Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные схемы

Подождите немного. Документ загружается.

го напряжения. Таким образом, опорное напряжение должно быть

близким к величине

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−

БЭ

На рис. 2.17 приведена принципиальная электрическая схема

логического элемента, который промышленно производится на ос-

нове ЭСЛ-технологии.

Рис. 2.17. Логический элемент ЭСЛ с двумя входами

Номинальное значение питающего напряжения Uпит состав-

ляет – 5,2 В. Схема имеет два буфера, каждый из которых подсое-

динён к коллектору одной из частей комбинирующей схемы. Таким

образом, у этого элемента две взаимно дополнительные выходные

линии. Следовательно, особенностью схемотехники элементов ЭСЛ

– логики является наличие у логических элементов как прямого, так

и инверсного выхода, что позволяет значительно снизить количест-

во элементов при построении логических схем. Резисторы в комби-

нирующей схеме подобраны так, что U

К0

, т е. низкий логический уро-

вень напряжения на коллекторе каждого плеча комбинирующей

схемы, равен – 0,85 В. Значение U

БЭ

для открытых транзисторов

примерно равно 0,75 В. Таким образом, низкое выходное напряже-

ние для логического нуля равно - (0,85+0,75) = - 1,6 В, а высокое,

для логической единицы, равно – 0,75 В.

Опорное напряжение поддерживается на уровне – 1,175 В, т.

е. в середине между двумя логическими уровнями. Это напряжение

обеспечивается схемой (VT

, VD

, R

), состоящей из

эмиттерного повторителя, транзистора, на вход которого напряже-

ние подается с делителя напряжения. Те, кто хорошо усвоил курс

«Электроника», наверное, уже заметили, что эта схема представля-

ет ни что иное, как компенсационный стабилизатор напряжения,

обеспечивающий высокую стабильность выходного напряжения не-

зависимо от изменения входного напряжения и потребляемого на-

грузкой тока. В качестве источника опорного напряжения использу-

ются два диода, которые, кроме того, осуществляют компенсацию

влияния изменения температуры. По мере изменения температуры

падение напряжения на этих двух диодах также изменяется и ком-

пенсирует аналогичное изменение разности потенциалов U

БЭ

на

транзисторе.

Анализ работы, приведённой на рис. 2.17 схемы, показывает,

что она реализует сразу две логические функции. На эмиттере VT

реализуется логическая функция дизъюнкция «ИЛИ», а на эмиттере

- логическая функция стрелка Пирса «ИЛИ-НЕ».

Обратите внимание, что эмиттеры VT6 и VT7 не имеют в своих

цепях сопротивлений, зато базы входных транзисторов VT1 и VT2

снабжены внутренними резисторами утечки R

. Это сделано по

двум причинам. Во-первых, благодаря этому можно оставлять вхо-

ды логических элементов неподключёнными никуда, поскольку на-

личие резисторов обеспечивает надёжное смещение транзисторов.

И, во-вторых, эти резисторы служат нагрузками для эмиттерных по-

вторителей буферов предыдущих логических элементов, выходы

которых подключены к входам данного логического элемента.

Мы рассмотрели схемотехнику элемента ЭСЛ - логики, кото-

рый реализует логические функции «ИЛИ», «ИЛИ-НЕ». При этом

замечено, что уровень логической единицы составляет – 0,75 В, а

уровень логического нуля соответствует напряжению – 1,6 В, т.е.

уровень логической единицы является менее отрицательным на-

пряжением, чем уровень логического нуля. Этому соответствует

временная диаграмма, приведённая на рис. 2.18.

Инверсный выход

«ИЛИ-НЕ»

Прямой выход

«ИЛИ»

Рис. 2.18. Временная диаграмма работы элемента ЭСЛ в случае, если на-

пряжение логического нуля более отрицательно, чем напряжение логиче-

ской единицы

Однако, если принять, что напряжение уровня логического ну-

ля менее отрицательно, чем напряжение уровня логической едини-

цы, то положение кардинальным образом изменится. В случае, если

мы принимаем, что логическая единица составляет – 1,6 В, а логи-

ческий ноль составляет – 0,75 В, то логический элемент ЭСЛ - логи-

ки начинает работать по-другому. На эмиттере VT6 реализуется ло-

гическая функция конъюнкция «И», а на эмиттере VT7 реализуется

логическая функция штрих Шеффера «И-НЕ».

