Download
1 / 67
710 likes | 1.14k Views
WZ ZiIP. Temat i plan wykładu. Jakub Dawidziuk. Podstawowe bramki logiczne Elementarne funkcje logiczne, symbole Struktura bramek bipolarnych, CMOS i BiCMOS Parametry bramek Rodziny układów cyfrowych Bramki transmisyjne Elastyczność łączeniowa bramek. Tranzystor jako łącznik. NOT.
E N D
WZ ZiIP Temat i plan wykładu Jakub Dawidziuk • Podstawowe bramki logiczne • Elementarne funkcje logiczne, symbole • Struktura bramek bipolarnych, CMOS i BiCMOS • Parametry bramek • Rodziny układów cyfrowych • Bramki transmisyjne • Elastyczność łączeniowa bramek
NOT Łącznik elektroniczny Łącznik tranzystorowy
Zakłócenia w systemie cyfrowym Zakłóceniami nazywamy niepożądane sygnały elektryczne występujące na połączeniach w systemie. Powstają one na wskutek przełączania bramek, a przenoszone są poprzez promieniowanie elektromagnetyczne albo przez związane z przełączaniem fluktuacje napięcia zasilającego. Źródło zakłóceń może być poza systemem. Układy cyfrowe muszą być niewrażliwe na zakłócenia o pewnym poziomie i powinny pracować poprawnie przy ich występowaniu. Margines zakłóceń jest wartością zakłóceń, które nie powodują błędnej pracy elementów systemu. Jest to dopuszczalna wartość napięcia zakłóceń, wyznaczona z różnicy odpowiednich gwarantowanych wartości napięć wyjściowych bramki i akceptowanych dla danych stanów logicznych wartości stanów wejściowych.
Źródła zakłóceń • napięcia zasilającego, • uziemieniowe, • przesłuchowe w liniach transmisyjnych, • odbiciowe w liniach transmisyjnych, • zewnętrzne.
… zakłócenie utrudnia (nie pozwala) wychwycenie niewielkich różnic pomiędzy sygnałami np. między 3,1 V a 3,2 V
System cyfrowy Lepsza odporność na zakłócenia. Wielkość marginesu zakłóceń decyduje o odporności na zakłócenia.
Projektanci układów logicznych nie muszą przejmować się o co jest wewnątrz bramki.
ULI max -ULO max - margines zakłóceń stanu niskiego UHO min -UHI min - margines zakłóceń stanu wysokiego CMOS UDD = + 5 V Marginesy zakłóceń Marginesy zakłóceń wskazują, jaki poziom zakłóceń nie spowoduje błędnego odczytu sygnału wejściowego w najgorszym przypadku.
TTL UZaś = +5 V CMOS UZaś = + 5 V ECL UZaś = - 5,2 V Poziomy logiczne
Definicja bramki logicznej Bramki – scalone układy elektroniczne realizujące funkcje algebry Boole’a.
Uzaś>+3V Uzaś>+3V Uzaś>+3V A A B B AND NOR NOT Modele prostych funktorów logicznych
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, I2L (Integrated Injection Logic) – układy iniekcyjne, CTD (Charge Transfer Device) – układy o sprzężeniu ładunkowym, GaAs MESFET – układy GaAs.
Czas życia różnych technologii Układy TTL ustępują miejsca nowszym technologiom CMOSi BiCMOS, zwłaszcza niskonapięciowym (LV – Low Voltage)
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.
Oznaczenia napięć i prądów układu cyfrowego UCC-napięcie zasilania, ICC– prąd zasilania, UI(UO)– napięcie wejściowe (wyjściowe)
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)
Średnie straty mocy wsp. dobroci
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, • obciążalność 10 – 48, • współczynnik dobroci: D=tpP; 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).
Poziomy napięć układów TTL Wartości gwarantowane poziomów napięć logicznych na wejściu i wyjściu układów TTL, UT – próg przełączania bramki
5V A Y=A*B 4k 1,6k 130 B A B Y=A*B 1k Bramka NAND z serii standardowej TTL (7400)
Charakterystyka przejściowa bramki NAND TTL Charakterystyka przejściowa podstawowej bramki NAND TTL serii standardowej, zależność charakterystyki przejściowej od temperatury
Bramka inwerter NOT 7404 symbol graficzny
Układy z wejściem Schmitta • Własności: • napięcia progowe oraz histereza, • duża 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 NAND 1/4 7401 z otwartym kolektorem OC Serie 74F38, 74ALS38B symbol graficzny
Sterowanie zewnętrznymi obciążeniami • sterowanie obciążeń dołączonych do podwyższonego napięcia, np. można wysterować żarówkę małej mocy, przekaźnik, elektrozawór, silnik prądu stałego, itp. • dopuszczalne napięcia wyjściowe do 80V, prądy wyjściowe do 1A
Suma (iloczyn) montażowy Jeśli wyjścia kilku bramek z OCzostaną połączone do wspólnego rezystora otrzymamy układ realizujący tzw. sumę montażową w logice ujemnej (wired-OR): układ zachowuje jak bramka NOR; iloczyn montażowy w logice dodatniej (wired-AND). • Linie przerwań magistrali komputerowych, których zadaniem jest sygnalizowanie, że co najmniej jedno urządzenie chce zwrócić na siebie uwagę, • wyjścia na magistrale zewnętrzne IEEE-448 (HPIB, GPIB).
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 cechyposiadają układy trójstanowe oraz układy z otwartym kolektorem.
Bipolarna bramka trójstanowa (blokada wyjść) UCC=5V R1 R2 R3 T3 T4 T1 A T2 D Y T5 R6 R7 R5 R4 __ OE T7 T6 T8 R8 OE (Output Enable) wejście zezwalające __ OE=L T6=L, T7,T8=zatkane OE=H T7,T8=L T2,T4,T5=zatkane __
Bramka trójstanowa CMOS W wyjścia trójstanowe wyposażone są zarówno bramki i inwertery, jak i wiele innych układów cyfrowych, m.in. liczniki, zatrzaski, rejestry itp. Po uaktywnieniu układ z wyjściem trójstanowym zachowuje się dokładnie tak samo, jak zwykły układ z obciążeniem aktywnym, tzn. jego wyjście jest albo w stanie niskim albo w stanie wysokim. Gdy układ trójstanowy jest nieaktywny, jego wyjście jest odłączone od obwodu obciążającego i wtedy inny układ może przejąć sterowanie tym obwodem. Popatrzmy na układ będący przykładem zastosowania elementu trzystanowego.
Sterowanie szyną danych Konflikty na magistrali eliminuje specjalny układ.
Trójstanowe wzmacniacze logiczne (ang. driver) są układami szeroko stosowanymi do sterowania komputerowymi szynami danych. Każde 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, że 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", że 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 A0-A2 i kiedy widzi na liniach adresowych swój adres (tzn. 6) i widzi impuls na linii żądania odczytu (ang. read), umieszcza dane na szynie danych D0-D3. Taki protokół szyny wystarcza w większości prostych systemów. Podobny układ jest wykorzystywany w większości mikrokomputerów. Zwracamy uwagę, że 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 niepożądany przypadek nazywa się formalnie "konfliktem na magistrali"). Wszystko jest w porządku tak długo, jak długo każde urządzenie reaguje tylko na swój własny, różny od innych, adres.
