Схемотехника ЭВМ



страница1/26
Дата30.10.2016
Размер9,16 Mb.
ТипУчебник
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   26


Министерство образования и науки Российской Федерации
Пензенский государственный технологический университет

Чулков В.А.


СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ
Учебное пособие

Пенза 2014

УДК 681.324
Чулков В.А. Схемотехника ЭВМ: Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. ун-та, 2014. - с. 317; Ил. 252, табл. 13, библиогр. 17 назв.
Учебник подготовлен на кафедре «Вычислительные машины и системы» Пензенского государственного технологического университета и предназначен для студентов по направлению подготовки бакалавров и магистров «Информатика и вычислительная техника». Книга может также оказаться полезной инженерам, специализирующимся в области проектирования и эксплуатации электронных цифровых устройств вычислительной техники, систем управления и телекоммуникации.
Рецензенты:

кафедра вычислительной техники Пензенского государственного университета;



В.В. Рыжаков, доктор техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

с

Издательство Пензенского государственного технологического университета


В.А. Чулков, 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 61ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА81.1Полупроводниковые приборы и базовые каскады цифровой электроники91.1.1Интегральные биполярные транзисторы и пассивные элементы91.1.2Интегральные униполярные транзисторы141.1.3Базовые каскады цифровых интегральных схем161.1.4Краткие сведения по технологии и конструкции микросхем301.2Логические операции и логические элементы351.2.1Общие сведения по логическим операциям и алгебре логики 351.2.2Минимизация логических функций371.2.3Цифровые сигналы401.3Характеристики и параметры логических элементов421.3.1Статические характеристики и параметры431.3.2Динамические параметры 461.3.3Работа переключения481.4Базовые схемы логических элементов 501.4.1Элементы ТТЛ511.4.2Элементы ЭСЛ531.4.3Элементы КМОП551.4.4Типы выходных каскадов621.4.5Сравнение систем элементов661.5Специальные элементы681.5.1Схемы задержки и генерирования импульсов681.5.2Усилители сигналов811.5.3Электронно-оптические элементы941.5.4Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи1021.6Борьба с помехами и искажениями сигналов1081.6.1Шумы в электронных усилителях1101.6.2Джиттер и ошибка детектирования сигнала1141.6.3Борьба с помехами1171.6.4Передача цифровых сигналов1262ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ1362.1Общие сведения по функциональным узлам ЭВМ1362.2Комбинационные узлы общего назначения1392.2.1Мультиплексоры, демультиплексоры и шифраторы1392.2.2Компараторы и преобразователи кодов1472.2.3Арифметические узлы1532.2.4Контроль передачи данных1702.3Последовательностные устройства1762.3.1Триггеры1762.3.2Регистры1922.3.3Счетчики импульсов1332.4Синхронизация в цифровых устройствах2202.4.1Логические состязания и жесткая синхронизация2212.4.2Принципы и устройства адаптивной синхронизации2253МИКРОСХЕМЫ ПАМЯТИ И ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКИ2383.1Структуры полупроводниковых ЗУ2413.1.1Классификация ЗУ2413.1.2Структуры полупроводниковых ЗУ2453.1.3Память с последовательным доступом2503.1.4Логическая структура постоянного ЗУ2533.1.5Применение программируемых ПЗУ2543.1.6Объединение БИС ЗУ в модули памяти2573.1.7Флэш-память2583.2Элементы памяти2613.2.1Элемент памяти статического ОЗУ2613.2.2Элемент памяти динамического ОЗУ2633.2.3Элементы памяти ПЗУ2663.3Программируемые логические устройства2693.3.1Базовые матричные кристаллы2693.3.2Программируемые микросхемы PLD2713.3.3Оперативно-перестраиваемые микросхемы FPGA2763.4Автоматизация проектирования цифровых устройств2833.4.1Этапы проектирования заказной БИС2833.4.2Математические модели схем и принципы машинного расчета2863.4.3Топологическое проектирование302ЗАКЛЮЧЕНИЕ307ВЫВОДЫ310Рекомендуемая литература316