Этому соответствует временная диаграмма, приведённая на

рис. 2.19.

На этом закончим раздел, посвящённый схемотехнике базовых

элементов современных серий интегральных цифровых микросхем.

Конечно, имеется ещё много других технологий, которые не описа-

ны в данном учебном пособии. Но я не ставил себе задачей охва-

тить всё многообразие ИЦМ. Особо интересующиеся найдут нужную

информацию в многочисленной литературе, посвященной совре-

менной цифровой электронике, а то, что изложено выше, вполне

достаточно для решения большинства задач по синтезу логических

автоматов.

Инверсный выход

«И-НЕ»

Прямой выход

«И»

Рис. 2.19. Временная диаграмма работы элемента ЭСЛ в случае, если на-

пряжение логического нуля менее отрицательно, чем напряжение логиче-

ской единицы

3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И

ОСОБЕННОСТИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

На этапе построения макета проектируемого логического ав-

томата, а впоследствии и опытного образца при его промышленном

выпуске, важное значение приобретает правильное схемотехниче-

ское подключение ИЦМ и других функциональных элементов, а так-

же решение вопросов согласования ИЦМ различных серий.

Прежде чем начать общее обсуждение данного вопроса, сле-

дует ввести некоторые понятия, характеризующие наиболее важ-

ные, с данной точки зрения, технические показатели ИЦМ, такие, как

коэффициент разветвления по выходу и коэффициент объединения

по входу:

раз

- коэфициент разветвления по выходу – это максималь-

ное число входных линий других логических элементов, кото-

рыми может управлять выход данного логического элемента;

об

- коэфициент объединения по входу – это максимальное

число возможных входов для логического элемента данного

типа.

3.1. НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ВЫВОДЫ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ОСОБЕН-

НОСТИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

При построении схем на цифровых интегральных микросхемах

часто используются не все входы логических элементов. Исходя из

логики работы схем, на эти входы следует подать либо логический

ноль, либо логическую единицу. Логический ноль как в ТТЛ, так и

КМОП - сериях интегральных микросхем подаётся путём подключе-

ния входов к общему проводу («шина земля»).

В большинстве серий ИЦМ неиспользуемые входы элементов,

выполняющих логические функции «И» или «И-НЕ», не должны ос-

таваться неподключенными. В ТТЛ и ТТЛШ - сериях сигнал от не-

подключенного входа воспринимается как логическая единица, но

оставлять его свободным не рекомендуется, так как возникающие

при этом дополнительные заряды в базе входного транзистора за-

медляют переключение элемента по другим входам, кроме того,

импульсы помехи, вызываемые переключением соседних элемен-

тов, размещённых в одном корпусе микросхемы, могут привести к

ложным срабатываниям. Поэтому в сериях ТТЛ и ТТЛШ неисполь-

зуемые «И» - входы либо объединяют с другими, но так, чтобы не

превысить допустимую нагрузку, либо подключают к источнику пи-

тания +5В через токоограничивающий резистор сопротивлением

1…3 кОм, для защиты от скачков напряжения, возникающих, напри-

мер, при включении питания. К одному резистору рекомендуется

подключать до 20 неиспользуемых входов. Логическую единицу

можно подать также с выхода инвертора, вход которого подключён к

общему проводу. У многовходовых элементов неиспользуемые вхо-

ды можно подключать к используемым, однако в этом случае увели-

чивается нагрузка на выход микросхемы – источника сигнала.

В сериях КМОП не должно быть неподключенных входов, так

как на них может оказаться наведенным любой потенциал, что при-

ведет к ложному состоянию схемы. Входы КМОП - элементов можно

непосредственно подключить к источнику питания, без резистора.

Неиспользуемые входы элементов, выполняющих логические

функции «ИЛИ» или «ИЛИ-НЕ» в любых сериях, должны быть под-

ключены к логическому нулю.

