Temat i plan wykładu
Tranzystor jako element cyfrowy
1. Wprowadzenie
2. Tranzystor jako Å‚Ä…cznik
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 ju\
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 u\
yciu
ró\
norodnych 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 mo\
na dziÅ› znalez
ć niemal w ka\
dym urzÄ…dzeniu
technicznym.
Wprowadzenie
W zale\
ności od technologii i techniki projektowania
specjalizowane układy scalone klasyfikujemy w następujących
kategoriach:
a) układy zamawiane przez u\
ytkownika (Full Custom),
b) układy projektowane przez u\
ytkownika (Semi Custom),
c) układy programowane przez u\
ytkownika (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 mo\
liwością
programowania połączeń na drodze elektrycznej. W ich przypadku
proces produkcyjny jest odmienny  producent dostarcza
 prefabrykaty projektantowi, który mo\
e je zaprogramować u
siebie  na biurku .
Charakterystyka przejściowa inwertera
Definicja czasów przełączania
Czas magazynowania ts
występuje przy zatykaniu
tranzystora, podczas
wychodzenia ze stanu
nasycenia (UCE=UCEsat).
Je\
eli UCE > UCEsat to ts=0.
Szybkie Å‚Ä…czniki  tranzystory
nienasycone.
td czas opóz
nienia (ang. delay time)
tf czas opadania (ang. fall time)
ts czas magazynowania (ang. storage time)
tr czas narastania (ang. rise time)
Czas propagacji inwertera
Czas propagacji (Td) - określa czas opóz
nienia
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 ró\
nic 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 siÄ™ kryje
wewnÄ…trz
bramki
cyfrowej?
Definicja bramki logicznej
Bramki  scalone układy
elektroniczne realizujÄ…ce
funkcje algebry Boole a.
Formuła boolowska
Operatory logiczne
Operatory logiczne
Modele prostych funktorów logicznych
UzaÅ›>+3V UzaÅ›>+3V UzaÅ›>+3V
Y = A + B
A
B
A
A Y = A
Y = A " B
B
A A
A
Y = A Y = A + B Y = A " B
B B
NOT AND
NOR
Funkcje i symbole
Klasy układów cyfrowych
TTL (Transistor  Transistor - Logic)  układy TTL,
ECL (Emiter  Coupled Logic)  układy o sprzę\
eniu 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 sprzę\
eniu Å‚adunkowym,
GaAs MESFET  układy GaAs.
Oznaczenia napięć i prądów układu cyfrowego
UCC - napięcie zasilania, ICC  prąd zasilania, UI (UO) 
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 obcią\
alność.
"
"
"
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
UCC T
P = ICC (t)dt = UCC ICCavr
+"
T
0
y
ródła zakłóceń
" napięcia zasilającego,
" uziemieniowe,
" przesłuchowe w liniach transmisyjnych,
" odbiciowe w liniach transmisyjnych,
" zewnętrzne.
Napięcia progowe i odporność na zakłócenia
Marginesy
zakłóceń
wskazujÄ…, jaki
poziom zakłóceń
nie spowoduje
błędnego odczytu
sygnału
wejściowego w
najgorszym
przypadku.
ULI max -ULO max - margines zakłóceń stanu niskiego
UHO min -UHI min - 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, UT  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,
" obciÄ…\
alność 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).
Bramka NAND z serii standardowej TTL (7400)
A
A B Y
Y=A*
H H L
B
B
L H H
H L H
L L H
5V
4k 1,6k 130
A
B
Y=A*B
1k
Charakterystyka przejściowa bramki NAND TTL
Charakterystyka przejściowa podstawowej bramki NAND
TTL serii standardowej, zale\
ność charakterystyki
przejściowej od temperatury
Tranzystor Schottky ego
Układy z wejściem Schmitta
Własności:
" napięcia progowe oraz histereza,
" du\
a odporność na zakłócenia.
