Цифровая схемотехника

1.

ЦИФРОВАЯ
СХЕМОТЕХНИКА
Лектор: профессор
Райхлин Вадим Абрамович
1

2.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель дисциплины:
Создание у будущих бакалавров базовых представлений об
импульсной технике как фундаменте цифровой схемотехники
и о принципах построения, особеностях функционирования и
использования цифровых микросхем широкого применения.
Задачи дисциплины:
– Изучение особенностей импульсных процессов в простейших линейных цепях, линиях передачи импульсов и транзисторных ключах как образовательного базиса цифровой схемотехники.
– Изучение основ организации ТТЛ- и КМОП-ИС.
– Изучение структуры, функционирования и особенностей
применения цифровых микросхем разного функционального назначения и степени интеграции.
2

3.

МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В УЧЕБНОМ
ПРОЦЕССЕ
Дисциплина «Схемотехника» входит в базовую часть профессионального цикла образовательной программы бакалавра.
Материал курса основан на знаниях, навыках и умениях, почерпнутых студентами из курсов «Электротехника и электроника» и «Теория автоматов».
Студенты должны быть знакомы с основами теории электрических цепей и процессами в полупроводниковых приборах («Электротехника и электроника»), правилами преобразования булевых функций и логического синтеза основных цифровых операционных узлов («Теория автоматов»).
Полученные при изучении дисциплины знания, умения и
навыки будут использованы студентами при изучения дисциплин «Электронные вычислительные машины», «Схемотехника
ЭВМ», «Микропроцессорные системы».
3

4.

СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Лабораторный практикум
№
№
п/п темы
дис1
1.1
2
3
4
1.2
2.1
2.2
Наименование лабораторной работы
Линейные цепи передачи и преобразования
импульсов
Транзисторные ключевые схемы
Интегральные ТТЛ-схемы
Интегральные триггерные схемы
Итого
Объем
час.
4/3*
5/4*
5/4*
4/3*
18/14*
/a* - показывает объем часов интерактивной работы.
Практические занятия
Практические занятия программой дисциплины не предусмотрены
СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА (КУРСОВОЙ РАБОТЫ)
Курсовой проект (курсовая работа) программой дисциплины не предусмотрены.
4

5.

Распределение фонда времени по
семестрам неделям и видам занятий
№
п/п
1
2
3
4
Разделы дисциплины и темы
Формы текущего контроля
Се- Неделя сем. Все- ЛК, ЛР, СР, успеваемости . Формы итого,
час. час час.
местр ЛК/ЛР
говой аттестации
час
Основы импульсной техники
31
1.1.Импульсные процессы в линейных цепях
1-3/1-4
16
5
1.2.Транзисторные ключевые схемы
4/(5-8)
11
1.3.Интегральные ключи и логичес5
4
кие элементы
Базовые цифровые микросхемы
39
2.1.Логические микросхемы ТТЛ
6-7/9-12 13
2.2.Триггеры ТТЛ
8-9/13-16 15
2.3.Генераторы импульсов ТТЛ
10-11
7
5
2.4.Базовые микросхемы КМОП
12
4
Микросхемы операционных
узлов
22
3.1.Микросхемы функциональных
узлов комбинационного типа
13-15
11
5
3.2.Микросхемы функциональных
узлов последовательностного
типа
16-18
11
5
Подготовка к зачету
16
Всего за семестр (количество часов)
108
Тестирование по разделу
(8 нед).
Контроль активности работы на ЛК и ЛР.
Защита ЛР
10
9
12
6
2
2
4
5
–
6
4
2
14
4
4
4
2
9
4
5
–
–
16
5
6
3
2
Тестирование по разделу
(16 нед).
Контроль активности работы на ЛКи ЛР
Защита ЛР
10
Контроль активности работы на лекциях
12
6
–
5
18
5
16
54
6
36
Зачет
5

6.

ЛИТЕРАТУРА
Райхлин В.А. Основы цифровой схемотехники. Уч. пособие
Издание 2. - Казань: Изд. КГТУ, 2006 (Издание 1 - за 2000г.)
Арсентьев С.А., Вершинин И.С. Цифровая схемотехника.
Компьютерный практикум. Ч.1. - Казань: Изд. КГТУ, 2008
Арсентьев С.А., Вершинин И.С. Цифровая схемотехника.
Компьютерный практикум. Ч.2. - Каз.: Изд. Экоцентр, 2006
Применение интегральных микросхем в ЭВТ /Под ред. Б.Н.
Файзулаева и Б.В. Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1988
Шило В.А. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1987
6

7.