Рекомендуется также неиспользуемые функциональные эле-

менты ТТЛ - серий включить таким образом, чтобы на их выходах

была логическая единица. В этом случае уменьшается энергопо-

требление данного функционального элемента.

ЭСЛ - логические элементы позволяют оставлять незадейст-

вованными входы (мы это подробно рассматривали выше), в этом

случае они работают так, как будто на них поданы уровни логиче-

ского нуля.

При построении схем на логических элементах требуется при-

менение по цепям питания блокировочных конденсаторов ёмкостью

0,068…0,1 мкФ на каждые 3…4 корпуса микросхем для защиты от

высокочастотных помех по цепям питания. На каждой плате – ТЭЗ

(типовой элемент замены) должен быть установлен один оксидный

(электролитический) конденсатор ёмкостью 10…15 мкФ для защиты

от низкочастотных помех.

Для сопряжения ИЦМ требуется выбрать нагрузку ИЦМ - пере-

датчика таким образом, чтобы значения входных токов уровней ло-

гической единицы I

и логического нуля I

, а также и выходных на-

пряжений уровней логической единицы U

и логического нуля U

не выходили за пределы, установленные техническими условиями.

Для определения числа подключаемых единичных нагрузок в

пределах одной серии ИЦМ следует вычислить отношения

БАЗ1

01max

max00

;

БАЗ

где I

00max

, I

01max

- максимально допустимые токи нагружаемой ИС,

БАЗ0

, I

БАЗ1

- входные токи базового элемента данной серии.

Меньшее из этих значений и является коэффициентом раз-

ветвления по выходу К

раз

, который показывает количество единич-

ных нагрузок, подключенных к данному выходу.

Аналогичным образом можно рассчитать К

раз

при работе ИЦМ -

передатчика одной серии и приемника другой серии ИЦМ, относя-

щихся к одному типу интегральной логики. Для серий ТТЛ и ТТЛШ

рассчитанные значения К

раз

приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Количество единичных нагрузок серий

ИЦМ - пере-

датчик

155 531 555 1533

155 10 8 20 20

531 12 10 50 50

555 5 4 20 20

1533 2 2 10 20

В сериях ТТЛ и ТТЛШ имеются ИЦМ с повышенной нагрузоч-

ной способностью. Как правило, такие микросхемы выполняют логи-

ческую функцию, которую уже выполняет какая-либо микросхема в

данной серии, но обозначение они имеют другое. В справочных по-

собиях про такие микросхемы написано либо «с повышенной нагру-

зочной способностью», либо «буферные логические элементы».

Например, в серии 155 ИЦМ 155ЛА3 обозначается как «четыре ло-

гических элемента 2И-НЕ» (т.е. в одном корпусе ИЦМ содержится

четыре двухвходовых логических элемента И-НЕ), а ИЦМ 155ЛА12

обозначается как «четыре буферных логических элемента 2И-НЕ».

Нагрузочные способности некоторых таких элементов приведены в

табл.3.2.

Таблица 3.2

Количество единичных нагрузок серий:

ИЦМ - пере-

датчик

155 531 555 1533

155ЛА6 30 24 60 60

555ЛА6 15 12 60 60

155ЛА12 30 24 60 60

555ЛА12 15 12 60 60

531ЛА16 37 30 15 150

Коэффициент разветвления по выходу у КМОП-микросхем

очень высок, поскольку полевые транзисторы имеют чрезвычайно

высокое входное сопротивление. Однако существенные емкости в

выходных цепях, присущие КМОП-технологии, снижают их быстро-

действие. Дело в том, что МОП-транзисторы имеют существенное

сопротивление в открытом состоянии, и это ограничивает ток, заря-

жающий или разряжающий емкости выходных цепей. Рассчитать

значения К

раз

можно по приведённой выше методике.

Коэффициент разветвления по выходу у ЭСЛ - микросхем

очень высок благодаря очень большому входному импедансу. Кро-

ме того, как уже отмечалось выше, ЭСЛ – логические элементы от-

личаются чрезвычайно высоким быстродействием. Одна из проблем

ЭСЛ - технологии связана с необходимостью соблюдать строгие

требования при размещении схем на кристалле и расположении

выводов. В противном случае из-за высоких скоростей переключе-

ния паразитные емкостные и индуктивные связи приведут к недо-

пустимому уровню межсигнальных помех.

