Схемотехника. (Лекция 1)

1. Схемотехника

LOGO
Схемотехника
Кафедра ВТ , ВлГУ , Туляков В.С.

2. Литература

www.themegallery.com
Литература
1. Угрюмов Е.П.
Цифровая схемотехника: учеб. Пособие для вузов.- 3 – е
издание., перераб. и доп.- СПб.: БХВ – Петербург, 2010.- 816 с.:
ил.
2. Хоровец П., Хилл У.
Искусство схемотехники: Пер. с англ.- Изд.7-е.- М.: Мир, Бином,
2011.-704 с.,ил.
Амелина М.А., Амелин С.А.
Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap8.- М.:
Горячая линия – Телеком, 2007 – 464 с.,ил.
Медведев Б.Л., Пирогов Л.Г.
Практическое пособие по цифровой схемотехнике – М.: Мир,
2004.- 408 с., ил.

3. Основные задачи схемотехники

www.themegallery.com
Основные задачи схемотехники
Синтез схем
Анализ схем
Основные
Дополнительные
ТЗ
Синтез
Анализ
Подавление помех.
Передача данных по линиям связи.
Обеспечение режимов работы
элементов.
Синхронизация и тактирование
Генерация сигналов.
Соответствует
ТЗ ?
Нет
В базу
вариантов

4. Базовые функциональные блоки

www.themegallery.com
Базовые функциональные блоки
Преобразователи сигналов
Генераторы и формирователи
База для
разработки
цифровых
устройств
Интерфейсные схемы
Запоминающие устройства
Последовательностные схемы
Комбинационные схемы
Триггеры
Базовые логические элементы
Транзистор

5. По уровню интеграции ИС

www.themegallery.com
По уровню интеграции ИС
Закон Мура – удвоение количества транзисторов на кристалле каждые 18 месяцев
Миллионы тр-ров
Многоядерные
микропроцессоры, ПЛИС
Микропроцессоры,
ЗУ, контроллеры,
Вспомогательные схемы
Мало разрядные
функциональные
узлы
Простая
логика
СБИС до 2015
Тысячи тр-ров.
БИС 1971
Сотни тр-ров
СИС
До 100 тр-ров.
МИС 1958 г. Роберт Нойс

6. По массовости изготовления

www.themegallery.com
По массовости изготовления
Серийные
Заказные
Полу заказные
Массовое производство, приборы конечного
пользования, низкая стоимость
Высокая стоимость разработки –
от одного до десятков миллионов долларов.
Нерентабельно для массового использования.
ПЛМ, БМК программируемые
изготовителем, ПЛИС
Большинство современных ИС изготавливается по технологии КМОП, ТТЛШ.

7. Лекция 1

www.themegallery.com
Лекция 1
Схемотехнические основы
построения цифровых устройств

8. Условное обозначение ЛЭ

www.themegallery.com
Условное обозначение ЛЭ
Обозначение функции
&
Инверсия
И, ИЛИ, НЕ – базис элементов нагляден для восприятия
И-НЕ - функция Шефера
ИЛИ-НЕ - функция Пирса
Основные рабочие базисы

9. Обозначения логических элементов

www.themegallery.com
Обозначения логических элементов

10. Сигналы отображающие логические переменные

www.themegallery.com
Сигналы отображающие логические переменные
БИТ
1
U
0
1
U
0
Положительная логика
H (High) L (Low)
При переходе от логических сигналов к электрическим необходимо
установить правила соответствия:
- положительной логики;
- отрицательной логики

11. Учет задержек в логических схемах

www.themegallery.com
Учет задержек в логических схемах
Быстродействие в ЛЭ напрямую связана с задержкой сигналов
ЛЭ и связях между ними. Особенно это проявляется с
уменьшением технологических норм. 70-80% от общей
задержки - это задержки в ЛЭ и в линиях связи.
Существуют грубые оценки задержки, и точные расчеты.

12. Статические параметры ЛЭ

www.themegallery.com
Статические параметры ЛЭ
Напряжение питания
U
С определенным допуском
cc
Четыре значения напряжений, задающих границы зон переменных О или 1
U
вх 0 мах
U
U
вх 1 мин
U
вых 1 мин
На входе
ЛЭ
На выходе ЛЭ
вых 0 мах
Статическая помехоустойчивость:
- Для уровня логической единицы допустимая
- Для уровня логического нуля допустимая
-
U п U вых 1 мин Uвх 1 мин
U U
п
вых 0 мах
U вх 0 мах

13. Передаточная характеристика ЛЭ

www.themegallery.com
Передаточная характеристика ЛЭ

14. Токовые статические параметры ЛЭ

www.themegallery.com
Токовые статические параметры ЛЭ
Ток потребляемый по входу при вх=1
Ток потребляемый по входу при вх=0
Ток потребляемый по выходу при вых=1
Ток потребляемый по выходу при вых=0
Например: для КМОП ЛЭ ток вых.1= току вых.0
для ТТЛШ ЛЭ ток вых.1 в 20 раз меньше тока вых.0

15. Нагрузочная способность ЛЭ

www.themegallery.com
Нагрузочная способность ЛЭ
Это количество ЛЭ, которые можно
подключить одному выходу ЛЭ.
Иногда применяют термин:
Разветвление по выходу
Объединение по входу

16. Быстродействие цифровых схем

www.themegallery.com
Быстродействие цифровых схем
Скорость перехода из одного
состояния в другое.
Определяется задержками в
элементе и цепях соединения.
Коэффициент определяется
серией микросхемы
t t
з
к
С
зн
C C C L
Фактическая
Номинальная по справ.

