Układy cyfrowe. opracował: inŝ.marcin ZAJDOWSKI

Transkrypt

1 Układy cyfrowe Układy cyfrowe są w praktyce realizowane róŝnymi technikami. W prostych urządzeniach automatyki powszechnie stosowane są układy elektryczne, wykorzystujące przekaźniki jako podstawowe elementy przełączające. Są stosowane równieŝ cyfrowe układy pneumatyczne i hydrauliczne. ZłoŜoność logiczna i szybkość działania takich układów jest jednak relatywnie niewielka, natomiast ich rozmiary, cięŝar, pobór mocy i koszt są duŝe. Najpowszechniej stosowane układy cyfrowe wytwarzane są technologią mikoroelektroniczną jako układy scalone. 1

2 Układy cyfrowe Układ scalony (ang. integrated circuit - IC) stanowi fizycznie wykonany mikrominiaturowy układ elektroniczny, którego część lub wszystkie e elementy i ich połączenia są wytworzone we wspólnym procesie technologicznym, nym, wewnątrz lub na powierzchni wspólnego podłoŝa. W czasie procesu technologicznego wytwarza się jednocześnie wiele takich struktur układowych w postaci kostek (płatków, ang. chip) półprzewodnikowych, najczęściej krzemowych, które po przetestowaniu umieszcza się w odpowiednich obudowach (znacznie większych od struktur). Obudowy te chronią struktury od szkodliwych wpływów otoczenia i ułatwiają realizację połączeń zewnętrznych. Do celów aplikacyjnych układem (modułem) scalonym nazywa się półprzewodnikową strukturę układową, umieszczoną w obudowie, z wyprowadzonymi końcówkami. 2

3 Układy cyfrowe Cyfrowe układy scalone są wytwarzane wyłącznie jako układy monolityczne. Cyfrowe układy scalone, które jako elementy czynne wykorzystują tranzystory bipolarne (npn( lubpnp),nazywasię bipolarnymi.podobnie układy z tranzystorami unipolarnymi określa się jako unipolarne. 3

4 Elementy układów scalonych. Podstawowymi elementami aktywnymi układów scalonych są tranzystory. Ogólnie dzieli się tranzystory na: bipolarne i unipolarne (polowe). W cyfrowych układach scalonych jako elementy bierne stosuje się diody i rezystory, natomiast kondensatory w zasadzie nie są wykorzystywane. Wyjątek stanowią dynamiczne układy unipolarne, a w szczególności pamięci dynamiczne MOS. Rezystory układów scalonych są równieŝ elementami półprzewodnikowymi, gdyŝ są wykonywane w postaci pasków odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika. 4

5 System cyfrowy Wiemy juŝ, Ŝe system cyfrowy składa się z odpowiedniej liczby połączonych ze sobą układów scalonych. Im większy i bardziej złoŝony jest system, tym większa jest liczba uŝytych układów scalonych, przy czym często ze względów technicznych i ekonomicznych naleŝy ze sobą łączyć układy scalone z róŝnych serii i klas. Stąd zdolność bezpośredniej współpracy róŝnych rodzajów cyfrowych układów scalonych stanowi ich istotny parametr techniczny. Układy A są zgodne łączeniowo (kompatybilne) z układami B, jeśli zarówno bezpośrednie połączenie wyjścia układu A z wejściem układu B, jak i bezpośrednie połączenie wyjścia układu B z wejściem układu A zapewnia elektrycznie poprawną współpracę obydwóch łączonych układów. 5

6 System cyfrowy Cyfrowe układy scalone są projektowane głównie do współpracy z układami z tej samej serii. Do szacowania ilościowego moŝliwości takiej współpracy jest wprowadzone pojęcie znormalizowanego obciąŝenia N. ObciąŜenie to jest miarą liczby wejść układów z tej samej serii, które są przyłączone jednocześnie do jednego wyjścia. Maksymalna wartość Nmax jest określana jako obciąŝalność wyjściowa lub po prostu obciąŝalność. W układach scalonych TTL jest ona standardowo równa 10, co wynika z ograniczeń wywołanych obciąŝeniem statycznym. W układach ECL, MOS i CMOS obciąŝalność statyczna jest znacznie większa, lecz praktycznie dopuszczalna liczba N zaleŝy od wartości pojemności obciąŝenia, która ogranicza szybkość procesorów przełączania. 6

