 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;
LISTNUM ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Интегральнаямикросхема – это микроэлектронное изделие выпол-няющее определенную функциюпреобразования и обработки сигнала и имеющее не менее пяти элементов (транзисторов, диодов, резисторов, кон-денсаторов), которые нераздельно связаны и электрически соединены между собойтак, что устройство рассматривается как единое целое.
Высокая надежность и качество всочетании с малыми размерами, массой и низкой стоимостью интегральных микросхемобеспечили их широ- кое применение во многих отраслях народного хозяйства.
По конструктивно-технологическимпризнакам различают пленочные, полупроводниковые и гибридные микросхемы.
Пленочныемикросхемы изготавливают посредством послойного нанесения надиэлектрическое основание (подложку) пленок различных материалов содновременным формированием транзисторов, диодов и т.п. Пленочные микросхемыделятся на тонкопленочные (толщина пленки до 1мкм) и толстопленочные.
Полупроводниковаяинтегральная микросхема– это интегральная микросхема, все элементы и межэлектродныесоединения которой выполне- ны в объеме и на поверхности проводника (рис. 2а, б).
При изготовлении полупроводниковыхинтегральных микросхем обычно используют планарную технологию.
Активные и пассивные элементыполупроводниковой интегральной микросхемы избирательно формируют в одноммонокристалле полупровод- ника. Соединение элементов между собой вполупроводниковой интеграль- ной микросхеме может быть выполнено как в объеме,так и на поверхности монокристалла полупроводника путем создания на окисленнойповерхности полупроводника токоведущих дорожек, например, методом вакуумногона-пыления металла. В качестве конденсаторов в микросхемах используют об-ратносмещенные p-n-переходы или конденсаторныеструктуры Si-SiO2-металл. Роль резисторов выполняют участкиповерхности полупроводни-кового кристалла или p-n-переход, смещенный в прямом или обратномнап-равлении, а также канал МДП-транзисторов.
В интегральной микросхеме не всегдаможно указать границу между отдельными элементами. Например, вывод конденсатораможет одновре-менно являться электродом конденсатора. Из-за малыхмежэлектродных расстояний и наличия общего для всех элементов схемы кристалла(подлож-ки) в микросхемах создаются достаточно сложные паразитные связи, а также появляются паразитные элементы, которые, как правило, ухудшают всепарараметры микросхемы, как функционального узла радиоэлектронной аппаратуры.
а
б
в
Рис.2
а – эквивалентная схема; б –структура полупроводниковой интегральной микросхемы;
в – структура гибриднойинтегральной микросхемы;
Гибриднаяинтегральная микросхема – это интегральная микросхема пассивные элементыкоторой выполнены посредством нанесения различных пленок на поверхностьдиэлектрической подложки из стекла, керамики или ситалла, а активные элементы –навесные полупроводниковые приборы без корпусов (рис. 2, в).
Гибридныеинтегральные микросхемы позволяют использовать пре- имущества пленочнойтехнологии в сочетании с полупроводниковой тех-нологией.
Полупроводниковая интегральная микросхема может быть изготов- лена посовмещенной технологии – активные элементы выполнены в объемеполупроводникового монокристалла, а пассивные элементы – на защищен-ной(например, окислом) поверхности монокристалла в тонкопленочном ис-полнении. Наэтой же поверхности сделаныитокопроводящие дорожки и площадки. Поскольку транзисторы и диодыполупроводниковой интеграль- ной микросхемы, изготовленной по совмещеннойтехнологии находятся внутри монокристалла (подложки), размеры такойинтегральной микросхе-мы могут быть значительно уменьшены по сравнению сразмерами гибрид-ной интегральной микросхемы, в которой используются дискретныеактив-ные элементы, занимающие сравнительно много места на подложке.
1.1.Основные параметры интегральных микросхем
Плотностьупаковки – это число элементов электронной схемы в одном кубическомсантиметре объема интегральной микросхемы.
