Podstawowe bramki logiczne

Transkrypt

1 Temat i plan wykładu Podstawowe bramki logiczne 1. Elementarne funkcje logiczne, symbole 2. Struktura bramek bipolarnych, CMOS i BiCMOS 3. Parametry bramek 4. Rodziny układów cyfrowych 5. Elastyczność łączeniowa bramek

2 Dlaczego technika cyfrowa? W przeszłości Przetwarzanie sygnałów analogowych np. wyjście z dwóch czujników

3 Problemy z zakłóceniami zakłócenia w linii transmisyjnej

4 zakłócenie utrudnia (nie pozwala) wychwycenie niewielkich różnic pomiędzy sygnałami np. między 3,1 V a 3,2 V

5 Wartości dyskretyzacji = cyfrowe Ograniczamy wartości do jednej z dwóch możliwych HIGH 5V TRUE=PRAWDA LOW 0V FALSE=FAŁSZ 1 0

6 System cyfrowy Zakłócenia przesłuchowe

7 Sygnał bez szumu (zakłóceń)

8 Sygnał z szumem (zakłóceniami) Zakłócenia napięcia zasilającego Zakłócenia uziemieniowe

9 System cyfrowy Lepsza odporność na zakłócenia. Wielkość marginesu zakłóceń decyduje o odporności na zakłócenia.

10 1 margines zakłóceń: VIH - V0H 0 margines zakłóceń: VIL - V0L

11 Napięcie progów i wartości logiczne Systemy cyfrowe śledzą stany statyczne: jeżeli wejścia do systemu cyfrowego będą miały odpowiednie progi wejściowe, wtedy system gwarantuje, że jego wyjścia będą miały odpowiednie progi wyjściowe.

12 Projektanci układów logicznych nie muszą przejmować się o co jest wewnątrz bramki.

13 Co się kryje wewnątrz bramki cyfrowej?

14 Prawie 50 lat wstecz

15 Definicja bramki logicznej Bramki scalone układy elektroniczne realizujące funkcje algebry Boole a.

16 Klasy układów cyfrowych TTL (Transistor Transistor - Logic) układy TTL, ECL (Emiter Coupled Logic) układy o sprzężeniu emiterowym, MOS (Metal Oxide - Semiconductor) układy MOS, CMOS (Complementary MOS) układy komplementarne MOS, BiCMOS (Bipolar CMOS) układy,,mieszane, bipolarne CMOS, I 2 L (Integrated Injection Logic) układy iniekcyjne, CTD (Charge Transfer Device) układy o sprzężeniu ładunkowym, GaAs MESFET układy GaAs.

17 Parametry cyfrowych układów cyfrowych Przy projektowaniu urządzeń z cyfrowymi układami scalonymi istotne są następujące parametry: szybkość działania, moc strat, odporność na zakłócenia, zgodność łączeniowa i obciążalność. Przy konstrukcji systemów cyfrowych powinny być znane właściwości obudów oraz niezawodność cyfrowych układów scalonych.

18 Proces przełączania bramki standardowej TTL Zmiany prądu zasilania bramki przy przełączaniu.

19 Szybkość działania czas propagacji t p t phl t 2 plh TTL do 500MHz, GaAs do 20GHz, ECL do 5GHz.

20 Źródła zakłóceń napięcia zasilającego, uziemieniowe, przesłuchowe w liniach transmisyjnych, odbiciowe w liniach transmisyjnych, zewnętrzne.

21 Napięcia progowe i odporność na zakłócenia

22 Rodziny bipolarnych układów cyfrowych TTL W technice TTL są produkowane obecnie następujące serie: TTL standard TTL 74, S bardzo szybka (Schottky) 74S, LS - małej mocy, bardzo szybka (Low Power Schottky) 74LS, F bardzo bardzo szybka (Fast) 74F, AS ulepszona, bardzo szybka (Advanced Schottky) 74AS, ALS - ulepszona małej mocy, bardzo szybka (Advanced Low Power Schottky) - 74ALS.

23 Podstawowe parametry układów TTL Napięcie zasilające +5V (+4,75V do +5,25V), sygnał wyjściowy: H > 2,4V L < 0,4V, sygnał wejściowy: H > 2,0V L < 0,8V, obciążalność 10 48, współczynnik dobroci: D=t p P; [pj], maksymalna częstotliwość pracy: TTL (25 MHz), TTL-S (125 MHz) diody Schottky'ego 2x pobór mocy, TTL-LS (33 MHz) trochę mniejszy pobór mocy, TTL-F (150 MHz), TTL-AS (200 MHz) 10x mniejszy pobór mocy w stosunku do TTL, TTL-ALS (50 MHz).

