Билет 12

1. Числоимпульсный двоичный сигнал, последовательный и параллельный двоичный сигнал.

2. Параметры цифровых микросхем.

1) Числоимпульсный двоичный сигнал, последовательный и параллельный двоичный сигнал.

Двоичные сигналы можно подразделить на число – импульсные, последовательные и параллельные позиционные сигналы.

Самыми простыми двоичными сигналами являются число – импульсные сигналы, у которых информационным параметром является количество импульсов N за время заданного постоянного интервала времени, или за время между двумя определенными метками времени, причем ни длительность импульсов, ни их расположение при этом не имеют значения.

На рис.2.1.1 показан пример число – импульсного двоичного сигнала, в котором отметками начала и конца интервалов, в которых производят подсчет числа импульсов сигнала, служат достаточно длительные паузы между пачками импульсов. Такой вид может иметь сигнал набора номера в телефонных аппаратах с импульсным набором, которые распространены в нашей стране.

U

1

0 t

6 8 3 4

Рис. 2.1.1. Пример число – импульсного двоичного сигнала, содержащего 6, 8, 3 и 4 импульса соответственно в первом, втором, третьем и четвертом интервалах времени.

В последовательном двоичном сигнале информация заключена во временной последовательности появления нулей и единиц внутри своей группы, приходящейся на определенное число тактов дискретного времени. В каждой такой группе первая позиция обычно соответствует самому младшему разряду, имеет самый малый вес, а все последующие позиции (номера дискретного времени внутри группы) имеют последовательно нарастающие веса вплоть до последней позиции с максимальным весом, соответствующей старшему разряду. Поскольку в двоичном сигнале имеется только два допустимых значения, то все веса, разряды кода являются степенями двойки.

Рис. 2.1.2. Пример последовательного двоичного сигнала, поступающего с одного вывода цифрового устройства CU, где:

а) – сигнал передаваемый по тактовой линии;

б) – последовательность нулей и единиц, в первом интервале соответствующая числу 20, а во втором, – 26.

В отличие от последовательного параллельный сигнал передается одновременно по нескольким линиям, как это показано на рис.2.1.3. В приведенном примере совокупность нулей и единиц во время первого тактового импульса соответствует числу 3, а во втором, – 10.

Рис.2.1.3. Пример параллельного двоичного сигнала, поступающего одновременно с нескольких выводов цифрового устройства CU, на котором:

а) – сигнал передаваемый по тактовой линии;

б) – сигнал, поступающий с старшего выхода цифрового устройства CU, которому соответствует весовой коэффициент 8;

в) – сигнал, поступающий с среднего выхода цифрового устройства CU, которому соответствует весовой коэффициент 4;

г) – сигнал, поступающий с среднего выхода цифрового устройства CU, которому соответствует весовой коэффициент 2;

д) – сигнал, поступающий с младшего выхода цифрового устройства CU, которому соответствует весовой коэффициент 1.

Как видно из трех вышеприведенных рисунков, самым быстрым способом передачи информации является использование параллельного сигнала, но при этом требуются самые большие аппаратные затраты. Самым медленным, но зато и самым простым и требующим самые малые затраты оборудования, является применение число – импульсного сигнала. Последовательный позиционный двоичный сигнал является промежуточным между параллельным и число – импульсным сигналами.

2) Параметры цифровых микросхем.

Параметры цифровых микросхем делятся на три группы: статические, динамические и интегральные.

Статические параметры цифровых микросхем характеризуют микросхему в статическом (установившемся) режиме. К ним относятся:

1. Напряжение источника питания Uпит. [В] и допуск на его изменение Uпит. (для ТТЛ Uпит. =  5; 10 ; для большинства же серий КМОП допустимо питание в пределах от 3 до 15 В).

2. Входные и выходные допустимые напряжения U⁰вх.max, U⁰вых.max, U¹вх.min, U¹вых.min [В], для некоторых типов микросхем показаны на рис. 5.2.1.

Области допустимых значений входных и выходных напряжений ТТЛ и КМОП микросхем при напряжении их питания +5 В и +12 В.