Степень интеграции xопределяется количествомэлементов n, вхо- дящих в состав интегральной микросхемы.
x =lg n
Микросхема 1 степениинтеграции содержит до 10 элементов (мало- масштабная интегральная схема –мис). Микросхема 2 степени интеграции (среднемасштабная – сис) содержит от 10до 100 элементов. Микросхема 3 степени интеграции содержит от 10² до10³ элементов и относится к катего-рии больших интегральных микросхем(БИС). Сверхбольшие (СБИС) имеют
степень интеграции более1000 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 единоеконструктивно-технологическое исполнение и предназначен- ных для совместногоприменения в аппаратуре. Интегральные схемы, входя- щие в серию, имеют единыеэксплутационные 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, условиямэксплуатации и конструктивным показателям, могут образовывать семейства серий интегральных схем.
2. ЛОГИЧЕСКИЕЭЛЕМЕНТЫ
Логические и запоминающие элементысоставляют основу устройств цифровой обработки информации – вычислительныхмашин, цифровых измерительныхприборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операциинад цифровой информацией: преобразуют по определеннымправилам входную информацию в выход-ную. Операции, используемые при обработкецифровой информации, осно-ваны на двоичной системе счисления, представляющейинформацию в виде слов – комбинаций символов 1 и 0.
Обработка цифровой информациилогическими элементами произво-дится по законам и правилам алгебры логики,разработанной в XIXвеке английским ученым Дж. Булем.
Логические преобразования двоичныхсигналов включают три элементарныеоперации:
1.<span Times New Roman"">
логическое сложение (дизъюнкцию) илиоперацию ИЛИF=x1+x2+…+xn
2. логическое умножение (конъюкцию) или операцию И
F= x1 · x2·…·xn
2.<span Times New Roman"">
логическое отрицание (инверсию) илиоперацию НЕF= x
Определение этих операций дается с помощью таблиц истинности, содержащих перечисление всех возможныхсочетаний (наборов) входных переменных (входных слов).
Каждая простая логическая функция может быть технически реализо- ванапростыми элементами, к которым относятся элементы И, ИЛИ, НЕ и их комбинации.
На рис. 3 приведены условные обозначения логических элементов и таблицыистинности.
Из простых элементов можно составитьсколь угодно сложные логи-ческие устройства, например, счетчики импульсов,регистры, сумматоры, блоки памяти и т.п.
На практике применяюткомбинированные элементы, реализующие две логические операции, например,элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Они назы-ваются функционально полными, т.к. позволяютреализовать любую логи-ческую функцию. Например, имея набор элементов И-НЕможно 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
ЭлементИЛИ-НЕ (стрелка Пирса) выполняет операцию
_____________
F=x1+x2+ x3+…+xn
Примеры использования функционально полных элементов сведены в таблице2, где показано, как набором элементов И/-НЕ можно реализовы- вать функции И,ИЛИ, НЕ.
Таблица 2
Элемент
Логические операции
НЕ
И
ИЛИ
И-НЕ
y1=x=x ·x
т. к. x ·x ·x ·…=x
y2=x1 ·x2= x1 ·x2
т. к. x= x
y3= x1 +x2= x1 · x2
т. к. x1 ·x2= x1 +x2 -
теорема де Моргана
Реализация логических устройств набазе комбинированных элементов упрощает компановку и ремонт устройств.
3.<span Times New Roman"">
Основой для построения узловимпульсной и цифровой техники служатполупроводниковые ключевые схемы. Ключевая схема (ключ) позволяет подключатьнагрузку к источнику или отключать ее и таким образом коммутировать ток внагрузке. В качестве электронных ключей применяют диоды, транзисторы, тиристорыи некоторые другие электронные приборы.
3.1. Ключевой режимработы биполярного транзистора
Простейший транзисторный ключ –каскад на биполярном транзисто-ре, включенный по схеме с общим эмиттером,представлен на рис. 4. Выход-
ное сопротивление транзисторапо постоянному току со стороны электродов коллектор-эмиттер может изменяться вшироких пределах в зависимости от положения рабочей точки на вольт-ампернойхарактеристике (рис. 5).
Рис. 4
Рис. 5
Точка1 на рис. 5 соответствует режиму отсечки (состояние ''выключе-но''), в которомпадение напряжения на транзисторе V'КЭ близко к напряже-ниюисточника питания EК. Точки IК и IБ при этомминимальны и равны обратному токуколлекторного перехода IКО.
Точка 2 (состояние ''включено'')соответствует режиму насыщения. При этом через транзистор протекает максимальновозможный при данных EКи RКток, практически равный ЕК/RК, т.е. определяемый величиной нагрузочного сопротивления.Падение напряжения на транзисторе VКЭ'' в этом случае минимально.
