Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные схемы

Подождите немного. Документ загружается.

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

А.В. ИЛЮХИН

ЛОГИЧЕСКИЕ АВТОМАТЫ

Типовые комбинационные схемы

Москва 2007

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

А.В. ИЛЮХИН

ЛОГИЧЕСКИЕ АВТОМАТЫ

Типовые комбинационные схемы

Учебное пособие

Утверждено в качестве

учебного пособия

редсоветом МАДИ (ГТУ)

Москва 2007

УДК 681.326.32

ББК 32.973.26-04

Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные

схемы: Учебное пос. /МАДИ(ГТУ).-М., 2007. – 133 с.

Рецензенты: д-р. техн. наук Е.В. Марсова,

д-р. физ.-мат. наук А.В. Евтушенко

В учебном пособии систематически излагаются обобщенные

материалы по принципам функционирования и характеристикам ос-

новных серий интегральных цифровых микросхем, а также сведения

по построению и применению микросхем комбинационного типа для

синтеза схем логических автоматов, применяемых при автоматиза-

ции технологических процессов и производств.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по на-

правлению подготовки дипломированного специалиста 220300 «Ав-

томатизированные технологии и производства» специальности

220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»

и по направлению подготовки бакалавра техники и технологий

550200 «Автоматизация и управление», изучающих учебные курсы

«Технические средства автоматизации», «Логические автоматы»,

«Автоматизация технологических процессов и производств», «Про-

ектирование автоматизированных систем» и «Устройства цифровой

автоматики».

Кроме того, оно может быть полезно для аспирантов и инже-

неров, занимающихся вопросами автоматизации технологических

процессов и производств с применением цифровых интегральных

микросхем.

(государственный технический университет),2007

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития полупроводниковой электроники

характеризуется созданием широкой номенклатуры и массовым вы-

пуском интегральных микросхем, запоминающих устройств, микро-

процессорных комплектов, однокристальных ЭВМ, RISC-

процессоров. Стремительно развивается рынок заказных больших

интегральных схем (БИС) на базе матричных кристаллов, програм-

мируемых логических матриц. Растет номенклатура специализиро-

ванных БИС интерфейсов локальных вычислительных сетей.

Увеличение степени интеграции интегральных схем (ИС) до

сотен тысяч логических элементов, что эквивалентно нескольким

миллионам транзисторов на одном кристалле, предопределяет но-

вые подходы к проектированию заказных БИС, как правило, из биб-

лиотек логических и запоминающих элементов, узлов и даже уст-

ройств с использованием современных технологий систем автома-

тизации инженерного труда.

Но актуальность изучения студентами принципов работы «эле-

ментарных строительных кирпичиков» аппаратурных средств вы-

числительной техники не снижается из-за необходимости ясного по-

нимания функционирования логических элементов и особенностей

построения логических автоматов с их использованием, а также ос-

новных параметров микросхем.

Данное учебное пособие является второй частью серии учеб-

ных пособий под общим названием «Логические автоматы». В пер-

вой части были даны основы булевой алгебры – математической

основы построения логических автоматов. Теперь пришло время

использовать полученные знания на практике для синтеза схем та-

ких устройств.

В учебном пособии систематически излагаются обобщенные

материалы по принципам функционирования, построения и методи-

ке синтеза схем логических автоматов, относящихся к простейшим

схемам – комбинационного типа. Напомним, что «логический авто-

мат, который можно полностью описать таблицей истинности или

булевым выражением, называется комбинационным или комбина-

торным логическим автоматом». Второе определение комбинацион-

ного логического автомата позволяет понять его особенности и ос-

новные отличия от наиболее сложных – последовательностных ло-

гических автоматов. Комбинационный логический автомат - это

такой логический автомат, в котором значения входных пере-

менных в текущий момент времени полностью определяют зна-

чения выходных переменных.

Описанию именно таких логических автоматов и посвящено

данное учебное пособие.

Однако перед тем как приступить к описанию комбинационных

схем, необходимо рассмотреть вопросы, связанные с принципами

функционирования логических элементов, их номенклатурой и осо-

бенностями эксплуатации. Поэтому учебное пособие содержит гла-

вы, посвящённые описанию основных серий интегральных цифро-

вых микросхем (ИЦМ), схемотехнике их базовых элементов, типов и

особенностей эксплуатации.

В последующем учебном пособии будут описаны принципы

синтеза и построения последовательностных схем.

1. ОСНОВНЫЕ СЕРИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЦИФРОВЫХ

МИКРОСХЕМ

Каждая ИЦМ относится к тому или иному логическому семей-

ству, отличающемуся от других физическими параметрами базовых

элементов, а также количеством и функциональным назначением

входящих в их состав логических элементов, выполняющих ту или

иную логическую операцию.

Термин «семейство» просто означает тот вид полупроводни-

ковой технологии, который используется при изготовлении ИЦМ.

Именно технология определяет такие важные характеристики кон-

кретной микросхемы, как напряжение питания, рассеиваемая мощ-

ность, скорость переключения и помехоустойчивость.