24 Bramka NAND z serii standardowej TTL (7400) A B Y=A* B 5V 4k 1,6k 130 A B Y H H L L H H H L H L L H A B 1k Y=A*B

25 Tranzystor Schottky ego

26 symbol graficzny Bramka NAND 1/ z otwartym kolektorem OC Serie 74F38, 74ALS38B

27 Bramka z otwartym drenem OD Należy dołączyć zewnętrzny rezystor do V CC, bramka NAND (HC03).

28 Bramki trójstanowe Bramki TTL i CMOS mają na wyjściu wzmacniacz przeciwsobny. Wyjście jest utrzymywane w stanie wysokim lub niskim. Niemal wszystkie układy cyfrowe mają tego typu wyjście, tzn. z obciążeniem aktywnym, ponieważ daje ono małą wartość impedancji wyjściowej. Istnieją jednak sytuacje, w których aktywne obciążenie jest niewygodne. Wyobraźmy system komputerowy, w którym wiele bloków funkcjonalnych musi wymieniać dane. Jednostka centralna, pamięć i różne urządzenia peryferyjne mają wysyłać i odbierać słowa 16-bitowe. Byłoby co najmniej niezręcznie łączyć wszystkie urządzenia między sobą osobnymi,16- przewodowymi kablami. Rozwiązaniem jest tak zwana szyna danych, czyli zespół 16 przewodów dostępnych wszystkim urządzeniom. Rozwiązanie z szyną danych jest podobne do telefonu towarzyskiego: w każdym momencie tylko jedno urządzenie może "mówić" (dostarczać dane), ale wszystkie mogą "słuchać" (odbierać dane). W przypadku stosowania szyny lub kilku szyn tworzących magistralę musi istnieć pewna umowa określająca, kto może mówić, z czego wynika pojawienie się takich określeń jak "arbiter magistrali", "sterownik magistrali" i "szyna sterująca". Szyn nie można sterować sygnałami wyjściowymi bramek, ponieważ nie można odłączyć tych wyjść od wspólnych linii danych (zawsze zachodzi wymuszenie jakiegoś stanu: niskiego lub wysokiego każdej linii). Powstaje zapotrzebowanie na bramki, których obwody wyjściowe mogą być "otwierane" (czyli "rozwierane"). Takie cechy posiadają układy trójstanowe oraz układy z otwartym kolektorem.

29 Bipolarna bramka trójstanowa (blokada wyjść) R1 R2 R3 U CC =5 V OE (Output Enable) wejście zezwalające A T1 T2 D T3 T4 Y _ O_ E R6 R7 T6 T7 R8 T8 R4 T5 R5 OE=L T6=L, T7,T8=zatkane OE=H T7,T8=L T2,T4,T5=zatkane

30 Bramka/bufor trójstanowy CMOS zatk (1) 1 (0) 0 (1) 1 (0) 1 (0) 1 0 zatk HIGH-Z stan wysokiej impedancji

31 Sterowanie szyną danych Konflikty na magistrali eliminuje specjalny układ.

32 Przykłady obudów bramek TTL

33 Układy scalone rodziny CMOS KRÓTKI OPIS RODZINY CMOS komplementarne tranzystory PMOS i NMOS bez rezystorów bardzo mała moc strat w stanie statycznym i przy małych częstotliwościach praca przy obniżonym napięciu zasilania 3,3 V (± 0,3 V), 2,5 V (±0,2 V), 1.8V (±0.15V), a nawet 0.8V np. straty mocy P=U 2 /R przy 5V i 3,3 V większą szybkość działania niż układy pięciowoltowe 5 2 / 3,3 2 2,3 raza znaczne zmniejszenie moc strat przy większych częstotliwościach niższy poziom generowanych zakłóceń elektromagnetycznych i elektrycznych wyższa niezawodność pracy.

34 Układy scalone rodziny CMOS Układy CMOS można ogólnie podzielić na cztery kategorie: Układy do zastosowań masowych, o niewielkiej szybkości działania (układy zegarkowe, nie programowalne układy kalkulatorowe z napięciem zasilania 0.8 V 1,5 V). Układy programowalne (takie jak układy PLD i FPGA) i specjalizowane (ASIC). Uniwersalne układy cyfrowe LSI i VLSI, głównie układy mikroprocesorowe i pamięciowe. Uniwersalne układy cyfrowe SSI i MSI, stanowiące funkcjonalne odpowiedniki układów TTL.