Раздел I
ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ И
ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
7

8.

Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ В АНАЛИЗ
ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССОВ
1. Характеристика формы импульсов
T – период следования импульсов.
F=1/T – частота, N T t и – скважность импульсов.
8

9.

2. Анализ цепей с экспоненциальным изменением
f ( t ) = B + De-t/θ, B = f( ), D = f(0) – f( )
f(t) = f( ) – [f( ) – f(0)]·e-t/θ
(t2–t1) = θ·ln{[f( )–f(t1)]/[f( )–f(t2)]
А = |D|. При D < 0 возрастающая экспонента
f(t) = (B – A) + a(t), a(t) = A(1- e-t/θ).
При D > 0 – убывающая
f(t) = B + b(t), b(t) = A·e-t/θ.
tф+ = tф– = θ·ln10 ~ 2,3θ
9

10.

f t f t B
Цепь с экспоненц. изменением:
1) должна содержать лишь реактивности одного вида;
2) все внешние токи и э.д.с. в ней при t > 0 не должны изменяться;
3) после исключения всех источников энергии цепь должна
допускать сведение ее к пассивному RC– или RL–контуру.
θ = CR
θ = L/R
Пример. После исключения источников
имеем RC–контур с Rэкв=R2\\ (R1+R3).
Uc(0) = 0
u(t) – эксп. нараст.
2E1
эксп. спад
10

11.

Лекция 2. ПРОСТЕЙШИЕ RC- и RL-ЦЕПИ
1. Двухэлементные цепи
На входе RC (RL) –цепи действует источник импульсов напряжения (тока) с параметрами E1 (I1), tи1, Т , что имитируется изменением состояния ключа К.
Емкостная цепь. Сначала (К – в 2) емкость С разряжена. При
поступлении импульса (К в 1) – заряд емкости, и
U2(t) = E1e-t/θ, Uc(t) = E1(1– e-t/θ) , θ = CR.
Если tи1 > 2,3θ, на выходе – укороченный импульс,
tи2 = 2,3θ < tи1, E2 = E1.
По окончании импульса (К
в 2) – разряд емкости. На выходе –
отрицательный выброс той же амплитуды,
11
tвос = 2,3θ = tи2.

12.

В случае tи1 < 2,3θ за время действия входного импульса емкость заряжается не полностью
Uc(tи1) = δE1 = E1(1 – e-tи1/θ) < E1.
δ – спад вершины импульса (и амплитуда послеимпульсного
выброса). Уменьшается с ростом θ. Но при этом растет и tвос.
При θ >>T в стационарном режиме на емкости создается
примерно постоянное напряжение динамического смещения
Eд ~ E1/N, и U2(t) ~ U1(t) – Eд.
Цепь с индуктивностью. Для нее – аналогично, если обозначить E1= I1R, θ = L/R. При tи1 > 2,3θ ток iL(tи1) = I1. В случае
θ » T в индуктивности поддерживается примерно постоянный
12
ток iд ~ I1/N, и Eд ~ RI1/N.

13.

2. Влияние паразитных параметров RC-цепей
Реальные цепи содержат паразитные параметры – внутреннее сопротивление источника Ri, емкость нагрузки Cн и др.
Рассмотрим близкий к реальному случай укорачивающей
цепи. Первоначально С и Cн разряжены.
Обозначим:
γ1 = Ri /R, γ2 = Cн /C.
При действии импульса u1(t)
U 2 t
A
1 θ2
θ1
e
t
θ1
e t θ2
.
Здесь:
i ;
A 1 E1 ; θ2 1 Cн R
γ1 γ2
γ1 γ2
θ1 CR 1 γ1 γ2 .
13

14. Лекция 3. ПРОЦЕССЫ В СЛОЖНЫХ ЦЕПЯХ

1. Реальные RL-цепи
Учтем влияние Сн (рост Сн). Обозначим:
L ; RСн ;
1 ρ α;
I
1
R
A
;
θ
θ
2
R 1
2R
L Cн ρ – волновое сопротивление;
1
ω0 –частота собственных коLCн
лебаний контура.
Пока α >1,– апериодический режим.
При α=1 (θ2= θ1/4)
U 2 t
A
t 2θ 2
te
+
E
=
0,74
I
R;
t
=
2
1
ф
2
2θ2; tи2 = 2,45ּ θ1.
Если α <1, – колебательный:
,
ρI1 t 2θ2
2
sin
t,
1
.
e
ω
ω
ω
α
1
1
0
2
1 α
При α
0 (ρ, ω0
0, θ2 ) :
U2 t
Е2 = ρI1, t и2 = π/ω0,
tф+ = 0,5 t и2.14

15.

