Таким образом, рассмотренный элемент ттл выполняет логическую операцию «и-не» ( ).

Для ограничения тока через открытый транзистор VT3 при случайном коротком замыкании выхода элемента включен резистор R4.

В состав некоторых серий цифровых ИС ТТЛ входят логические элементы без коллекторной нагрузки выходного транзистора VT4 - элементы с «открытым» коллектором. Они предназначены для работы с внешней нагрузкой в виде индикаторных приборов, светодиодов и т.д.

Если какие либо из входов многоэмиттерного транзистора никуда не подключены, то это воспринимается элементом как подача на эти входы 1, так как тока в цепи неподключенного эмиттера нет. Поэтому, например, элементы «И-НЕ» («ИЛИ-НЕ») можно использовать как простые инверторы, подавая инвертируемый сигнал на один из входов «И-НЕ» или же соединяя все входы вместе. В схеме «И-НЕ» сигнал можно подавать только на один из входов, оставляя остальные неподключенными (рис.2-7).

Рис.2-7 Использование элементов «и-не’,’или-не’ как инверторов

Вход ИС транзистор-транзисторной логики(ТТЛ) реализуется с помощью многоэмиттерного транзистора.

Рис.2-8 Многоэмиттерный транзистор

При подаче хотя бы на один из эмиттеров уровня «0», ток из выходной цепи Rн переключается во входную цепь и на выходе устанавливается «0». Если на все входы подать уровень «1», тогда во входной цепи тока не будет, он пойдет через Rн и на выходе будет «1». Данная схема выполняет операцию «и». Если на входы ничего не подавать, то тока во входной цепи также не будет и на выходе появится «висячая 1». При соединении многоэмиттерного транзистора и сложного инвертора образуется элемент «И-НЕ».

Пути повышения быстродействия ТТЛ схем

1) Нелинейная обратная связь (НОС)

Рис.2-9 НОС с помощью диода

При подаче на вход напряжения единичного уровня транзистор открывается и напряжение на выходе начинает падать. В какой-то момент потенциал φа < φb, следовательно VD открывается и дальнейшего насыщения не происходит. Поэтому при подаче Uвх=0 транзистор закрывается значительно быстрее.

2) Применение диодов и транзисторов Шоттки.

ДШ – диод {модуль1 глава 1.3} Шоттки (диод на горячих носителях).

Рис.2-10 Условное обозначение и характеристика диода Шоттки

В них выпрямительный контакт расположен на границе между металлом и полу­проводником, а носители зарядов и в полупроводниках, и в металле – электроны. Неосновных носителей нет. Соединение ДШ + транзистор образуют транзистор Шоттки (555 серия).

2.2.2 Технология КМОП

В качестве инверторов можно использовать МОП транзисторы, но р- и n-канальные цифровые элементы оказались непрактичными как базовые для массовых микросхем прежде всего из-за низкого быстродействия. Действительно, при Rс=100кОм и емкости нагрузки Сн=30 пФ время отключения составит t = 2,2RcCн= 6,6 мкс, что соответствует максимальной частоте входных импульсов 150 кГц.

Увеличить быстродействие на порядок позволяет последовательное (столбиком) соединение р и n-канальных МОП-транзисторов. Тогда резистор Rc в схеме не нужен, а заряд и разряд паразитных нагрузочных емкостей будет происходить через относительно небольшие сопротивления р- и n-каналов.

С помощью металлизации поверхности кристалла элементы структуры соединяются в схему инвертора DD1 (рис.2-11). К затворам присоединен защитный стабилитрон VD1, без него вход инвертора будет пробит статическим электричеством.

Цифровые микросхемы должны быть крайне устойчивы к таким явлениям, как пробои от статического или наведенного от силовых сетей электричества. Прежде всего защита гарантируется их структурой. На рис. 2-11 показана полная эквивалентная схема инвертора КМОП. Стоковое напряжение (плюс источника питания) подключается на n-подложку.

Рис.2-11 Упрощенная и полная схемы инвертора на КМОП транзисторах

Конденсатор С символизирует входную емкость инвертора. Как правило, она составляет от 5 до 15 пф. Диоды VD1 – VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диод VD1 имеет пробивное напряжение 25 В, VD2 и VDЗ-50 В. Последовательный резистор R=200 Ом... 2 кОм не позволяет скачку тока короткого замыкания передаваться в незаряженную входную емкость С. Тем самым защищается выход предыдущего (управляющего) инвертора от импульсной перегрузки. Диоды VD4-VD5 защищают выход инвертора от пробоя между n+ и p+ областями. Диод VD6 защищает канал от ошибочной перемены полярности питания.

2.2.3 ЭСЛ технология

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) имеют наибольшее быстродействие, достигшее в настоящее время субнаносекундного диапазона. Особенность ЭСЛ в том, что схема логического элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ), транзисторы которого могут переключать ток и при этом никогда не попадают в режим насыщения. Поэтому такие схемы самые быстродействующие.

