Класифікація цифрових інтегральних схем

Цифрові інтегральні мікросхеми характеризуються широким діапазо­ном виконуваних функцій та багатьма варіантами конструкторсько-технологічного виконання.

Цифрові інтегральні мікросхеми, як і АІС, випускаються серіями. Мікросхеми однієї серії мають однакові напруги живлення, електричні та експлуатаційні характеристики і у разі сумісного використання не потребують додаткових елементів.

Належність ІМС до тієї чи іншої серії показують в її умовному позначенні. Серед великої кількості серій ЩС виділяються такі групи: серії функціонально повного складу; серії, які спеціалізуються за функціональним призначенням; мікропроцесорні комплекти великих ІМС. До. серії функціонально повного складу належать ІМС різного функціонального призначення: логічні, тригери, регістри, лічильники, дешифратори, кодоперетво-рювачі і т. ін. Чим ширший функціональний склад серії, тим краще вона забезпечує виконання вимог до мікроелектронної апаратури, таких, як надійність, компактність, економічність, технологічність, зручність експлуатації та ремонту. Деякі серії складаються з 100 і більше типів ІМС. Прик­ладами серій ІМС з розвинутим функціональним складом можуть бути серії К500, К155, К555, К561, К564 і т. ін. Такі серії можна називати універсальними, оскільки вони мають широку область використання.

Серії ІМС, які об'єднуються за функціональним призначенням, харак­теризуються вужчою спеціалізацією. До них належать: серії ІМС пам'яті (К537, К565, К556, К573, К1601 та ін.); серії ІМС узгодження з лініями передачі і керування різними пристроями - інтерфейсні ІМС (К169, К170, К1102); серії ІМС аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворень (К572, К1107, К1113 та ін.); серії ІМС вторинних джерел живлення тощо.

До мікропроцесорних комплектів ВІС належать ІМС, які необхідні для побудови мікропроцесорних обчислювальних систем та пристроїв керу­вання. Сюди відносять мікропроцесори, ВІС введення-виведення, тайме­ри, генератори, різні допоміжні ІМС. Прикладами мікропроцесорних комплектів є ІМС К580, К1810, К588, К1801, К1862, К1804 та ін.

Докладно сучасні великі ІМС, складні функціональні вузли, їх структура, принципи будови, номенклатура та призначення розглядаються у відповідних підручниках радіоелектронного профілю, а також у навчальній дисципліні «Цифрова та мікропроцесорна техніка».

Розглянемо лише елементну базу таких пристроїв, основу якої складають інтегральні логічні елементи (ІЛЕ). Такі елементи, з одного боку, пов'язані з технологією і типом активного приладу, а з іншого боку, їх параметри чинять безпосередній вплив на параметри вузлів та систем. Вибір типу ІЛЕ значною мірою визначає якісні показники апаратури.

Логічні ІМС належать до мікросхем комбінаційного типу. Вони не мають елементів пам'яті (тригерів), а їх стан одночасно визначається комбінацією вхідних сигналів і не залежить від попереднього стану.

У цифрових пристроях і системах як базові елементи найширше застосовують такі ІЛЕ: НІ, І, АБО, І - НІ, АБО - НІ і т. ін.

Промисловість випускає різноманітні ІЛЕ. Залежно від типу базових ключів виділяють такі типи інтегральних логічних схем:

- діодно-транзисторна логіка (ДТЛ);

- резисторно-транзисторна логіка (РТЛ);

- резисторно-ємнісна транзисторна лоґіка (РЄТЛ);

- транзисторно-транзисторна логіка (ТІЛ);

- емітерно-зв'язана транзисторна логіка (ЕЗТЛ);

- транзисторно-транзисторна логіка з бар'єром Шотткі (ТТЛШ);

- логіка на МОН-структурах (МОНЛ);

- логіка на комплементарних МОН-структурах (КМОН);

- інжекційно-інтегральна логіка (І²Л).

На перших етапах розвитку інтегральної схемотехніки ІЛЕ виконувалися за схемами, створеними на основі дискретних приладів. До таких ІЛЕ належать ДТЛ, РТЛ, РЕТЛ та деякі інші. Серії таких типів продовжує випускати промисловість, але їх використовують лише для комплектації серійної PEA і не застосовують в нових розробках. Принципові схеми цих ІЛЕ показано               на рис. 11.4. Усі вони виконують, логічну операцію 2 АБО - НІ, якщо за рівень логічної одиниці взято високий рівень сигналу («позитивна логіка»). Дійсно, якщо на обох входах Х₁ та X₂. інформаційного сигналу немає (рівень логічного нуля), транзистори закриті, на виході формується високий рівень (майже Е _C), тобто логічна одиниця. З подачею сигналу (логічна одиниця) хоча б на один вхід, або на обидва входи одночасно транзистор відкривається і на виході формується рівень логічного нуля. Умовне графічне позначення логічної операції 2 АБО -НІ показано на рис. 11.4, г.

