Цифровые интегральные микросхемы - Учебное пособие

Интегральная микросхема (ИС) - это совокупность электрически связанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой основе (подложке). Интегральная микросхема выполняет определенные функции обработки (преобразования) информации, заданной в виде электрических сигналов: напряжений или токов. Аналоговый сигнал описывается непрерывной или кусочно-непрерывной функцией, причем и аргумент и сама функция могут принимать любые значения из некоторых интервалов. 1, в, принимающий лишь ряд дискретных значений - уровней квантования, а независимая переменная n принимает значения 0, 1, Нелинейная функция Qk - задает значения уровней квантования в двоичном коде. Функциональную сложность ИС обычно характеризуют степенью компонентной интеграции, т. е. количеством чаще всего транзисторов на кристалле.Функционирование любой цифровой системы происходит в двоичной системе счисления, оперирующей только двумя цифрами: нуль (0) и единица (1). В данном случае имеется в виду логические нуль и единица. По этой причине, а также изза задержек сигналов в ЛЭ выходные сигналы комбинационной схемы в течение переходного процесса могут принимать значения не соответствующие описывающим их функциям. Совершенной дизъюнктивной, нормальной формой (Сов ДНФ) функции называют дизъюнкцию конституент единицы - минтермов, взятых на тех наборах, на которых единице равна сама функция. Совершенной конъюнктивной, нормальной формой (Сов КНФ) функции называют конъюнкцию конституент нуля - макстермов, взятых на тех наборах, на которых нулю равна сама функция.В цифровой электронике ключевая схема предназначена для коммутации (переключения) тока в нагрузке или создания двух резко отличающихся уровней напряжения на нагрузке, соответствующих логическому нулю и логической единице. В интегральных микросхемах выполненных на биполярных транзисторах роль ключа выполняет транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. В положительной логике и при положительной полярности напряжения питания при подаче на вход схемы логического 0 (Uвх » 0 В) транзистор Т1 будет заперт, а транзистор Т2 оказывается в режиме глубокого насыщения и через него потенциал Е поступает на выход, реализуя на выходе логическую 1. Значение коллекторного тока, в тоже время, определяется количеством неосновных носителей в базе, поэтому, когда ток ik достигнет величины Ікнас, его рост прекратится, но рост числа носителей заряда в базе будет расти до величины соответствующей току Іб. В режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт, потенциал его коллектора оказывается ниже потенциала базы, что приводит к открыванию диода, на котором устанавливается напряжение менее 0,5 В, т. е. меньше напряжения, открывающего переход база-коллектор.Это устройство с двумя входами (а и b), на выходе у которого сигнал «1» появляется только в том случае, когда на входах действуют противоположные сигналы, т. е. Триггер, как элементарный конечный автомат, характеризуется следующими свойствами: число внутренних состояний - два (единица и нуль), что соответствует одной внутренней переменной, обозначаемой для триггеров буквой Q; Причем, если триггер переключается сигналами логической единицы, то его называют триггером с прямым управлением, в противном случае - триггером с инверсным управлением. Вход, по которому триггер устанавливается в единичное состояние (Q = 1, = 0), называют входом S (от английского Set - установка), а в нулевое (Q = 0, = 1) - входом R (reset - возврат). Функциональная особенность JK-триггеров состоит в том, что при всех входных комбинациях, кроме одной , они действуют подобно RS-триггеру, причем вход J играет роль входа S, а K-вход соответствует R-входу.Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) характеризуются возможностью быстрого ввода/вывода (записи/считывания) информации в виде двоичных чисел в свою любую отдельную ячейку. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) в отличие от ОЗУ используются в основном для считывания записанной в них информации. Если при этом сигнал на входе , то СУ формирует управляющий сигнал, при котором ФЗС обеспечивает запись в выбранном ЭП информации, поступающей на вход DI. Если сигнал , то СУ переключает ФЗС в режим считывания, при котором информация из выбранного ЭП передается на выход DO, при этом состояние входа DI не влияет на работу микросхемы. При микросхема находится в режиме хранения, т. е. состояние ЭП не меняется при любых сигналах на входах (Am … A0), DI, .На основе БИС реализуются, например, арифметико-логические и управляющие устройства ЭВМ, цифровые фильтры и т. д. Наибольшая степень интеграции свойственна однородным структурам - ЗУ и составляет в настоящее время десятки миллионов элементов на кристалле. Использование БИС приводит к резкому улучшению всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненным на отдельных ИС: уменьшается количество корпусов, число сборочных и монтажных операций, количество внешних, наиболее ненадежных сое