17. Мощность потребления ЛЭ

www.themegallery.com
Мощность потребления ЛЭ
В справочниках обычно указывается значение тока
потребляемого микросхемой – I потр. * U пит.= P
Мощность ЛЭ делят на статическую и динамическую
Рст. – мощность потребляемая в пассивном состоянии.
Рдин. – мощность потребляемая при переключении.
Рст. делится на Рст. 0 и Рст. 1 Рст.
и расчитывается Рст. =(Рст.0 + Рст.1)/2
Р = Рст. + Рдин.

18. Мощность потребления ЛЭ при нанометровых технологиях

www.themegallery.com
Статическая мощность соизмерима с динамической
При перезарядке
емкости тратится
энергия
2
C U /2

19. Формула оценки динамической мощности

www.themegallery.com
Формула оценки динамической мощности
Перепад логического уровня
P U (C
2
d
pd
Частота сигналов на входе и выходе
F 1 N C l F 0)
Внутренняя емкость схемы
Число переключаемых выходов
Емкость нагрузки

20. Параметры ЛЭ ТТЛ в справочнике

www.themegallery.com
Параметры ЛЭ ТТЛ в справочнике

21. Параметры ЛЭ ТТЛ

www.themegallery.com
Параметры ЛЭ ТТЛ
К134

22. Параметры ЛЭ КМОП

www.themegallery.com
Параметры ЛЭ КМОП

23. Типы выходов цифровых элементов

www.themegallery.com
Типы выходов цифровых элементов
Логические;
С третьим состоянием;
Открытые (с открытым стоком или
коллектором).
Программируемый выход
Применение объясняется различными условиями работы элементов
в логических цепях, магистральных системах.

24. Обычный логический выход

www.themegallery.com
Обычный логический выход
Хорошо, когда он имеет малое сопротивление и способен
развивать большие токи для перезарядки емкостных нагрузок.
Особенность – их нельзя соединять параллельно !!!
Неопределенность
выхода в переходном
состоянии
Импульс тока
в переходном
режиме

25. Выход с тремя состояниями

www.themegallery.com
Выход с тремя состояниями
Позволяют использовать одну линию связи
несколькими ЛЭ, сохраняют достоинства обычных логических
выходов: быстродействие и высокая нагрузочная способность.
Третье состояние выхода называют высокоимпедансным.
При этом фактически происходит отключение выхода от нагрузки.
OE – Output Enable

26. Открытые выходы

www.themegallery.com
Открытые выходы
Требуется подключение внешних резисторов для исключения
плавающего состояния выхода.
Реализуется схема монтажной логики – высокое напряжение на выходе
возникает только при запирании всех транзисторов.
Может заменить схему с тремя состояниями при работе на магистраль –
вместо сигнала ОЕ используют один из входов.
Обозначение
Достоинства – защищенность
от повреждений при ошибках
Управления.
Недостаток – большая
задержка переключения.
При открытом транзисторе на выходе ноль, при закрытом –
неопределенное состояние

27. Программируемый выход

www.themegallery.com
Программируемый выход
Позволяет запрограммировать схему на два
варианта : либо как каскад открытым
коллектором, либо каскад с третьим состоянием.
OE
0
OD
X
Режим
Отключе
но
1
1
1
0
Обычны
й
Открыты
й сток
Пин

28. Выводы с запоминанием последнего сигнала

www.themegallery.com
Чтобы выход второго инвертора не шунтировал информационный
сигнал, он должен быть высокоомным (сотни кОм).
При отключении источника сигнала от контактной площадки КП,
сигнал на выходе будет поддерживаться слабым сигналом с инвертора.

29. Особенности выводов КМОП-элементов

www.themegallery.com
Особенности выводов КМОП-элементов
Высокоомные выводы КМОП – элементов нельзя оставлять
разомкнутыми, так как на них могут наводится произвольные
потенциалы, что придает схеме неопределенные состояния.
Схема с подтягивающим и заземляющим резисторами,
которые фиксируют состояние разомкнутых выводов.
Схема защиты от перенапряжений по входу

30.

LOGO
Задание для самостоятельной работы
По учебнику Угрюмова Е.П. ----- Глава 1 параграфы 1.1-1.3
Стр.7-28
Click to edit subtitle style