7 System cyfrowy Przy wzajemnym łączeniu układów scalonych z róŝnych serii, lecz w obrębie jednej klasy, naleŝy uwzględnić odpowiednie poprawki, zwiększające lub zmniejszające wartośc Nmax. Przy łączeniu układów scalonych z róŝnych klas często występuje konieczność stosowania odpowiednich układów pośredniczących (translatorów) lub dodatkowych elementów, umoŝliwiających sprzęŝenie układów o róŝnym trybie pracy i róŝnych napięciach wejściowych i wyjściowych. Najczęściej jest stosowane określenie zgodności łączeniowej z układami TTL, co się tłumaczy bardzo szerokim upowszechnieniem tej klasy. Zdolność bezpośredniej współpracy z układami TTL, co stanowi duŝą zaletę, mają układy NMOS i CMOS (przy uwzględnieniu określonych katalogowo ograniczeń, dotyczących Nmax). 7

8 Układy cyfrowe - pojęcia Układ elektroniczny to zbiór elementów elektronicznych dyskretnych i/lub scalonych połączonych elektrycznie tak, aby realizowały określoną funkcję. Układ scalony (ang.( integrated circuit, chip,, potocznie kość) zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory. 8

9 Układy cyfrowe - pojęcia Układy elektroniczne są opisywane za pomocą schematów ideowych, na których w formie graficznej pokazano, jak mają zostać połączone poszczególne elementy. KaŜdy typ elementu elektronicznego (rezystory( rezystory, kondensatory, tranzystory, diody itd.) ma swój symbol graficzny, który jednoznacznie go identyfikuje. 9

10 Układy cyfrowe - pojęcia Bramka logiczna - element konstrukcyjny maszyn i mechanizmów (dziś zazwyczaj: układ scalony,, choć podobne funkcje moŝna zrealizować równieŝ za pomocą innych rozwiązań technicznych, np. hydrauliki czy pneumatyki), realizujący fizycznie pewną prostą funkcję logiczną,, której argumenty (zmienne logiczne) oraz sama funkcja mogą przybierać jedną z dwóch wartości, np. 0 lub 1 (algebra Boole'a). 10

11 Układy cyfrowe Układy cyfrowe to rodzaj układów elektronicznych w których sygnały napięciowe przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przypisywane są wartości liczbowe. Najczęściej (choć nie zawsze) liczba poziomów napięć jest równa dwa, a poziomom przypisywane są cyfry 0 i 1, wówczas układy cyfrowe realizują operacje zgodnie z algebrą Boola i z tego powodu nazywane są teŝ układami logicznymi. Obecnie układy cyfrowe budowane są w oparciu o bramki logiczne realizujące elementarne operacje znane z algebry Boola: : iloczyn logiczny (AND( AND, NAND), sumę logiczną (OR( OR, NOR), negację NOT,, róŝnicę symetryczną (XOR)) itp. Ze względu na stopień skomplikowania współczesnych układów wykonuje się je w postaci układów scalonych. 11

12 Układy analogowe są przystosowane do przetwarzania napięć (lub prądów), których wartości zawierają się w pewnym przedziale wartości. Układy cyfrowe słuŝą do przetwarzania sygnałów o dwóch wielkościach napięć (ewentualnie prądów): wysokiej (H-high( high) ) i niskiej (L-( low). 12

13 Na ogół układ cyfrowy posiada n wejść, m wyjść i q stanów pamięciowych. KaŜdy z wektorów a, b, czy c nazywamy słowem logicznym. KaŜdy element słowa logicznego nazywamy bitem. Słowo ośmiobitowe nazywane jest bajtem. Stany na wyjściu zaleŝą od aktualnej sytuacji na wejściu. Stany pamięciowe zaleŝą zarówno od aktualnej konfiguracji na wejściu jak i od słów, jakie istniały tam w poprzednich chwilach czasu. 13