Для переключения транзистора изрежима отсечки в режим насыще-ния необходимо обеспечить определенный ток базы IБ'', для чего наэмит-терный переход требуется подать соответствующее этому току напряжение VБЭ.
Важнейшим показателем работыэлектронных ключей является их быстродействие, которое определяется скоростью протеканияпереходных процессов при переключении. Мгновенное переключение транзисторногоключа невозможно из-за инерционности свойств транзисторов, а также наличия паразитных реактивных элементовсхемы и проводников.
Рис. 6
Переход транзистора из одногостационарного состояния в другое происходит с задержками времени tВКЛ и tВЫКЛ (рис. 6).Длительность фронта включения tВКЛ зависит от времени распространения носителейот эмиттера через базу к коллектору и значения коллекторной емкости. Это времяуменьшается при увеличении тока базы.
Задержка выключения tВЫКЛ связана стем, что под действием выклю-чающего сигнала происходит рассасывание заряда, накопившегося в базе
при насыщении транзистора.
Таким образом, быстродействиетранзисторного ключа зависит от частотных свойств используемого транзистора ипараметров импульса базового тока.Порядок величин задержек составляет от долей единицы до микросекунд.
Ключевые схемы широко используются вустройствах, оперирующих с информацией, представленной в цифровой форме. Вчастности, их применяют вэлементах, выполняющих простейшие логические операции. Переключение основнойсхемы из одного состояния в другое производится с помощью управляющих сигналов,подаваемых на ее вход. Эти сигналы могут быть представлены в виде ступенчатогоили импульсного напряже-ния.
В логических устройствах сигналможет принимать только два значения: логического нуля илогической единицы. Если логической единице соответствует высокий потенциальныйуровень, а логическому нулю – низкий, такую логику называют положительной (позитивной). В противномслучае логика называется отрицательной(негативной). Интегральные логические элементы изготавливаются в основномдля работы в позитивной логике.
Рассмотренный нами простейшийтранзисторный ключ выполняет логическую операцию отрицания (операцию НЕ).Высокому уровню напряжения на входеключа (''1'') соответствует низкий уровень напряжения на его выходе (''0''), инаоборот.
В совокупности с другими элементамитранзисторные ключи могут реализовать более сложные функции.
3.2.Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
Простейшая ключевая схема имеет одинуправляющий вход и один выход. В общем случае число входов и выходов может бытьбольше. На рис.7 приведена схема логического элемента И-НЕ, построенная на основе
транзисторного ключа. В составэлемента входит ключевая схема на транзисторе VT2. Управление схемой производится с помощью многоэмит-терноготранзистора VT1. Многоэмиттерный транзистор разработан специ- ально длямикроминиатюрных логических устройств. На его входах (эмиттеры) могутподаваться сигналы высокого (''1'') либо низкого (''0'') уровня.
Рассмотрим принцип работы схемы. Если на все входы (в данном случае на три) подан высокий положительный потенциал ( x1=x2=x3=1),
Рис. 7
транзистор VT1 закрывается, потенциал коллектора VT1 близок к напряжению +Eк, что приводит котпиранию транзистора VT2. Напряжение на выходе VT2 устанавливается низким, т.е. выходной сигналсоответствует логическому нулю (F=0).
При наличии на одном из входовлогического нуля, например, x1=0, VT1 открывается. На коллекторетранзистора VT1 в этом режиме устанавли-ваетсянизкий потенциал, и что приводит к закрытию транзистора VT2. Навыходе устанавливается высокий потенциал, соответствующий логической единице,т.е. при x1=0 F=1 при любом состоянии входов x2и x3. Таким обра-зом схема реализует функцию ЗИ-НЕ.
3.3.<span Times New Roman"">
Логическиеэлементы на основе полевых транзисторов3.3.1.<span Times New Roman"">
МОП-транзисторная логика на ключаходного типа проводимостиОдним из основных достоинств полевых транзисторов с изолирован- нымзатвором (МОП-транзисторов) по сравнению с биполярным является более высокаятехнологичность и возможность изготовления на одной под-ложке большого числаприборов с идентичными параметрами. Кроме того, полевые транзисторы имеют оченьвысокое входное сопротивление и практически не потребляют мощности по входной(затворной) цепи.