Розглянемо випадок використання «негативної логіки», коли логічному нулю відповідає високий рівень потенціалу. Тоді під час дії на входах X₁ та Х₂ сигналів рівня логічного нуля транзистори будуть відкриті, а на виході сформується низький рівень - логічна одиниця. У такому випадку логічна операція відбудеться лише за умови, якщо транзистори перемкнуться в режим відсікання. Для цього необхідно, щоб одночасно на обидва входи поступили сигнали логічної одиниці.   Тобто у разі використання негативної логіки схеми (рис. 11.4) реалізується логічна функція 2I - НІ. Як правило, паспортне позначення ІЛЕ відповідає функції, яка реалізується в режимі «позитивної логіки».

За видом виконуваної логічної функції базові логічні елементи поділяють на найпростіші одноступеневі (І, АБО, НІ, І - НІ, АБО - НІ) та двоступеневі (І - АБО, І - АБО - НІ та ін.) логіки.

У процесі розвитку і вдосконалення інтегральної технології та схемотехніки були створені нові типи ІЛЕ, які знайшли широке застосування як закінчені функціональні вузли та як базові компоненти для побудови складних функціональних цифрових блоків. Зупинимося на деяких з таких ІЛЕ.

 

 

 

 

Рис. 11.4  - Логічні елементи:

 

 а - схема ДТЛ; б - схеми РТЛ;в – схеми РЕТЛ;

г - умовне позначення схем 2 АБО - НІ

 

 

                                     11.6 Тригери

Тригерами називають пристрої, що мають два стійких стани, у яких перехід з одного стану в інше відбувається внаслідок регенеративного процесу.

Під регенеративним процесом звичайно розуміють перехідний процес в електричному ланцюзі, що охоплений позитивним зворотним зв‘язком із петльовим підсиленням Кγ >1 у широкому діапазоні частот, що характеризується різкими змінами струмів і падінь напруг на елементах ланцюга.

Перехід тригера з одного стійкого стану в інший відбувається при впливі керуючого сигналу й супроводжується стрибкоподібною зміною струмів і напруг.

Розглянемо принцип роботи симетричного тригера на транзисторах n-р-n -типу, схема якого наведена на рис. 11.5, а. Тригер являє собою два підсилювачі на транзисторах VТ₁ і VТ₂.

Вихід кожного підсилювача з'єднаний із входом іншого. Зворотний зв'язок, отриманий у результаті, такого з'єднання підсилювачів, є позитивним.

В принципі у наведеній схемі можливий стан електричної рівноваги, при якому обидва транзистори VТ₁ і VТ₂ відкриті й перебувають в активній області. В цьому випадку струми i_к1 і i_к2 рівні між собою й падіння напруг на елементах схеми не змінюються протягом часу.

 Однак такий стан є нестійким і будь-які флуктуації струму або напруги призведуть до лавіноподібного процесу наростання струму одного й убування струму інших транзисторів.

Наприклад, збільшення колекторного струму і_к1 призведе до зменшення колекторної напруги U_К1 транзистора VТ₁. Це у свою чергу, призведе до зменшення напруги U_Б2 і струму I_б2 транзистори VТ₂. Останнє спричинить зменшення I_к2 і збільшення U_к2, U_б1.

Отже, відбудеться подальше збільшення струму I_к1. Процес носить лавиноподібний характер і триває доти, поки не припиниться дія позитивного зворотного зв'язку. Це можливо при запиранні одного транзистора (наприклад, VТ₂) або насиченні іншого (VТ₁). В обох випадках тригер буде перебувати в стані стійкої рівноваги.

Якщо параметри схеми обрані так, що коли один із транзисторів закритий, інший відкритий і насичений, то такий тригер називають насиченим.

Якщо відкритий транзистор перебуває на границі активної області й не входить у режим насичення, то тригер називається ненасиченим.

В одному зі стійких станів тригер може перебувати як завгодно довго до моменту, поки не надійде сигнал від джерела зовнішньої керуючої напруги. Нехай вона вводиться в ланцюг бази замкненого колектора VТ₂. Як тільки напруга керуючого сигналу досягне рівня, при якому VТ₂ відкриється, з'явиться колекторний струм I_К2 і зменшиться струм бази I_Б1. Транзистор VТ₁ вийде в активну область і буде відновлена петля позитивного зворотного зв'язку. Виникаючий при цьому регенеративний процес зовсім аналогічний описаному вище. Він призведе до перекидання тригера. У підсумку транзистор VТ₁ закриється, а транзистор VТ₂ відкриється та виявиться в області насичення. Тригер перейде в другий стійкий стан. В процесі перекидання тригера на колекторах транзисторів формуються позитивні й негативні перепади струмів і напруг.