На рисунке стрелками, направленными вниз, показаны типовые, наиболее часто встречающиеся значения уровней логического нуля и единицы, а стрелками, направленными вверх, показаны типовые значения порогов переключения микросхем.

3. Входные и выходные токи при лог.0 и лог.1 и их допуски: I⁰вх.max, I⁰вых.max, I¹вх.min, I¹вых.min.

4. Коэффициент разветвления по выходу (это число входов микросхемы данной серии, которые допустимо подключать к данному выходу микросхемы), обычно для ТТЛ Кразв.=10, для КМОП Кразв.=50 … 100.

5. Коэффициент объединения по входу Коб. (обычно это число входов данной микросхемы ). Как правило Коб. = 2; 3; 4 и 8. Если нужно другое число, то применяют специальные микросхемы , – расширители, или собирают схему по законам булевой алгебры.

6. Потребляемая мощность (статическая) обычно рассматривается как полусумма мощностей, потребляемых при нуле и при единице:

Р_ПОТ = (Р⁰_ПОТ + Р¹_ПОТ) / 2 .

Мощность, потребляемая микросхемами в реальных режимах работы существенно зависит от частоты их переключения.

Зависимость мощности, потребляемой микросхемами различных серий, от частоты переключения:

a – ТТЛ микросхемы серии КР1531 (F);

b – ТТЛ микросхемы серии К555 (LS);

c – ТТЛ микросхемы серии КР1533 (ALS);

d – КМОП микросхемы серии 1564 (HCT);

e – КМОП микросхемы серии К561 и КР1561 (74C);

f – КМОП микросхемы серии КР1554 (ACT).

7. Помехоустойчивость (статическая) Uпом. – допустимое напряжение помех на входе микросхемы , определяется из двух значений:

 U¹_ВЫХ.MIN – U¹_ВХ.MAX  = U¹_ПОМ , или  U⁰_ВЫХ.MAX – U⁰_ВХ.MIN = U⁰_ПОМ.

Из этих двух значений выбирается меньшее. Эти значения помехоустойчивости даны для предельных значений питающих напряжений, температуры окружающей среды и др. условий. Реальная помехоустойчивость микросхем примерно в два раза лучше, чем определяемая по приведенной формуле.

Области допустимых значений входных и выходных напряжений ТТЛ и КМОП микросхем при напряжении их питания +5 В и напряжения статической помехи при нулевом и единичном уровнях.

В зависимости от продолжительности помехи различают статическую и динамическую помехоустойчивость. Статическую помехоустойчивость связывают с помехами, длительность которых больше времени переходных процессов, а динамическую, – с кратковременными помехами. Динамическая помехоустойчивость лучше статической за счет того, что от короткого импульса помех микросхемы просто не успевает переключиться.

Динамические параметры цифровых микросхем определяют максимальную частоту смены входных состояний, при которой не нарушается нормальное функционирование микросхем. Временные диаграммы, иллюстрирующие способы определения временных динамических параметров.

Временные диаграммы, иллюстрирующие способы определения временных динамических интегральных микросхем.

К динамическим параметрам цифровых интегральных микросхем обычно относят следующие:

1. Среднее время tзд.р. задержки распространения переднего и заднего фронтов:

.

2. Длительность t^0,1_Ф фронта выходного сигнала при перепаде от нуля к единице (от 0.1 до 0.9 амплитуды сигнала) и t^1,0_Ф длительность фронта выходного сигнала при перепаде от 1 к 0 (от 0.9 до 0.1 амплитуды сигнала), как это показано на рис.5.2.4.

3. Максимальная частота переключения:

f_MAX  (t^0,1_Ф + t^1,0_Ф) / 2.

Интегральные параметры цифровых микросхем отражают уровень развития технологии и схемотехники, а также качество цифровых микросхем:

1. Энергия переключения Э_ПЕР = Р_{ПОТР.СР}  t_ЗД.Р [пДж].

2. Степень интеграции N = lg n, где n, – число простых логических элементов (2И–НЕ) на кристалле (при N = 2 микросхемы обычно называют схемами средней интеграции, – СИС; при N = 3 микросхемы обычно называют схемами большой интеграции, – БИС; при N = 4 микросхемы обычно называют схемами сверх большой интеграции, – СБИС).