Рис.2-12 Схема элемента ЭСЛ

На рис.2-12а показана основа логического элемента DD1 - переключатель тока I0. Если входным сигналом Uвх открыть транзистор VТ1, через него потечет весь ток I0, вытекающий из общей точки связанных эмиттеров Э. На коллекторе транзистора VТ1 окажется напряжение низкого уровня. В этот момент транзистор VТ2 тока не имеет, он вынужденно находится в состоянии отсечки. На его коллекторе присутствует напряжение высокого уровня.

Наличие генератора стабильного тока (ГСТ) принципиально, с его помощью строго фиксируются выходные логические уровни.

В отличие от аналоговых применений дифференциального усилителя, когда стремятся использовать разность напряжений Uвых между коллекторами, цифровая микросхема, переключающая ток I0, снабжается двумя инверсными выходами логических уровней, где выделяются напряжения высокого и низкого уровней.

На рис. 2-12б показан простейший одновходовый элемент ЭСЛ. Новым в развитии элемента DD1 (рис. 2-12а) здесь является источник опорного напряжения Uоп. Это напряжение фиксирует порог срабатывания переключателя тока. Тем самым дифференциальный усилитель превращается в логический элемент. У него теперь два состояния выходов, которые переключаются лишь при условиях: Uвх>Uоп или Uвх<Uоп. Однако при проектировании ЭСЛ ставилась задача: получить сверхскоростную логику. В схеме (рис.2-12б) этого достичь нельзя, так как выходное сопротивление выходов Q и Q велико, оно приближается к величине Rн. Для снижения выходного сопротивления к коллекторным выходам подключаются эмиттерные повторители, работающие в линейном режиме. Теперь выходное сопротивление эмиттерного выхода значительно уменьшается:

Rвых=Rk/(B+1), где (В+1) - коэффициент усиления по току транзистора-эмиттерного повторителя. Эмиттерные выходы чаще делаются «открытыми», чтобы можно было их соединять в элементы «монтажное ИЛИ». Сопротивление внешнего нагрузочного резистора Rэн можно выбрать от 300 Ом до 30 кОм.

Принципиальная особенность микросхем ЭСЛ: они питаются отрицательным напряжением -Uи.п.э (то есть напряжение подается от эмиттеров), а коллекторные цепи заземляются. Этим способом повышается помехоустойчивость ЭСЛ. Ток потребления Iпот вытекает из микросхемы в источник.

АЦП и ЦАП

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

ЦАП реализует преобразование цифрового кода в ток или напряжение.

I,U = ƒ(управляющего кода).

Чаще всего ƒ – линейная функция. Преобразование ведется в 2 этапа: код → I → U.

10.1 ЦАП c матрицей R-2nR

1) Преобразование код → ток производится с помощью резистивной матрицы.

Переключатели Пi выполнены в виде транзисторных ключей:

Рис.10-1 Резистивная матрица R-2ⁿR

2) Преобразование ток → напряжение производится операционным усилителем. Величина выходного напряжения определяется резистором R, который установлен внутри корпуса ЦАП; ОУ подключается дополнительно.

Недостаток матрицы R-2nR: резисторы матрицы сильно отличаются по величине и должны быть очень точно подобраны, поэтому чаще используется матрица R-2R.

10.2 ЦАП с матрицей R-2R

Рис.10-2 ЦАП с матрицей R-2R

В этой матрице используются резисторы только двух номиналов, которые можно изготовить с высокой точностью.

10.3 Преобразование кодов со знаком

Подключение ЦАП для преобразований кодов со знаком

При вводе кода со знаком в ЦАП путем инверсии {глава 1.1} знакового разряда к этому коду прибавляется код 128-ми (таблица 10). Диапазон входных кодов: -128 - 127 переходит в диапазон 0 - 255. После преобразования из полученного тока вычитается ток соответствующий 128-ми (рис.10-3) и тогда знак напряжения на выходе ОУ совпадает со знаком входного кода.

десятичный код	двоичный код	преобразованный код
127         :         :         1         0         -1         :         :         -127         -128	01111111         :         :         00000001         00000000         11111111         :         :         10000001         10000000	11111111         :         :         10000001         10000000         01111111         :         :         00000001         00000000

Таблица 10 Преобразование кода

Рис.10-3 ЦАП-преобразователь кода со знаком

АЦП – устройства, преобразующие аналоговый сигнал (напряжение) в соответствующий ему код (двоичный, десятичный и т.д.).

Методы преобразования:

1) последовательный счет (динамическая компенсация);

2) слежение;

3) поразрядное уравновешивание (весовой метод);

4) параллельное преобразование;

5) интегрирование.

11.1 АЦП последовательного счета

Структура такого АЦП показана на рис.10-4.

