Temat i plan wykładu Tranzystor jako element cyfrowy 1. Wprowadzenie 2. Tranzystor jako łącznik 3. Inwerter tranzystorowy 4. Charakterystyka przejściowa 5. Odporność na zakłócenia 6. Definicja czasów przełączania 7. Czas propagacji bramki
Wprowadzenie Technika cyfrowa jest obszarem wiedzy o całkowicie interdyscyplinarnym obliczu. Jej zagadnienia kształtowane z jednej strony przez języki opisu sprzętu, a z drugiej przez programowalne moduły logiczne, śmiało mogą być zaliczone zarówno do Informatyki, Elektroniki jak i Telekomunikacji. Techniki projektowania układów cyfrowych polegają juŝ nie tylko na składaniu układu z dostępnych komponentów, a raczej na procesie formalnej, abstrakcyjnej specyfikacji projektu w odpowiednim języku opisu sprzętu (HDL Hardware Description Language) oraz na transformacji tej specyfikacji przy uŝyciu róŝnorodnych narzędzi komputerowego wspomagania projektowania CAD (Computer Aided Design). Technika cyfrowa ma wielki wpływ na wszystkie obszary ludzkiej aktywności; między innymi radykalnie przeobraziła metody i formy komunikacji społecznej zarówno w ujęciu zbiorowym jak i indywidualnym, a układy cyfrowe moŝna dziś znaleźć niemal w kaŝdym urządzeniu technicznym.
Wprowadzenie W zaleŝności od technologii i techniki projektowania specjalizowane układy scalone klasyfikujemy w następujących kategoriach: a) układy zamawiane przez uŝytkownika (Full Custom), b) układy projektowane przez uŝytkownika (Semi Custom), c) układy programowane przez uŝytkownika (FPLD Field Programmable Logic Devices). Coraz większą rolę w technice cyfrowej odgrywają programowalne moduły logiczne (FPLD Field Programmable Logic Devices), krótko zwane układami (strukturami) programowalnymi. Układy programowalne to z punktu widzenia struktury układy typu matrycowego lub komórkowego, jednak z moŝliwością programowania połączeń na drodze elektrycznej. W ich przypadku proces produkcyjny jest odmienny producent dostarcza prefabrykaty projektantowi, który moŝe je zaprogramować u siebie na biurku.
Charakterystyka przejściowa inwertera
Definicja czasów przełączania Czas magazynowania t s występuje przy zatykaniu tranzystora, podczas wychodzenia ze stanu nasycenia (U CE =U CEsat ). JeŜeli U CE > U CEsat to t s =0. Szybkie łączniki tranzystory nienasycone. t d czas opóźnienia (ang. delay time) t f t s t r czas opadania (ang. fall time) czas magazynowania (ang. storage time) czas narastania (ang. rise time)
Czas propagacji inwertera Czas propagacji (T d ) - określa czas opóźnienia odpowiedzi układu na sygnał sterujący i jest podstawową miarą szybkości działania układu cyfrowego.
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. Bramki transmisyjne 6. Elastyczność łączeniowa bramek
Problemy z zakłóceniami zakłócenia w linii transmisyjnej
zakłócenie utrudnia (nie pozwala) wychwycenie niewielkich róŝnic pomiędzy sygnałami np. między 3,1 V a 3,2 V
Sygnał z szumem (zakłóceniami) Zakłócenia napięcia zasilającego Zakłócenia uziemieniowe
1 margines zakłóceń: VIH - V0H 0 margines zakłóceń: VIL - V0L
System cyfrowy Lepsza odporność na zakłócenia. Wielkość marginesu zakłóceń decyduje o odporności na zakłócenia.
Co się kryje wewnątrz bramki cyfrowej?
Definicja bramki logicznej Bramki scalone układy elektroniczne realizujące funkcje algebry Boole a.
Formuła boolowska
Operatory logiczne
Operatory logiczne
Modele prostych funktorów logicznych U zaś >+3V U zaś >+3V U zaś >+3V A Y = A B A Y = A + B A Y = A B B A Y = A A Y = A + B A Y = A B NOT B NOR B AND
Funkcje i symbole
Klasy układów cyfrowych TTL (Transistor Transistor - Logic) układy TTL, ECL (Emiter Coupled Logic) układy o sprzęŝeniu 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 sprzęŝeniu ładunkowym, GaAs MESFET układy GaAs.
Oznaczenia napięć i prądów układu cyfrowego U CC - napięcie zasilania, I CC prąd zasilania, U I (U O ) napięcie wejściowe (wyjściowe)
Budowa inwertera TTL i CMOS a) inwerter TTL b) inwerter CMOS
Budowa TTL i CMOS a) Bramka NAND LS-TTL, b) bramka AND CMOS
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 obciąŝalność. Przy konstrukcji systemów cyfrowych powinny być znane właściwości obudów oraz niezawodność cyfrowych układów scalonych.
Szybkość działania czas propagacji TTL do 500MHz, GaAs do 20GHz, ECL do 5GHz.
Częstotliwości graniczne układów cyfrowych S bardzo szybka (Schottky) LS- małej mocy, bardzo szybka (Low power Schottky) F bardzo bardzo szybka (Fast) AS ulepszona, bardzo szybka (Advanced Schottky) ALS- ulepszona małej mocy, bardzo szybka (Advanced Low power Schottky)
Straty mocy jako funkcja częstotliwości P = U T CC T ( t) ICC dt = U 0 CC I CCavr
Źródła zakłóceń napięcia zasilającego, uziemieniowe, przesłuchowe w liniach transmisyjnych, odbiciowe w liniach transmisyjnych, zewnętrzne.