2. Линии передачи импульсов
u(t,τ) = u u обр
k .
k 1
пр
k
k 1
к 1
пр 1
uк β M1M 2 u1 t 2 к 1 t0 τ ;
к 1
обр 1
u к β M2 M1M 2 u1 t 2кt0 τ .
υ
1
L0 C0
;
x
ρ L0 ; τ .
υ
C0
β 1 Rρi ; M1 Ri ρ ; M2 R ρ .
Ri ρ
R ρ
τ0 = L0С0 = 1/υ, t0 = τ0l .
При R = ρ (согласование) M2 =0 и
1
1
u t, τ u1 t - τ ; i t, τ u1 t - τ .
β
βρ
Сигнал в любом сечении линии
повторяет входной с задержкой τ. В
линии – только u1пр. Отражений нет.
15

16.

При воздействии на входе перепада E1(t) :
16

17.

Лекция 4. ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ
1. Статические и динамические параметры транзисторов
Для статического режима:
iэ=iк+iб; iк=αiэ+Iк0; iк=βiб+(β+1)Iк0.
Здесь α и β =α/(1-α) – стационарные коэффициенты усиления по току в
схемах ОБ и ОЭ. Обычно α=0,9…0,99, β=10…100. Iк0 – тепловой ток
коллектора, определяемый как ток через коллекторный переход при
обратном смещении на переходе коллектор-база и разорванной цепи
17
эмиттера. Значение Iк0 – от десятых долей до единиц микроампер.

18.

Рис.г – эквив. схем транзистора, вкл. по схеме ОЭ. Здесь:
rб – объемное сопротивление базы, rб =30…200 Ом;
rе = φT/iэ – сопротивление эмиттера, φT ~ 25мВ – температурный потенциал (при iэ = 5мА имеем rе = 5 Ом);
Cдиф = τα/rе – диффузионная емкость, учитывающая инерционность
триода; τα=1/(2πfα) - постоянная времени коэффициента α (схемы
ОБ); fα – граничная частота, на которой α = 0,707α0;
Cк – емкость коллекторного перехода;
rк и rке – сопротивления утечки перехода коллектор – база и участка
коллектор – эмиттер.
В приближенных расчетах наличием Cк, rк и rке можно пренебречь.
Генератор тока αUб’/rе, определяется напряжением uб’ между точкой б’ внутри транзистора и выводом эмиттера. Величина uб’ может
быть определена, если известны rб и ВАХ перехода база – эмиттер. Но
и то и другое имеет большой разброс от образца к образцу.
Для облегчения расчетов в цепь включают «баластное» сопротивление Rб>>rб. Тогда Iб ~ uб/Rб и для акт. режима (рис.г)
Iк(t) = βIб (1 – е-t/τβ), τβ = (β + 1) τα.
18
τβ – постоянная времени каскада ОЭ, τβ >> τα.

19.

2. Статика ключа ОЭ
Электронный ключ осуществляет размыкание и замыкание цепи
нагрузки под воздействием управляющих входных сигналов. Качество
ключа определяется падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, током утечки в разомкнутом и скоростью перехода из одного состояния в другое.
В т.А триод заперт, в
т.В – полностью открыт
(насыщение). При iб > Iбн
положение Р.Т. практически не изменяется. Отрезок АВ – акт. режим.
Uупр=: Еб1 < 0 – K замк.;
Eб2 > 0 – K разомк.
Насыщение: iб = Iб1 = /Еб1//Rб Iбн = Iкн/β; /Uкн/ << /Ек/
Iкн /Eк//Rк.
S= Iб1/Iбн – степень насыщения. S = 1 Uкн -6 φт .
Закрывание: Eб2 Iк0max Rб 3 4 φт ; iб = -Iб2 = -Iк0, iк = Iк0, iэ = 0.
19

20.