Рис.11-1 АЦП последовательного счета

На выходе счетчика появляется нарастающий код, который ЦАПом преобразуется в нарастающее напряжение Uцап. В тот момент, когда Uцап = Uвх, компаратор выдает сигнал равный «1», по которому полученный код записывается в регистр, и (с некоторой задержкой) сбрасывается счетчик. Процесс повторяется непрерывно.

Рис.11-2 Процесс преобразования в АЦП

Недостаток: время преобразования пропорционально величине сигнала Uвх, поэтому отслеживать можно только сравнительно медленные сигналы.

11.2 Следяший АЦП

В нем применяется реверсивный счетчик, переключаемый сигналом с выхода компаратора. Поэтому АЦП отслеживает изменения напряжения на входе не начиная цикл с начала.

Рис.11-3 Работа следящего АЦП

Микропроцессоры и микроконтроллеры [Марченко ]

Устройства на элементах, изготовленных методами интегральной технологии, оказываются в десятки и сотни раз дешевле эквивалентных им устройств, выполненных на дискретных элементах. Резко улучшаются также практически все эксплуатационные и другие характеристики этих устройств (в том числе надёжность, энергопотребление, массогабаритные параметры). Естественным направлением снижения затрат на изготовление устройств является применение микросхем повышенной степени интеграции.

Однако со сложностью микросхем увеличивается их специализация, сужается область применения, что, в свою очередь, сокращает объём производства этих микросхем и, следовательно, непропорционально увеличивает их стоимость. Таким образом, применение специализированных БИС и СБИС становится выгодным только при большой серийности изделий, например, БИС для телефонных аппаратов и калькуляторов, БИС программируемых и оперативных запоминающих устройств, БИС для электронных часов и др.

Разрешение между высокой степенью интеграции и узкой специализацией БИС и СБИС было найдено с созданием универсальных микросхем, принцип функционирования которых определяется не только внутренними связями, но и подаваемыми извне командами, т. е. программным управлением. Такая БИС получила название микропроцессора, так как она создана методом микроэлектронной технологии и способна работать по изменяемой программе. Микропроцессорные БИС обладают сравнительно низкой стоимостью, большой серийностью и универсальностью применения.

Итак, микропроцессор — это программно управляемое устройство обработки цифровой информации, реализованное в виде БИС или СБИС, т. е. устройство, способное выполнять под программным управлением обработку информации (включая её ввод и вывод), арифметические и логические операции.

В связи с широким спектром возможных применений эволюция архитектуры микропроцессоров шла по нескольким различным направлениям, в результате чего появились следующие их классы:

простые однокристальные 44, 88 и 166разрядные контроллеры невысокой

производительности для применения в бытовых приборах и небольших подсистемах;

быстродействующие секционные комплексы микропроцессорных БИС для создания вычислительных устройств произвольной разрядности, адаптируемых к алгоритмам обработки данных на микропроцессорном уровне;

мощные однокристальные 322 и 644разрядные микропроцессоры;

процессоры цифровой обработки сигналов, подключаемые к тандартным интерфейсам микроЭВМ для обработки алгоритмов, таких, как быстрое преобразование Фурье;

аналоговые процессоры — устройства, включающие АЦП, ЦАП, устройства

цифровой обработки и представляющиеся пользователю как системы с аналоговым входом и аналоговым выходом.

Выделяют также скалярные (суперскалярные), матричные и векторные процессоры. «Суперскалярность» означает способность центрального процессора выполнять более чем одну команду за такт процессора. В скалярных и суперскалярных МП, осуществляющих конвейеризацию (многопоточную параллельную обработку команд), все этапы команды задействуются только один раз и всегда в одном и том же порядке одна за другой. Это, в частности, означает, что если схема первой микрокоманды выполнила свою работу и передала результаты второй, то для выполнения текущей команды она больше не понадобится, и, следовательно, может приступить к выполнению следующей команды. Процессор Pentium — первый суперскалярный процессор корпорации Intel.

Матричные и векторные МП предназначены для обработки изображений, матриц и массивов данных, т. е. в них осуществляется манипуляция массивами данных, а не простое исполнение списка инструкций. Матричный процессор имеет архитектуру, рассчитанную на обработку числовых массивов, например, матриц. Его архитектура включает в себя матрицу процессорных элементов 64х64, работающих одновременно.

Векторный МП обеспечивает параллельное вычисление операции над массивами данных, векторов. Он характеризуется специальной архитектурой, построенной на группе параллельно работающих процессорных элементов. Частным случаем векторного МП является процессор изображений, который служит для обработки сигналов, поступающих от датчиков формирователей изображения.

Векторная обработка увеличивает производительность процессора за счёт того, что обработка целого набора данных (вектора) производится одной командой. Векторные компьютеры манипулируют массивами данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных. Максимальная скорость передачи данных в векторном формате может составлять 64 Гбайт/с, что на два порядка быстрее, чем в скалярных машинах.