14 Zalety układów cyfrowych: MoŜliwość bezstratnego kodowania i przesyłania informacji jest to coś, czego w układach analogowych operujących na nieskończonej liczbie poziomów napięć nie sposób zrealizować. Zapis i przechowywanie informacji cyfrowej jest prostszy. Mniejsza wraŝliwość na zakłócenia elektryczne. MoŜliwość tworzenia układów programowalnych, których działanie określa program komputerowy (patrz: mikroprocesor, koprocesor). 14

15 Wady układów cyfrowych Są skomplikowane zarówno na poziomie elektrycznym, jak i logicznym i obecnie ich projektowanie wspomagają komputery (patrz: język opisu sprzętu). ChociaŜ są bardziej odporne na zakłócenia, to wykrywanie przekłamań stanów logicznych, np. pojawienie się liczby 0 zamiast spodziewanej 1, wymaga dodatkowych zabezpieczeń (patrz: kod korekcyjny) ) i teŝ nie zawsze jest moŝliwe wykrycie błędu. Jeszcze większy problem stanowi ewentualne odtworzenie oryginalnej informacji. 15

16 Klasyfikacja układów cyfrowych Ze względu na sposób przetwarzania informacji rozróŝnia się dwie główne klasy układów logicznych: układy sekwencyjne w których stan wyjść zaleŝy od stanu wejść x oraz od poprzedniego stanu układy kombinacyjne w których sygnały wyjściowe zmieniają się w chwili zmian sygnałów wejściowych 16

17 Klasyfikacja układów cyfrowych Ze względu na technologie w jakiej wykonano bramki logiczne: bipolarne, - TTL (ang. Transistor-Transistor Logic ) - układy TTL, - ECL (ang. Emitter - Coupled Logic) - układy o spręŝeniu emiterowym, - I2 L (ang. Integrated Injection Logic) - układy iniekcyjne, unipolarne, MOS : NMOS PMOS, - CMOS (ang. Complementary MOS) - układy komplementarne MOS, 17

18 Układy cyfrowe Ostatnimi laty bardzo popularne stały się programowalne układy cyfrowe. W odróŝnieniu od programowalnych mikroprocesorów,, programowana jest fizyczna struktura układu oparta na: matrycach, PLA, PAL, komórkach, SPLD, CPLD, FPGA. 18

19 Układy cyfrowe Ze względu na róŝne czynniki, takie jak wahania napięcia zasilającego, zakłócenia zewnętrzne, rozrzut parametrów itp. sygnały przetwarzane w układach cyfrowych nie mają ściśle określonych wartości, stąd teŝ liczby przypisuje się nie wartościom napięć, ale przedziałom napięć. 19

20 Układy cyfrowe Pracę układów cyfrowych opisuje się za pomocą dwuwartościowej algebry Boole a,, zwanej logiką matematyczną. W układach logicznych, gdzie są zdefiniowane tylko dwie wartości liczbowe, rozróŝnia się dwa przedziały napięć: wysoki (ozn. H,, z ang. high) ) i niski (ozn. L, z ang. low); pomiędzy nimi jest przerwa, dla której nie określa się wartości liczbowej jeśli napięcie przyjmie wartość z tego przedziału, to stan logiczny układu jest nieokreślony. Jeśli do napięć wysokich zostanie przyporządkowana logiczna jedynka, a do niskich logiczne zero, wówczas mówi się, Ŝe układ pracuje w logice dodatniej (inaczej zwaną pozytywną), w przeciwnym razie mamy do czynienia z logiką ujemną (inaczej zwaną negatywną). Układy cyfrowe są więc układami wykonującymi pewne funkcje logiczne. 20

21 Układy cyfrowe Podstawowe twierdzenie logiczne : KaŜdą funkcję logiczną moŝna złoŝyć z kombinacji trzech podstawowych działań logicznych : sumy (alternatywy- lub - OR), iloczynu (koniunkcji - i - AND) oraz negacji (inwersji - nie - NOT). 21