35 Parametry układów CMOS i TTL

36 Parametry układów CMOS rodzin trzywoltowych

37 Inwerter CMOS U DD M p u In u Ip u I i Dp u GSn u I u I M n i Dn u O u i GSp Dn u i I Dp U DD

38 Budowa bramek scalonych A B T1 T2 T3 T4 Q A B T1 T2 T3 T4 X T5 T6 Q 1 1 p z z p z z p p 0 p z z p p z p z z p 1 z p 0 p przewodzi, z - zatkany a) Bramka NAND LS-TTL, b) bramka AND CMOS

39 Poziomy napięć wejściowych i wyjściowych TTL i CMOS

40 Rodziny układów cyfrowych CMOS

41 Łączenie obciążeń do wyjść bramek

42 Łączenie obciążeń do wyjść bramek

43 Projekt zasilacza stabilizowanego Narysuj schemat mostkowego zasilacza sieciowego z filtrem i stabilizatorem LM7815/1A. Wstaw brakujące oznaczenia na rysunku, napięcie wyjściowe, zapewniając odpowiednie (określ wartość) napięcie różnicowe. Oblicz wartość pojemności filtra (w mikrofaradach) dla znamionowego prądu obciążenia, przyjmując U=1V. Oblicz wartość skuteczną napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora zapewniającą maksymalną sprawność układu. Spadek napięcia na diodzie U F =0,75V. I 0 C 2 f U

44 Charakterystyki tranzystora Na podstawie danych narysuj charakterystykę przejściową i wyjściową tranzystora. Narysuj symbol graficzny tranzystora. Oznacz prądy i napięcia. Na podstawie wskazań multimetrów oceń: tranzystor jest nieuszkodzony uszkodzony (fałsz skreśl)? U DS 30V, UGSoff 4V, I DSS 15mA

45 Oblicz i narysuj Określ nazwy układów US1 i US2. Oblicz f i T przebiegu wejściowego. Oblicz i narysuj, uwzględniając amplitudy, zsynchronizowane (jeden pod drugim) przebiegi: u we, U 1, U 2, U wy oraz i R [ma]. u we 8 sin 2000 t

46 Oblicz i narysuj Narysuj układ sterowania przekaźnikiem mocy (cewka 48V/1A), którego prąd działania przewyższa obciążalność prądową systemu cyfrowego, z którego jest załączany i wyłączany przekaźnik. Podaj wzory, które pozwolą wyznaczyć wartości elementów. Przyjmij odpowiednie wartości elementów.

47 Stabilizator impulsowy Narysuj układ stabilizatora impulsowego z tranzystorem MOSFET obniżającym napięcie wejściowe. Dla częstotliwości łączeniowej f=25 khz i t on =10μs określ t off =, U wy =, D=. Zamieść na jednym rysunku napięcie wejściowe, wyjściowe, oznacz przedziały czasowe i okres T. Czy dla f=100 khz tranzystor MOSFET można zastąpić tranzystorem bipolarnym mocy? Oblicz straty przewodzenia tranzystora dla średniego prądu obciążenia 10 A i rezystancji tranzystora w stanie włączenia równej 100 mω.

48 Komparator Do wejścia nieodwracającego komparatora LM 393 (zasilanie +/-5V) z otwartym kolektorem i dołączonym do masy emiterem tranzystora wyjściowego, doprowadzono sygnał sinusoidalny o amplitudzie 1V. Wejście (-) podłączono do masy. Narysuj układ, przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego oraz charakterystykę przejściową, jeżeli obciążenie stanowi cewka przekaźnika dołączona do napięcia +12V.

49 Tyrystor Zaproponuj układ z tyrystorami w układzie odwrotnie równoległym do regulacji w pełnym zakresie jasności świecenia żarówki 230V przy założeniu, że mamy do dyspozycji odpowiedni układ sterowania. Narysuj impulsy sterujące i przebieg napięcia na obciążeniu dla kąta sterowania Oblicz częstotliwość i okres napięcia zasilającego u we. Ile wynosi maksymalne napięcie wsteczne na tyrystorze U RM? Jaka moc jest pobierana przez żarówkę, jeżeli jej rezystancja wynosi 10 Ω. u we 325sin 100 t