Если логические элементы на базе полевых транзисторов выполнены поинтегральной технологии, то в качестве нагрузки ключевого транзистора с точкизрения упрощения технологии оказывается более выгодным исполь-зовать нерезистор, а второй МОП-транзистор, у которого затвор и исток замкнуты.
Транзисторы пМОП-типа являются в 2-3 раза более быстродействую-щими посравнению с транзисторами рМОП-типа и требуют меньшей пло-щадиполупроводниковой поверхности, существенно более экономичны и поэтому частоиспользуются в микромощных БИС.
На рис. 8 представлен инвертор на МОП-транзисторах с п-каналом ииспользованным затвором. Нагрузкой инвертора в этой схеме служит тран-зистор VT1, затворкоторого соединен с источником положительного напря-
Рис. 8
жения. Поскольку вольт-ампернаяхарактеристика транзисторов нелинейна, то и выходное сопротивление припереключении изменяется нелинейно. По этой причине данная схема получиланазвание ключа с нелинейной нагрузкой.
Транзистор VT2называется активным (управляющим). При низком входном потенциале (логический ''0'' на входе) транзистор VT2 закрыт, ток
-9 -10
стока IС=10 – 10 А и менее, VВЫХ<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">»
EК (логическая''1'' на выходе).Когда на входе высокий потенциал(логическая ''1'' на входе), транзис-тор VT2 отпирается, сопротивление канала резко падаети VВЫХ <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">»
0 (логичес-кий ''0'' навыходе). Таким образом, в результате переключения транзистора выходноенапряжение изменяется от EК до0, т.е. схема реализует логичес-кую функцию НЕ.3.3.2.МОП-транзисторная логика на комплиментарных транзисторах
(КМОП-логика)
В основу построения данной логики положен комплиментарный
транзисторный ключ, состоящийиз последовательно соединенных полевых транзисторов с разным типом проводимостиканала (рис. 9). В такой схеме коммутируются оба транзистора одновременно, таккак затворы их соедине-ны, т.е. на оба затвора поступает управляющий сигнал.
Рис. 9
При низком уровне входного сигналаоткрыт транзистор VT2 с р-каналом, а транзистор VT1 с п-каналом закрыт. При этом выходноенапряже- ние снимаемое со стоков обоих транзисторов, примерно равно ЕО.
При высоком уровне входного сигналаоткрыт транзистор VT1, а тран- зистор VT2 закрыт,т.е. выходное напряжение близко к нулю. Схема реали-зует логическую функцию НЕ.
Основным достоинством этой схемы посравнению с предыдущей является то, что в статическом состоянии один изтранзисторов всегда зак-рыт, и поэтому мощность, потребляемая от источникапитания, очень мала. Расход мощности источника питания происходит только припереключении транзисторов и определяется в основном процессами перезарядапаразитных емкостей.
Недостатки схем на комплиментарныхтранзисторах – большое число элементов в логических схемах, усложнениетехнологии их изготовления, что приводит к увеличению площади кристалла истоимости изготовления по сравнению с интегральными схемами на однородныхМОП-транзисторах.
3.4.Эмитеррно-связанная логика (ЭСЛ)
В логических элементах ЭСЛ вкачестве ключа применяют транзисторные переключатели тока, производящиепереключение тока от одной нагрузки к другой (рис. 10).
Рис. 10
Принцип работы переключателя токааналогичен принципу работы дифференциального усилительного каскада в режимеограничения амплиту-ды выходного сигнала. На базу транзистора VT2 дифференциального усили-теля подается напряжение смещениеЕСМ, а а переключение тока IО генерато-ра тока с транзистора VT1 на транзистор VT2 происходит за счет подачи на базу транзистора VT1 управляющего сигнала от внешнего источника. Для надежногопереключения транзисторов достаточно изменения уровня вход-ного управляющегосигнала примерно на 0,5 <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">¸
0,6 В.Глубокая отрицательная обратнаясвязь по току в схеме дифферен-циального каскада обусловливает тообстоятельство, что коллекторный ток каждого из транзисторов не может превыситьток генератора тока в эмиттер-ной цепи транзисторов. Выбором элементов схемыможно добиться выпол-нения условия IО<span