22 Układy cyfrowe Urządzenia elektroniczne realizujące te funkcje nazywamy bramkami odpowiednio OR, AND i NOT. Są one dostarczane w wyspecjalizowanych układach cyfrowych. Dowolną bramkę logiczną moŝna teŝ skonstruować za pomocą pary bramek, np. za pomocą OR i NOT lub AND i NOT. Układy takie nazywamy układami zupełnymi. 22

23 Układy cyfrowe Powszechnie wykorzystuje się prawa de Morgana : 23

24 Układy cyfrowe Najbardziej uniwersalnymi bramkami są bramki NAND (NOT-AND) i NOR (NOT- OR). Bramki NAND (negacja koniunkcji), oraz NOR (negacja sumy logicznej) nazywa się funkcjonalnie pełnymi poniewaŝ przy ich uŝyciu (tzn. samych NAND, lub samych NOR) ) moŝna zbudować układ realizujący dowolną funkcję logiczną. 24

25 Układy cyfrowe Zmiana funkcji logicznej danej bramki w przypadku zmiany rodzaju logiki 25

26 Układy cyfrowe Jedną z bardziej uŝytecznych funkcji logicznych jest Exclusive OR. 26

27 Układy cyfrowe Z bramek cyfrowych (bramek logicznych) moŝna łatwo budować rozmaite uŝyteczne układy elektroniczne. Grupy bramek cyfrowych tworzą tzw. rodziny. Najbardziej rozpowszechniona jest rodzina bramek TTL (Transistor( - Transistor Logic), a w niej seria 74. Na przykład, w układzie scalonym typu 74xx00 znajdują się cztery bramki NAND (xx oznacza rodzaj bramki: S-szybka, S LS-szbka małej mocy itd): Układ 7400, zawierający 4 bramki NAND 27

28 UKŁADY TTL ZaleŜnie od stopnia scalenia układy TTL dzieli się na układy o małym stopniu scalenia (MSI) i duŝym stopniu scalenia (LSI). JednakŜe te ostatnie są często układami TTL tylko końcówkowo, natomiast ich struktura wewnętrzna wykorzystuje inne konfiguracje układowe, np. ECL lub ISL. W praktyce inŝynierskej układy TTL są traktowane jako układy uniwersalne. Dzięki duŝemu asortymentowi typów i wielu odmian serii układy TTL dominują w zastosowaniach sprzętowych, wykorzystujących układy SSI i MSI. Konkurensyjne do nich są układy CMOS, a zwłaszcza ich odmiany szybkie (HCMOS i ACL). 28

29 UKŁADY TTL Po zasileniu układu scalonego (między końcówkami oznaczonymi przez VCC i GND) załoŝony schemat realizuje się poprzez proste łączenie wejść i wyjść bramek. Poziomy logiczne określone są przez wartość napięcia odpowiednio między wejściem (lub wyjściem) a GND. 29

30 UKŁADY TTL 30

31 Układ cyfrowy bipolarny TTL Uprawiając elektronikę z układami TTL serii 74 naleŝy wiedzieć, Ŝe : układy zasila się napięciem 5±0.25 V; układy pracują w logice dodatniej; napięcie odpowiadające logicznemu zeru zawiera się między 0 a 0.4 V z dopuszczalnym marginesem błędu 0.4 V; napięcie odpowiadające logicznej jedynce wynosi 3.3 V lecz nie mniej niŝ 2.4 V z marginesem błędu 0.4 V; wejście bramki niepodłączone do niczego znajduje się w stanie logicznym 1 ; wyjść bramek nie wolno łączyć równolegle!!! MoŜe to spowodować ich uszkodzenie; średni czas propagacji sygnału przez bramkę wynosi od 1 do 30 ns (typowo - około 10 ns); średnie zuŝycie mocy przez bramkę wynosi około 10 mw; 31

32 UKŁADY ECL Klasa układów ECL znanych w polskim nazewnictwie jako układy o sprzęŝeniu emiterowym, obejmuje kilka rodzin i serii układów scalonych. Ich najwaŝniejszą i najbardziej charakterystyczną cechą systemową jest bardzo duŝa szybkość działania. Typowe czasy propagacji nowoczesnych układów z tej klasy wynoszą ns, a ich maksymalna częstotliwość pracy 150 Mhz 1.5 Ghz. 32