Napięcia progowe i odporność na zakłócenia Marginesy zakłóceń wskazują, jaki poziom zakłóceń nie spowoduje błędnego odczytu sygnału wejściowego w najgorszym przypadku. U LI max -U LO max U HO min -U HI min - margines zakłóceń stanu niskiego - margines zakłóceń stanu wysokiego
Napięcia progowe i odporność na zakłócenia
Poziomy napięć układów TTL Wartości gwarantowane poziomów napięć logicznych na wejściu i wyjściu układów TTL, U T próg przełączania bramki
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.
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, obciąŝalność 10 48, współczynnik dobroci: D=t p P; 5-100 [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).
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
Charakterystyka przejściowa bramki NAND TTL Charakterystyka przejściowa podstawowej bramki NAND TTL serii standardowej, zaleŝność charakterystyki przejściowej od temperatury
Tranzystor Schottky ego
Układy z wejściem Schmitta Własności: napięcia progowe oraz histereza, duŝa odporność na zakłócenia. Zastosowania: przekształcanie wolnozmiennych sygnałów na impulsy o szybkich zboczach, przemiana napięcia sinusoidalnego na prostokątne, redukcja wpływu zakłóceń, proste układy multiwibratorów astabilnych.
Bramka z wejściem Schmitta
symbol graficzny Bramka NAND 1/4 7401 z otwartym kolektorem OC Serie 74F38, 74ALS38B
Bramka z otwartym drenem OD NaleŜy dołączyć zewnętrzny rezystor do V CC, bramka NAND (HC03).
Bipolarna bramka trójstanowa (blokada wyjść) A T1 R1 R2 R3 T2 D T3 T4 U CC =5 V Y OE (Output Enable) wejście zezwalające _ 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
Sterowanie szyną danych Konflikty na magistrali eliminuje specjalny układ.
Trójstanowe wzmacniacze logiczne (ang. driver) są układami szeroko stosowanymi do sterowania komputerowymi szynami danych. KaŜde urządzenie (pamięć, urządzenie zewnętrzne itp.), które chce przekazywać dane na wspólną szynę jest dołączone do tej szyny poprzez bramki trójstanowe (lub poprzez bardziej skomplikowane układy trójstanowe, takie jak rejestry). Obsługa urządzeń dołączonych do wspólnej szyny jest rozwiązana tak sprytnie, Ŝe w danej chwili wzmacniacze logiczne tylko jednego urządzenia są aktywne, natomiast wzmacniacze pozostałych urządzeń znajdują się w trzecim stanie (mają otwarte wyjścia). W typowej sytuacji wybrane urządzenie "dowiaduje się", Ŝe musi dostarczyć dane na szynę, rozpoznając swój własny adres na liniach adresowych i sterujących. W tym uproszczonym przypadku urządzeniu nadano adres 6. Dekoduje ono adres pojawiający się na liniach A 0 -A 2 i kiedy widzi na liniach adresowych swój adres (tzn. 6) i widzi impuls na linii Ŝądania odczytu (ang. read), umieszcza dane na szynie danych D 0 -D 3. Taki protokół szyny wystarcza w większości prostych systemów. Podobny układ jest wykorzystywany w większości mikrokomputerów. Zwracamy uwagę, Ŝe musi istnieć jakiś układ zewnętrzny, który zapewni takie sterowanie urządzeniami z wyjściami trójstanowymi, dołączonymi do wspólnej szyny, aby nie zdarzyło się równoczesne uaktywnienie kilku urządzeń (taki niepoŝądany przypadek nazywa się formalnie "konfliktem na magistrali"). Wszystko jest w porządku tak długo, jak długo kaŝde urządzenie reaguje tylko na swój własny, róŝny od innych, adres.
Przykłady obudów bramek TTL
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 obniŝonym 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 5 2 / 3,3 2 2,3 raza większą szybkość działania niŝ układy pięciowoltowe znaczne zmniejszenie moc strat przy większych częstotliwościach niŝszy poziom generowanych zakłóceń elektromagnetycznych i elektrycznych wyŝsza niezawodność pracy.
Układy scalone rodziny CMOS Układy CMOS moŝna 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.
Rodziny układów cyfrowych CMOS
Zakresy typowych napięć rodziny CMOS
Parametry układów CMOS rodzin trzywoltowych
Budowa bramek scalonych ChociaŜ bramki w wersjach TTL i CMOS spełniają tę samą funkcję logiczną to wartości poziomów logicznych, szybkość, moc zasilania, prądy wejściowe itp. róŝnią się znacznie w obu przypadkach. NaleŜy być ostroŝnym, gdy zamierza się uŝywać równocześnie obu rodzajów bramek. Aby zrozumieć róŝnice, popatrzmy na schematy bramek NAND. Stopnie wyjściowe bramek TTL i CMOS zawierają obciąŝenie aktywne dołączone do szyny dodatniego napięcia zasilania.
Inwerter CMOS +U DD M p u I M n i Dp i Dn u O u u u i In GSn GSp Dn = u = = Ip u u = i I I Dp = u I U DD
Charakterystyki inwertera CMOS
Łączenie obciąŝeń do wyjść bramek
Łączenie obciąŝeń do wyjść bramek