И их сравнительная характеристика

Цифровое устройство — устройство, предназначенное для приема, обработки и выдачи цифровой информации. Любое цифровое устройство с произвольными, мерой сложности и назначением выполняется на дискретных элементах, кото­рые включают в себя интегральные схемы разной степени интеграции. Незави­симо от функционального назначения элементов их схемотехнологические реализации владеют рядом общих параметров и характеристик, которые опре­деляют их работу в статическом и динамическом режимах [35].

Элементы цифрового устройства — наименьшие функциональные части, на которые разбивается устройство при его логическом проектировании и техни­ческой реализации. Поскольку принято считать, что наименьшие функцио­нальные части цифрового устройства выполняют простейшие логические или вспомогательные функции, можно сказать, что элементы цифрового устройст-ва это электронные схемы, которые представляют собой некоторую совокуп­ность определенным образом соединенных компонентов и выполняют одну или несколько простейших логических или вспомогательных операций. Ком­понентами элементов цифровых устройств являются интегральные схемы раз­ной степени интеграции, транзисторы и диоды разного типа, резисторы, кон­денсаторы и индукторы.

Элементы цифровых устройств принято разрабатывать и выпускать в виде сис­тем или серий, которые включают в себя их разные модификации. Физически полная система элементов — система, которая содержит специальные элемен­ты, обеспечивающие возможность построения цепей управления, устройств памяти и цепей связи. Последние обеспечивают работу электромеханических узлов цифровых устройств типа реле, переключателей, механизмов перфора­ции, печати и т. п., а также схем связи разных узлов цифрового устройства с

устройствами ввода/вывода; элементы индикации информационных состояний узлов цифрового устройства и генераторы тактовых сигналов [8, 32, 33].

Технически полная система элементов — система, которая удовлетворяет требованиям функциональной и физической полноты.

Функционально полная система элементов — система, которая позволяет реа­лизовать любые сложные функции переключения путем суперпозиции про­стейших функций, которые выполняются элементами данной серии.

Элементом цифровой схемотехники называют устройство, которое выполня­ет одну из задач реализации булевых функций: запоминание информации, преобразование, формирование и усиление сигналов. Все виды элементов цифровых устройств можно разделить на три группы: логические, функцио­нальные и вспомогательные (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Классификация элементов цифровых устройств

Логическим элементом называется устройство, которое реализует только од­ну булеву функцию. Такие элементы называют однофункциональными в от­личие от функциональных элементов, которые реализуют несколько булевых функций. В функциональном элементе могут использоваться несколько ло­гических элементов. Запоминающие элементы используют в устройствах, которые сохраняют данные и программы в виде цифровых кодов.

Усилительно-формирующие элементы преобразовывают нестандартные сиг­налы в разных цепях цифровых устройств до уровней логических элементов, которые их обрабатывают. Кроме того, они иногда используются для увели­чения нагрузочной способности логических элементов и т. д. Специальные элементы включают в свой состав генераторы сигналов, преобразователи уровней, элементы гальванической развязки и др.

Логические элементы цифровых устройств во многом определяют функ­циональные возможности последних, их конструктивное исполнение, тех­нологичность, надежность и т. д. Логические элементы выпускаются про­мышленностью в виде серий, которые включают в себя широкую номенк­латуру схем разной степени сложности. Тем не менее, в каждой серии вы­деляется так называемая базовая схема, которая определяет в основном статические и динамические параметры большинства других схем данной серии.

По способу кодирования двоичные переменные элементов цифровых уст­ройств делятся на импульсные, динамические, потенциальные, импульсно-потенциальные и фазовые.

В импульсных элементах "1" представляется наличием электрического им­пульса напряжения или тока, а "0" — отсутствием соответствующего им­пульса.

В динамических элементах " 1" представляется пачкой импульсов или потен­циалом, который возобновляется через необходимый интервал времени, а "0" — отсутствием импульсов (или наоборот).