33 Porównanie układów ECL z układami TTL-S S pod względem odporności na zakłócenia układy ECL nie generują zakłóceń wewnętrznych, wywołanych zmianami prądu zasilania przy przełączeniu (pod warunkiem symetrycznego, jednakowego obciąŝenia), natomiast układy TTL-S S produkują takie zakłócenia, odporność układów ECL na zakłócenia zewnętrzne jest znacznie mniejsza niŝ w układach TTL-S, gdyŝ impedancje wyjściowe układów obydwóch klas są podobne, a wartości marginesów zakłóceń róŝnią się znacznie na korzyść k układów TTL-S, odporność układów ECL i TTL-S S na zakłócenia przesłuchowe są podobne, biorąc pod uwagę uwagę podobny stosunek marginesu zakłóceń do wielkości ampitudylogicznej, niekompensowane układy ECL są bardziej wraŝliwe na wpływ zmian temperatury i napięcia zasilającego. 33

34 UKŁADY MOS ZaleŜnie od typu przewodnictwa kanału w strukturach polowych, układy MOS dzieli się na dwie podklasy: PMOS i NMOS. Technologia wytwarznia układów NMOS jest trudniejsza. Dlatego najpierw opracowano i upowszechniono układy PMOS. Dopiero po osiągnięciu wystarczjąco dobrego poziomu technologicznego, zaczęto produkować seryjnie układy NMOS, które zapewniają większą szybkość działania, większą gęstość integracji i kompatybiloności współpracy z układami TTL. W związku z tym nowoczesne układy MOS są niemal wyłącznie układami NMOS. Cyfrowe układy MOS są realizowane w dwojaki sposób: jako układy statyczne (stanowią pod względem budowy logicznej dość wierne odbicie analogicznych układów bipolarnych, wadami są: relatywnie duŝa moc strat i duŝa złoŝoność układowa) lub dynamiczne (umoŝliwiają redukcję tych wad, jednak wymagają odpowiedniej synchronizacji pracy). 34

35 UKŁADY CMOS Układy komplementarne CMOS stanowią specyficzną podklasę układów MOS. WyróŜniają się one charakterystyczną techniką układową, wykorzystującą komplementarne tranzystory PMOS i NMOS do budowy układów cyfrowych ch bez jakichkolwiek elementów rezystorowych. Asortyment układów CMOS jest bardzo szeroki i obejmuje wszystkie stopnie scalenia: SSI, MSI, LSI i VLSI. Układy te są szeroko stosowane zarówno z w elektronice profesjonalnej, jak teŝ w sprzęcie elektronicznym masowego uŝytku. 35

36 UKŁADY CMOS Układy CMOS moŝna podzielić na cztery główne kategorie: 1. Układy do zastosowań masowych, o niewielkiej szybkości działania. Układy te nie są objęte ogólnie przyjętą standaryzacją typów. 2. Uniwersalne układy cyfrowe SSI i MSI, stanowiace funkcjonalne odpowiedniki układów TTL. Są one wytwarzane w duŝym asortymencie, w czterech zasadniczych rodzinach: 4000B, HCMOS, ACMOS (FACT) i ACL. Dominacja nowoczesnych układów CMOS nad układami TTL jest wyraźna, równieŝ w odniesieniu do zdolności sterownia duŝych obciąŝeń. 3. Uniwersalne układy cyfrowe LSI i VLSI, głównie układy mikroprocesorowe ocesorowe i pamięciowe. Napięcie zasilania tych ukladów było pierwotnie ustalane jako równe 5 V + /-/ 0.5 V, aby zapewnić pełną kompatybilnośćzasilania z układami TTL. 4. Układy specjalizowane (ASIC - ang. Application Specific Integrated Circuits), takie jak matryce bramkowe i komórkowe. 36

37 UŜyteczne schematy: Wielowejściowa funkcja AND. Wartość logiczna 1 pojawia się na wyjściu wtedy i tylko wtedy, gdy stan logiczny wszystkich wejść wynosi 1. Przez fizyków bywa nazywany układem koincydencyjnym. 37