1.1. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СЕ-

МЕЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

Комплект ИЦМ, имеющих единое конструктивно - технологиче-

ское исполнение принято называть серией. Серии ИЦМ проектиро-

вались на основе интегральных технологий в следующей временной

последовательности:

резистивно-транзисторная логика (РТЛ);

резистивно-емкостная транзисторная логика (РЕТЛ);

диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);

интегральная инжекционная логика (И

Л);

КМОП - схемы на комплиментарных транзисторах.

В настоящее время в новых разработках применяются серии

ТТЛШ и КМОП. Однако значительная часть аппаратуры продолжает

выпускаться на основе интегральных микросхем различных техно-

логий, а некоторые серии используются для комплектации выпу-

щенной ранее аппаратуры.

В соответствии с этим наиболее широкое применение получи-

ли следующие технологии.

ДТЛ – диодно-транзисторная логика (серии интегральных циф-

ровых микросхем 104; 109; 121; 128; 146; 156; 202; 215; 217; 218;

221; 240; 511; 514; 523). Применяются в основном в устройствах,

работающих в условиях, где могут возникать значительные им-

пульсные помехи (например, станки с ЧПУ).

Преимущества – высокая помехозащищённость благодаря вы-

соким уровням логической единицы.

Недостатки – бедная функциональная насыщенность; среднее

быстродействие; значительная потребляемая мощность.

В настоящее время новых разработок в ДТЛ - технологии не

производится, а выпускаемые микросхемы применяются для ремон-

та уже эксплуатируемой аппаратуры. Таким образом, ДТЛ - техноло-

гия является отмирающей и ориентировать свои разработки на её

применение не рекомендуется.

ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика (серии интеграль-

ных цифровых микросхем 133; 155; 130; 131; 134; 158; 530; 531; 533;

555; 1531; 1533). Применяются в широком классе электронных циф-

ровых устройств (например, периферийные устройства для ЭВМ).

Преимущества – достаточно высокое быстродействие, самая

высокая среди цифровых серий интегральных микросхем функцио-

нальная насыщенность.

Недостатки – невысокая помехозащищённость, высокая чувст-

вительность к изменению напряжения питания, достаточно высокая

потребляемая мощность.

КМОП (КМДП) – КМОП - комплиментарные полевые транзи-

сторы со структурой металл-окисел-полупроводник. Это название

появилось первым, поскольку в качестве диэлектрика в первых раз-

работках использовался исключительно окисел кремния. Теперь ис-

пользуются и другие материалы, поэтому название изменилось на

КМДП – комплиментарные полевые транзисторы со структурой ме-

талл-диэлектрик-полупроводник (серии интегральных цифровых

микросхем 176; 561; 564; 1561). Применяются в основном для изго-

товления устройств промышленной автоматики широкого класса.

Преимущества – высокая помехозащищённость благодаря вы-

соким уровням логической единицы, крайне низкая потребляемая

мощность в статическом режиме (0,1…100 мкА), высокое входное

сопротивление, низкая чувствительность к изменению напряжения

питания.

Недостатки – очень низкое быстродействие (максимальная

частота переключения не превышает 8 МГц), быстродействие по-

вышается с увеличением напряжения питания, но возрастает также

потребляемая мощность, нестабильность параметров от экземпля-

ра к экземпляру, высокое выходное сопротивление.

ЭСЛ – эмиттерно-связная логика (серии интегральных цифро-

вых микросхем 137; 187; 229; 100; 500; 700; 1500). Применяются в

устройствах, где требуется повышенное быстродействие.

Преимущества – крайне высокое быстродействие, повышен-

ная помехозащищённость благодаря специальным схемным реше-

ниям.

Недостатки – очень высокая потребляемая мощность, уровни

логического нуля и логической единицы (в отличие от всех других

типов логических цифровых микросхем) находятся в отрицательной

области напряжений, относительно общего провода (поэтому за

ЭСЛ - логикой закрепилось неофициальное название – «отрица-

тельная логика»).

Теперь рассмотрим основные электрические параметры ос-

новных серий интегральных микросхем.

Удобнее всего это сделать на основе табличного представле-

ния данных, в которых применяются следующие сокращения:

вых

(0), В – значение напряжения уровня логического нуля в

вольтах;

вых

(1), В - значение напряжения уровня логической единицы в

вольтах;

вх

(0), мА – значение входного тока, втекающего в выход ИЦМ

от входов других ИЦМ, подключённых к данному выходу, находя-

щемуся в состоянии логического нуля, в миллиамперах. Не совсем

понятное объяснение, однако, в дальнейшем, при рассмотрении

схемотехники базовых элементов всё станет ясно;

вх

(1), мА - значение входного тока, втекающего в выход ИЦМ

от входов других ИЦМ, подключённых к данному выходу, находя-

щемуся в состоянии логической единицы, в миллиамперах.