В потенциальных элементах выходные и входные двоичные переменные ко­дируются разной величиной электрического потенциала. Для потенциальных элементов часто применяют понятие положительной и отрицательной логи­ки, которое отображает принятый способ кодирования двоичной переменной конкретной серии элемента. Под положительной логикой понимается коди­рование "1" высоким потенциалом и "0" низким потенциалом, а под отрица­тельной логикой кодирования "1" — низким потенциалом, "0" — высоким потенциалом.

В импульсно-потенциальных элементах на входы элементов могут подавать­ся как потенциальные уровни, так и электрические импульсы, причем выход­ные сигналы, как правило, имеют импульсный характер. Распределение сиг­налов на импульсные и потенциальные относительно. Принято тип сигнала определять через продолжительность такта, в зависимости от частоты такто­вого генератора цифрового устройства. Импульсный сигнал — сигнал с про

должительностью, меньшей продолжительности такта. Потенциальный сиг­нал — сигнал с продолжительностью не меньше продолжительности такта.

В фазовых элементах применяются сигналы в виде синусоидального напря­жения, а значения "1" и "0" двоичных переменных кодируются фазой сину­соидального напряжения относительно опорного напряжения. Фазовый принцип кодирования двоичных переменных применяется, как правило, в устройствах аналогово-цифрового типа.

Способ кодирования информации определяет не только специфику построе­ния той или иной системы элементов, но и ее основные параметры. Напри­мер, по уровню мощности рассеяния на первом месте стоят потенциальные элементы, а на последнем импульсные; потенциально-импульсные элементы занимают промежуточное место. С развитием микроэлектронных логических схем из-за сложности построения схем на импульсных элементах, которые требуют в ряде случаев наличия трансформаторов и конденсаторов, широко используются потенциальные элементы.

В импульсных схемах при повышении быстродействия усложняется синхро­низация сигналов, поскольку смещение их во времени может привести к ошибочному срабатыванию. В схемах на потенциальных элементах нет спе­циальных преобразований формы сигналов, кодирование основано на уста­новлении уровней, отсутствуют жесткие требования к синхронизации, кото­рая вообще предопределяет их высокую надежность.

По параметрам элементы можно классифицировать в зависимости от реали­зации логических функций, нагрузочной способности, быстродействия или времени задержки, предельной рабочей частоты, помехоустойчивости и по­требляемой мощности. В зависимости от времени задержки сигнала инте­гральные микросхемы делятся на устройства высокого и сверхвысокого бы­стродействия.

По типам базовых элементов электронных ключей разделяют несколько ти­пов схем, где наиболее распространенными являются следующие:

□ транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
□ эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

□ инжекционная интегральная логика (И²Л);

□ структуры металл-оксид-полупроводник р-типа (р-МОП);

□ структуры металл-оксид-полупроводник n-типа (n-МОП);

□ комплементарные МОП-структуры (КМОП);

□ динамические МОП-структуры.

Более старые виды схемотехники, такие как резистивно-транзисторная логи­ка (РТЛ) и диодно-транзисторная логика (ДТЛ), в микропроцессорных сис­темах практически не применяются.

Логические схемы, которые изготовляются на разной конструктивно-технологической основе, значительно различаются по своим характеристи­кам, даже если они реализуют одинаковые функции. У любого из указанных видов схемотехники имеются свои преимущества. Так, ЭСЛ отличается вы­соким быстродействием, хотя некоторые разновидности ТТЛ приближаются к ней по этому параметру. Как р-МОП-, так и n-МОП-логика широко приме­няются в микропроцессорах, а КМОП-схемотехника пользуется преимуще­ством, если важно уменьшить потребляемую мощность.

Динамические МОП-структуры используются для построения различных за­поминающих устройств; они имеют простую организацию, в которой логиче­ское состояние определяется зарядом емкости, внутренне присущей логиче­скому элементу. И²Л применяется в интегральных схемах.

Дата добавления: 2015-07-08