38 UŜyteczne schematy: Układ antykoincydencyjny 38

39 Układ opóźniający. W pierwszym przypadku opóźnienie jest proporcjonalne do stałej czasowej RC. W drugim - do liczby bramek o czasu propagacji sygnału przez nie. 39

40 Cyfrowy układ róŝniczkujący wytwarzający sygnały w momentach rozpoczęcia i zakończenia pewnego sygnału. W przypadku, gdy liczba bramek (n) w linii opóźniającej jest nieparzysta, sygnał wyjściowy ma odwróconą polaryzację. 40

41 Układ cyfrowy Bramki nie powinny być nadmiernie obciąŝane. KaŜdy układ cyfrowy ma określoną obciąŝalność, czyli liczbę mówiącą ile wejść cyfrowych moŝe być podłączonych do danego wyjścia. 41

42 Układ cyfrowy W przypadku, gdy układ cyfrowy ma sterować innym układem naleŝy posłuŝyć się wzmacniaczem np. tranzystorowym (a) lub driverem (b) - wzmacniaczem znajdującym się w rodzinie cyfrowych układów scalonych zwiększającym obciąŝalność wyjścia bramki. 42

43 Układ cyfrowy Gdy do układu cyfrowego wprowadza się sygnał sterujący z zewnątrz, naleŝy zadbać o zachowanie standardowych napięć i polaryzacji. Na rysunku c pokazano przykład rozwiązania za pomocą diody Zenera,, która nie dopuszcza do przekroczenia na wejściu bramki napięcia 3.5 V, jak równieŝ do pojawienia się napięć o odwróconej polaryzacji i napięciu większym niŝ -0.7 V. 43

44 Układy arytmetyczne. KaŜde słowo logiczne moŝe być interpretowane jako pewna liczba zapisana w danym kodzie binarnym. Na przykład słowo (1011) w kodzie naturalnym jest liczbą 11 : 1 2^0+1 2^1+0 2^2+1 2^3. Za pomocą cyfrowych układów elektronicznych moŝna konstruować układy dokonujące operacji arytmetycznych na takich liczbach. Ich podstawą są półsumatory - układy dodające dwie liczby jednobitowe a i b. W wyniku sumowania powstaje liczba dwubitowa której elementami są suma s i przeniesienie p : 44

45 Układy arytmetyczne. 45

46 Układy arytmetyczne. Sumator jednobitowy, który moŝe pracować przy sumowaniu na i-tej i pozycji poza danymi ai i bi przyjmuje takŝe przeniesienie z pozycji poprzedniej pi-1 1 ; generuje sumę si i przeniesienie na pozycję następną pi: 46

47 Układy arytmetyczne. 47

48 Układy arytmetyczne. Bramka AND morze być wykorzystana do sterowania przepływem informacji. Ciąg impulsów podany na wejście układu dostanie się do wyjścia wtedy i tylko wtedy gdy na wejściu sterującym pojawi się stan logiczny 1. 48

49 Układy arytmetyczne. Urządzeniami przeznaczonymi do kontroli przepływu informacji są multipleksery i demultipleksery. Działanie obu urządzeń jest moŝliwe dopiero wtedy, gdy wejście zezwolenie znajduje się w stanie logicznym 1. 49

50 Multiplekser W przedstawionym obok przykładzie multipleksera informacja podawana jest na czterokanałowe wejście. Do wyjścia dostanie się tylko informacja z kanału, którego adres zostanie wywołany przez podanie na wejście adresowe dwubitowego adresu wejścia informacyjnego. 50

51 W demultiplekserze informacja z wejścia jest kierowana do tego wyjścia, którego adres został wywołany przez podanie na wejście adresowe numery wyjścia informacyjnego. W 51

52 Zasadnicze parametry cyfrowych układów scalonych. Z punktu widzenia projektanta wykorzystującego cyfrowe układy scalone, istotne są następujące parametry: - szybkość działania, - moc strat, - odporność na zakłócenia, - zgodność łączeniowa i obciąŝalność. 52