 

 

Рис. 11.5 - Схема симетричного тригера (а) і подання його у вигляді двох логічних елементів (б, в); перемикальні характеристики логічних елементів тригера (г)

 

Конденсатори С₁ і С₂ включені для прискорення процесу перемикання й звуться прискорювальними. Вони також виконують роль елементів пам'яті про попередній стан тригера й забезпечують чіткість його перемикання в новий стан. Роботу тригера можна розглядати більш узагальнено, представляючи кожний транзистор з відповідними з'єднаннями як логічний елемент, що виконує залежно від типу логіки функцію І-НІ чи АБО-НІ. У цьому випадку вихід логічного елемента з'єднаний із входом другого логічного елемента й схема тригера для різних (позитивний і негативний) логік має вигляд, показаний на рис. 11.5, б, в.

Якщо на виході одного логічного елемента, наприклад F₁, є сигнал логічної 1, то на вході іншого буде також логічна 1. На виході другого й вході першого логічного елемента буде сигнал логічного 0. Логічний нуль на вході першого логічного елемента забезпечує одержання логічної одиниці на його виході. Отже, стан тригера стійкий. Зміна сигналів на виходах тригера призводить до того, що схема приймає новий стійкий стан, у якому може перебувати як завгодно довго. Тому що логічні елементи І-НІ в логіку іншого типу виконують функцію АБО-НІ, схеми рис. 11.5, б, в еквівалентні між собою.

Оскільки вхідний сигнал одного логічного елемента є вихідним сигналом іншого, тобто U_{вх 1} = U_{вих 2}; U_{вх 2} = U_{вих 1}, аналіз властивостей такого збільшеного ланцюга зручно проводити за допомогою передатних (перемикальних) характеристик логічних елементів, рис. 11.5, г. Стани рівноваги тригера визначаються точками перетинання передатних характеристик логічних елементів. У тригера таких точок три (1, 2, 3), причому тільки 1, 3 характеризують стійкий стан, тому що в них транзистори логічних елементів перебувають або в стані насичення, або в стані відсічення й позитивний зворотний зв'язок відсутній. Точка 2 характеризує нестійкий стан рівноваги. В ній транзистори обох логічних елементів перебувають в активній області й діє ланцюг позитивного зворотного зв'язку. При Kγ ≥1 найменше відхилення від точки 2 викликає регенеративний процес, в результаті якого вихідні сигнали тригера визначаються положеннями точок 1 або 3.

Для виникнення регенеративного процесу на входи логічних елементів, наприклад другого, повинні бути подані сигнали, які виведуть транзистори обох ЛЕ в активну область (U¹_{вх пор}, U⁰_{вх пор}). При цьому забезпечиться відновлення ланцюга позитивного зворотнього зв’язку, з'явиться регенерація й тригер перейде в інший стійкий стан.

При виконанні тригерних схем на основі стандартних логічних елементів процес їхнього проектування зводиться до розробки схем з'єднання логічних елементів і організації ланцюга керування. Велика кількість комбінацій можливих зовнішніх з'єднань привело до появи значної кількості тригерних пристроїв, властивості яких істотно розрізняються. Їх звичайно класифікують за способом запису інформації й функціональною ознакою.

Класифікація за способом запису інформації характеризує тимчасову діаграму роботи. За цією ознакою тригери підрозділяють на ті, що не синхронізуються (асинхронні) і ті, що синхронізуються (синхронні або ті, що тактуються).

В асинхронного тригера зміна його стану відбувається безпосередньо із приходом керуючого сигналу. У тих, що синхронізуються крім інформаційних входів, на які подаються керуючі сигнали, є входи синхронізації або, що те ж саме, тактові входи. Зміна стану тригера при наявності на входах інформаційних сигналів може відбутися тільки в моменти подачі на входи синхронізації відповідних розв'язних сигналів, причому керування може здійснюватися або потенціалом імпульсу, або його фронтом.