Какой вывод следует из всего вышесказанного? А вот какой.

После структурного синтеза схемы логического автомата на этапе

разработки принципиальной электрической схемы необходимо тща-

тельно проверить подключения всех выходов логических элементов

на нагрузочную способность и, в случае необходимости, либо ис-

пользовать элементы с повышенной нагрузочной способностью, ли-

бо включить параллельно ИЦМ – источника сигнала ещё одну такую

же ИЦМ и распределить между ними входы ИЦМ – приёмники сиг-

налов. За этим необходимо очень внимательно следить, в против-

ном случае сбои в работе логического автомата гарантированны.

3.2 ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИЕ ПРОСТЕЙШИЕ

ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ

Такие элементы относятся к ИЦМ, выполняющим следующие

логические операции: «инверсия», «конъюнкция», «дизъюнкция»,

«стрелка Пирса», «штрих Шеффера» и «исключающее ИЛИ».

Такие ИЦМ выпускаются в корпусах с 14 выводами (см. рис.

1.1). Причём в таком корпусе размещаются шесть элементов,

имеющих один вход и один выход (инверторы или буферные усили-

тели), четыре двухвходовых элемента, три трёхвходовых элемента,

два четырёхвходовых элемента или один восьмивходовой элемент.

Помните, мы уже обсуждали, что увеличение количества входов ло-

гического элемента более восьми приводит к ухудшению его дина-

мических характеристик.

Для того, чтобы различать, какие логические элементы распо-

лагаются в корпусе ИЦМ, применяются буквенные обозначения -

две буквы, которые называются типономиналом или третьим знаком

в системе условных обозначений ИЦМ.

Применяются следующие условные обозначения типономина-

лов логических элементов (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Ти-

поно-

мина

Тип элемен-

та

Типо-

номи-

нал

Тип элемента

Ти-

поно-

ми-

нал

Тип элемен-

та

ЛИ И ЛЛ ИЛИ ЛН Инвертор

ЛС И-ИЛИ ЛА И-НЕ ЛЕ ИЛИ-НЕ

ЛР И-ИЛИ-НЕ ЛД Расширитель ЛП

«Исключаю-

щее ИЛИ»

На принципиальных электрических схемах логические элемен-

ты таких ИЦМ имеют условные графические обозначения, приве-

дённые на рис. 3.1.

Каких-либо особенностей ИЦМ логических элементов, выпол-

няющих простейшие логические операции, не имеют, и на схемах из

них составляют цепочки в полном соответствии с реализуемыми ло-

гическими функциями.

Однако элемент «Исключающее ИЛИ» представляет опреде-

лённый интерес, и на нём мы остановимся подробнее.

Элемент «Исключающее ИЛИ» является основой устройств,

выполняющих арифметическое сложение двоичных чисел, т.е. сло-

жение по модулю 2. Такие устройства называются «сумматоры» и

являются основой арифметически – логических устройств, которые,

в свою очередь, являются главной частью любого процессора.

Рис. 3.1. Условные графические обозначения логических элементов вы-

полняющих простейшие логические операции:

а – элемент «И»; б – элемент «ИЛИ»; в – элемент инвертора; г - эле-

мент «И-НЕ»; д - элемент «ИЛИ-НЕ»; е – элемент «Исключающее ИЛИ»;

ж – элемент «И-ИЛИ»; з – элемент «И-ИЛИ-НЕ»

Таким образом, можно сказать, что «Исключающее ИЛИ» яв-

ляется тем элементарным кирпичиком, из которого строятся любые

компьютерные системы. Схема сумматора для двух одноразрядных

двоичных чисел приведена на рис. 3.2 и содержит элемент «Исклю-

чающее ИЛИ» и элемент «И».

Рис. 3.2. Схема сумматора двух одноразрядных двоичных чисел

Значение результата сложения снимается с выхода Y

, а сиг-

нал переноса в старший разряд появляется на выходе Y

Поскольку каждый разряд двоичных чисел может иметь только

два значения (0 или 1), то при сложении двух логических нулей на