3. Временные процессы в ключе ОЭ
Для любого режима –
Q t 1 Q t iб t .
τβ
В активном режиме дополнительно
1
iк t τα Q t .
Триод насыщен, когда
Q(t) > Qгр= Iкнτα = Iбнτβ.
Временные компоненты:
tф τβ n
1
1
1
S
,
б1 Iб2
t p τβ n IIбн
Iб2 .
Iбн ,
n
1
Iб2 0 .
t
τβ
Iб2
20
ф

21.

4. Методы повышения быстродействия ключа ОЭ
Ключ ОЭ с ускоряющей емкостью. При отсутствии емкости C и
Iб1 Iбн (чтобы tр = 0), E б2 = 0 значения tф t ф- 2,3τβ велики. Установка
стац
ускоряющей емкости позволяет при Iб1 Iбн (tр = 0) и E б2 = 0 существенно убыстрить процессы открывания и закрывания триода.
При выборе τ = CRб = τβ,
tф t ф- = 2,3τ’, τ τ R бR iRri б rб τ .
Ключ с нелинейной обратной связью. При rпр<<r<<Rб’
Iб1ст = Iбн
21

22.

Лекция 5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КЛЮЧИ и ТТЛ-ИС
1. Ключи на биполярных транзисторах
Особенности статики:
αi =0,1-0,5; rк=50-150Ом
Uк.н. = 0,2-0,4 В.
I ”кп = (0,01- 0,03)Iкн
U"б.п = 0,5-0,6 В.
Uб.н 0,6 В.
Временные параметры:
"
C
C
U
к
э
б.п. I б1
tз
10
t 10
ф τ β βR к C к R к C н ln
1
1 1 S
I б1 I б2
01
t
р
τ
ln
.
β
tз
I б.н I б2
.
t τ β βR к C к R к C н ln 1 I б.н I б2 .
01
ф
22

23.

2. МОП- и КМОП-ключи
МОП-транзистор:
Uз > 0 => Ic – единицы нс.
0 > Uз > U0= – (2,5-4)В =>
накопление дырок в канале.
Uз=U0 => p-канал, Ic >>.
Rвх= 1012-1014Ом <=любое Uз.
R0= 1-5 Ком – сопр. канала,
R0 = Ic/ Uc, Uc= 0, =>
В ключе:
Uсн > U0 =>Rc= 10-50 Ком =>
tзар= 2,3CнRc >> tразр=2,9 τ ,
τ = CнR0.
Рис.е) –нелинейный резистор:
Eсм=Ec=>tзар=18 τ 2>> tразр=2,9 τ 1
Рис. д) – КМОП-прототип:
tзар=2,9 τ 2 tразр=2,9 τ231.

24.

3. Обобщенные параметры логических ИС
В классе биполярных ИС:
НСТЛ – с непосредственной связью,
РСТЛ – с резистивной связью,
РЕСТЛ – с резистивно-емкост. связью,
РТЛ – резистивно-транзисторные,
ДТЛ – диодно-транзисторные,
ТТЛ – транзисторно-транзисторные,
ЭСЛ – с объединенными эмиттерами.
Их обобщенные параметры:
m – коэффициент объединения по входу;
n – коэффициент разветвления по выходу;
Pср = 0,5 (Р' + Р") – средняя потребляемая
мощность;
tз.ср = 0,5( t10з t 01з ) – средняя задержка;
,
Uп – статическая помехоустойчивость.
24

25.

4. Транзисторно-транзисторные логические ИС
Простейшая схема – рис.а) [элемент И-НЕ, НП – 0, ВП – 1]
Т1 закрыт при НП=0,2-0,4В
хотя бы на одном из входов
(рис.г) и насыщен при ВП >
0,8В на всех входах (рис.в).
Полагая I''б I'б E1 R1 , имеем
условие насыщения Т1:
E1 Smin Eк n E1 .
R1 βmin R к
R1
При Eк=E1: n< β min/Smin–R1/Rк<4,
Низка и U+п = U”бп– Uкн < 0,2В.
Основная схема – рис.б)
Значения n и Uп+ увеличиваются за счет введения триодов Т2, Т3
2
2
и диода Д: Uп+ = 2Uбп” – Uкн ; n < βmin
/ Smin
(откр.Т2 – грань нас.).
Введением Т0 обеспечивается третье состояние выхода. Если х –
НП, Т0 – закр., обычная работа. При х – ВП схема отключена от
25
нагрузки (применение – см. далее).