Основою класифікації тригерів за функціональною ознакою є вид логічного керування, що характеризує стан входів і виходів тригера в момент часу до t _n і після його спрацьовування t_n+1. За цією ознакою тригери підрозділяють на RS-; D-; Т-; JK -типи й т.д. Назва тригера відбиває особливості організації його керування й характеризує вид логічного рівняння, що описує його функціонування при подачі електричних сигналів. Один з виходів тригера називають прямим і позначають буквою Q, інший – інверсним і позначають – . Стан тригера ототожнюють із сигналом на прямому виході. Тригер перебуває в одиничному стані при Q = 1,  = 0 і нульовому – при Q = 0,

 = 1. Позначення входів проводять виходячи зі станів, в які встановлюється тригер при подачі на них керуючих сигналів. При цьому використовують наступні мітки: S – вхід для роздільної установки тригера в стан 1 (S -вхід); R – вхід для роздільної установки тригера в стан 0 (R-вхід); J – вхід для установки стану 1 в універсальному тригері (J-вхід); K – вхід для установки стану 0 в універсальному тригері (K-вхід); Т – рахунковий вхід (T-вхід); D – інформаційний вхід для установки тригера в стани 1 або 0 (D-вхід); Е – додатковий керуючий вхід для дозволу прийому інформації; С – керуючий вхід дозволу прийому інформації (вхід синхронізації, С – вхід або тактовий). Тригер позначають у вигляді прямокутника, що має основне й додаткові поля. Усередині основного поля пишеться буква Т або букви ТТ, якщо тригер двоступінчастий; усередині додаткових полів записуються букви, що характеризують входи й виходи тригера. Причому якщо тригер управляється інверсним сигналом (логічним 0), то у відповідного входа є мітка О. При наявності декількох входів одного призначення допускається додавати до букв цифри, наприклад: 1, 2, С1, С2; 1, 2, 3 і т.д. Якщо перемикання тригера здійснюється тільки в момент дії фронту або зрізу імпульсу (динамічне керування), то відповідні входи позначають додатковим маленьким трикутником або косою лінією. Трикутник повернуть вершиною усередину тригера, а коса лінія має нахил 45°, якщо той спрацьовує по перепаду 0, 1. Якщо перемикання відбувається по перепаду 1, 0, то напрямок вершини трикутника змінюється на протилежне, а коса лінія проводиться під кутом 135°. Виходи тригера показують із правої сторони прямокутника, причому інверсний вихід (0) також позначають кружком. Приклади умовної позначки тригера наведені на рис. 11.6, а – ж.

 

Рис. 11.6 - Приклади умовних позначок тригерів:

a – асинхронний RS-тригер; б – RS-тригер, що синхронізується логічним нулем; в – D -тригер, що спрацьовує по фронту 0, 1;

г – JK- тригер, що спрацьовує по зрізу 1, 0; д – двоступінчастий JK -тригер із входами роздільної установки в нульовий (R) і одиничний S стани; е – T -тригер, що спрацьовує по зрізу 1, 0; ж – 0 JK- тригер з логічними елементами І на входах J і K, що синхронізується фронтом 1.

 

Варто звернути увагу на те, що хоча входи двоступінчастого тригера часто показуються не як динамічні, його перемикання здійснюється в момент перепаду сигналу на входах. Це треба із принципу дії тригера цього типу. Тому двоступінчастий тригер іноді показують як одноступінчастий, що має динамічні входи.

Тригер RS-типу (рис. 11.7, а) являє собою пристрій, що має два інформаційних входи: R і S. У ньому можливі два стійких стани.

При R = 0 і S = 1 тригер приймає стан 1 (Q = 1), а при R = 1,              S = 0 – стан 0 (Q = 0). Іноді вхід S називають одиничним, а R – нульовим. Для тригера RS-типу комбінація S = 1; R = 1 є забороненою, тому що після такої комбінації стан тригера буде невизначеним (X) і він може виявитися або в нулі, або в одиниці. Тому необхідно передбачати виключення цієї комбінації. Стани R S- тригера залежно від вхідних сигналів записуються в вигляді таблиці істинності.

 

 

 

Рис. 11.7 - Схеми асинхронного RS-тригера на елементах:

а – АБО-НІ; б – І-НІ; в – ІС типу 564 ТР2

 

ЛІТЕРАТУРА

 

       1 Бессонов Л.А. Теоретические основы електротехники.    Электрические    цепи. Навчальний посібник. – Вища школа,1978

        школа, 1968.

       2 Головань В.Г., Вельміскін Д.І., Головань А.В. Основи радіо техніки    ТЕС, Одеса, 2007.

       3 Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы електротехники. - Вища

        школа, 1968.

       4 Ицхоки Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства.- М: Сов.радио, 1972.

       5 Лихарев В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации – М:    Сов.радио, 1973.

       6 Мережковский А.И., Фокин А.А. Электроника и автоматика в гидрометеорологии. – Л: Гидрометеоиздат, 1977.

       7 Цыкин Г.С. Электронные усилители. – М: Связь, 1965.