Zastosowania:
" przekształcanie wolnozmiennych sygnałów
na impulsy o szybkich zboczach,
" przemiana napięcia sinusoidalnego na
prostokÄ…tne,
" redukcja wpływu zakłóceń,
" proste układy multiwibratorów astabilnych.
Bramka z wejściem Schmitta
Bramka NAND 1/4 7401 z otwartym
kolektorem OC
Serie 74F38, 74ALS38B
symbol
graficzny
Bramka z otwartym drenem OD
" Nale\
y dołączyć zewnętrzny rezystor do VCC,
" bramka NAND (HC03).
Bipolarna bramka trójstanowa (blokada wyjść)
UCC=5
V
R1 R2 R3
OE (Output Enable)
T3 wejście zezwalające
T4
T1
A
T2
D
Y
T5
R6 R7
R4 R5
_
O
T7
_
T6
E
T8
__
R8
OE=L T6=L, T7,T8=zatkane
__
OE=H T7,T8=L T2,T4,T5=zatkane
Sterowanie szynÄ… danych
Konflikty na magistrali eliminuje specjalny układ.
Trójstanowe wzmacniacze logiczne (ang. driver) są układami szeroko
stosowanymi do sterowania komputerowymi szynami danych. Ka\
de urzÄ…dzenie
(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, \
e w
danej chwili wzmacniacze logiczne tylko jednego urzÄ…dzenia sÄ… aktywne,
natomiast wzmacniacze pozostałych urządzeń znajdują się w trzecim stanie
(mają otwarte wyjścia). W typowej sytuacji wybrane urządzenie "dowiaduje
siÄ™", \
e musi dostarczyć dane na szynę, rozpoznając swój własny adres na
liniach adresowych i sterujÄ…cych. W tym uproszczonym przypadku urzÄ…dzeniu
nadano adres 6. Dekoduje ono adres pojawiajÄ…cy siÄ™ na liniach A0-A2 i kiedy
widzi na liniach adresowych swój adres (tzn. 6) i widzi impuls na linii \
Ä…dania
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, \
e 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 niepo\
Ä…dany przypadek nazywa
się formalnie "konfliktem na magistrali"). Wszystko jest w porządku tak długo,
jak długo ka\
de urządzenie reaguje tylko na swój własny, ró\
ny 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 obni\
onym napięciu zasilania 3,3 V (ą 0,3 V), 2,5 V (ą0,2
V), 1.8V (Ä…0.15V), a nawet 0.8V
" np. straty mocy P=U2/R przy 5V i 3,3 V 52 / 3,32 H" 2,3 raza
" większą szybkość działania ni\
układy pięciowoltowe
" znaczne zmniejszenie moc strat przy większych częstotliwościach
" ni\
szy poziom generowanych zakłóceń elektromagnetycznych i
elektrycznych
" wy\
sza niezawodność pracy.
Układy scalone rodziny CMOS
Układy CMOS mo\
na 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
Chocia\
bramki w wersjach TTL i CMOS
spełniają tę samą funkcję logiczną to wartości
poziomów logicznych, szybkość, moc zasilania,
prądy wejściowe itp. ró\
niÄ… siÄ™ znacznie w obu
przypadkach. Nale\
y być ostro\
nym, gdy
zamierza siÄ™ u\
ywać równocześnie obu rodzajów
bramek. Aby zrozumieć ró\
nice, popatrzmy na
schematy bramek NAND. Stopnie wyjściowe
bramek TTL i CMOS zawierajÄ… obciÄ…\
enie
aktywne dołączone do szyny dodatniego napięcia
zasilania.
Inwerter CMOS
+UDD
Mp
uIn = uIp = uI
üÅ‚
ôÅ‚
iDp
uGSn = uI
ôÅ‚
iDn
uGSp = uI -UDD żł
ôÅ‚
uI
uO
ôÅ‚
iDn = -iDp
Mn
þÅ‚
Charakterystyki inwertera CMOS
A
Ä…czenie obciÄ…\
eń do wyjść bramek
A
Ä…czenie obciÄ…\
eń do wyjść bramek