зад

(1,0), нс – время задержки перехода выхода ИЦМ из со-

стояния логической единицы в состояние логического нуля, начиная

от момента подачи на её входы логических уровней, изменяющих

логическое состояние выхода, в наносекундах;

зад

(0,1), нс - время задержки перехода выхода ИЦМ из со-

стояния логического нуля в состояние логической единицы, начиная

от момента подачи на её входы логических уровней, изменяющих

логическое состояние выхода, в наносекундах;

пот

, ср, мВт – средняя мощность, потребляемая микросхема-

ми данной серии, в милливаттах. Достаточно условный параметр

(примерно как средняя температура по больнице), поскольку разные

типы микросхем потребляют разную мощность, но позволяющий в

некоторой степени сравнить энергопотребление одинаковых уст-

ройств, выполненных на ИЦМ различных серий;

U и.п., В – напряжение источника питания в вольтах;

пр

, мГц – предельная частота переключения микросхем в ме-

гагерцах, позволяет оценить быстродействие ИЦМ;

зад

срабатывания, нс – параметр аналогичный T

зад

(1,0) и

зад

(0,1) для ИЦМ КМОП серий, поскольку для данных серий эти

величины практически одинаковы.

Так как ИЦМ ДТЛ - технологии больше не совершенствуются,

то рассматривать их электрические параметры мы не будем, а нач-

нём с рассмотрения с ТТЛ - серий.

В табл. 1.1 приведены электрические характеристики ТТЛ се-

рий интегральных цифровых микросхем.

Таблица 1.1

Серии ТТЛ - логики

Стан-

дартные

Быстро-

действ.

Микро-

мощные

С диодами Шоттки

Параметры мик-

росхем ТТЛ - ло-

гики

133 155 130 131 134 158 530 531 1531 1533 533 555

вых

(0), В 0,4 0,4 0,35 0,35 0,3 0,3 0,5 0,5 0,5 0,5 0,4 0,5

вых

(1), В 2,4 2,4 2,4 2,4 2,3 2,4 2,7 2,7 2,7 2,7 2,5 2,7

вх

(0), мА 1,6 1,6 2,3 2,3 0,18 0,15 2 2 1 1 1 1

вх

(1), мА 0,04 0,04 0,07 0,07 0,01 0,01 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

зад

(1,0), нс 15 15 10 10 100 70 5 5 2,7 4 20 20

зад

(0,1), нс 22 22 10 10 100 70 4,5 4,5 2,7 4 20 20

пот

, ср, мВт 22 22 44 44 2 5 19 19 4 1 3,8 3,7

U и.п., В +5 +5 +5 +5 +5 +5 +5 +5 +5 +5 +5 +5

пр

, мГц 10 10 30 30 3 14 50 50 60 15 10 10

Как видно, все серии ИЦМ ТТЛ разделены на четыре группы.

Стандартные серии были первыми появившимися в ТТЛ - техноло-

гии и обладают самыми низкокачественными параметрами. Эти се-

рии в настоящее время не выпускаются, поскольку полностью взаи-

мозаменимы ИЦМ на основе диодов Шоттки. Может возникнуть во-

прос, в чём разница между сериями 155 и 133, если электрические

параметры у них абсолютно одинаковые? Дело в том, что серия 133

выпускается в гораздо более миниатюрном корпусе и имеет значи-

тельно меньшую массу и большую надёжность по сравнению с 155-

й серией. Это напрямую связано с областями применения ИЦМ, ко-

торые принято подразделять на «военное применение» и «коммер-

ческое применение». Причём под «военным применением» понима-

ется не только применение ИЦМ в разработках, связанных с воен-

ной техникой, но и в областях, где требуется высокая надёжность,

малая масса и малые габариты (например, космос, авиастроение и

т.п.). Однако за такие «улучшенные» параметры приходится пла-

тить, поскольку серии ИЦМ «военного применения» стоят гораздо

дороже, чем коммерческие. Поэтому при разработке устройств не-

обходимо учитывать и экономические факторы. Под «коммерческим

применением» понимается применение ИЦМ во всех других облас-

тях. Подобное деление имеет место для всех типов ИЦМ.

Стремление повысить быстродействие привело к появлению

специальных быстродействующих серий, имеющих самое высокое

быстродействие среди ИЦМ ТТЛ, выпускавшихся до появления

ИЦМ на основе диодов Шоттки. Но, как видно, за повышение быст-

родействия приходится платить высоким энергопотреблением. Это

справедливо для ИЦМ всех технологий, чем выше быстродействие,

тем выше энергопотребление.

Отдельную группу образуют микросхемы называемые «микро-

мощными», т.е. имеющие самое низкое энергопотребление среди

всех ИЦМ ТТЛ, выпускавшихся до появления ИЦМ на основе диодов

Шоттки. Такие микросхемы использовались в устройствах, питание

которых осуществлялось от автономных источников, где вопрос об

энергопотреблении стоит очень остро и напрямую связан с дли-

тельностью работы устройства от одного комплекта элементов пи-

тания. Здесь мы наблюдаем ту же тенденцию – низкое энергопо-

требление сопровождается низким быстродействием.