ВВЕДЕНИЕ
Развитие компьютеров базируется на создании аппаратных средств и на совершенствовании вычислительных процессов. Первое направление подразумевает разработку физических основ и схемных принципов построения логических, запоминающих и вспомогательных элементов компьютера и объединяется общим понятием - схемотехника ЭВМ. По существу, предметной областью схемотехники ЭВМ являются микроэлектронные устройства, оперирующие логическими двухуровневыми сигналами, поэтому рассматриваемые ниже схемы можно отнести к цифровой электронике.

Современные компьютеры строятся на больших и сверхбольших интегральных схемах (БИС и СБИС), каждая из которых по функциональным и эксплуатационным возможностям превосходит целую машину первого поколения. В то же время сохраняется потребность и в интегральных схемах меньшей степени интеграции, которые применяются в качестве цифровых элементов систем автоматики и связи. Элементы и узлы современного компьютера изготавливаются с применением новых материалов, с использованием новых принципов представления информации и отличаются высокой производительностью, расширенными возможностями интерфейса, рядом признаков искусственного интеллекта.

Наряду с заказными интегральными схемами узкого назначения, в которых достигаются предельные для данного уровня технологии характеристики, все более широкое распространение получают БИС с программируемой структурой, функциональные возможности которых потребитель ориентирует на решение частных задач. Логическую структуру некоторых БИС можно оперативно перестраивать в рабочем режиме аппаратуры.

Для проектирования узлов и устройств компьютера и проверки их работоспособности применяются системы автоматизированного проектирования и моделирования. Можно сказать, что компьютеры ныне проектируются самими компьютерами с помощью человека. Поэтому для создания совершенных цифровых устройств специалист в области компьютерной техники обязан владеть программным инструментарием.

Материал учебного пособия отвечает требованиям государственного образовательного стандарта подготовки инженеров по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». В нем последовательно изложены принципы схемной реализации логических функций и методы построения цифровых узлов, а также освещены вопросы совместной работы элементов и узлов в составе ЭВМ. Цифровая схемотехника базируется на алгебре логики и микроэлектронике, поэтому автор посчитал уместным снабдить учебное пособие краткими сведениями по базовым полупроводниковым каскадам, планарной технологии изготовления микросхем, а также по аксиомам и правилам булевой алгебры.

Каждый раздел учебного пособия представляет собой автономный учебный модуль, доступный для самостоятельного изучения. С целью закрепления знаний рекомендуется использовать данное учебное пособие в комплекте с учебно-методическим пособием по выполнению самостоятельных работ, разработанным как приложение к теоретическому материалу и содержащим описания практических и лабораторных работ с вариантами заданий, примерами и шаблонами выполнения. Лабораторные работы выполняются с помощью моделирующей программы Electronics Workbench, достоинствами которой являются интуитивный интерфейс и наглядность результатов исследования.

Пособие подготовлено на кафедре вычислительных машин и систем Пензенской государственной технологической академии и является обобщением материалов лекций, читаемых автором студентам в течение ряда лет.


1 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА
Со времени изобретения интегральных схем в 70-х годах прошлого века элементная база вычислительной техники стремительно развивалась благодаря успехам полупроводниковой технологии. Уже появились микросхемы, содержащие более миллиарда компонентов типа транзистора на одном кристалле. В то же время общие принципы построения цифровых схем остаются неизменными и по-прежнему основаны на булевой алгебре и применении стандартных функциональных узлов.

Элементом цифрового устройства называют наименьшую функциональную часть, на которые можно разделить цифровое устройство при его проектировании и анализе. Набор элементов, объединенных общей конструкцией, технологией, способом представления информации, организацией связей образует систему элементов. Система должна быть функционально полной, чтобы реализовать любые логические функции путем суперпозиции простейших функций, предусмотренных системой.

Элементы малой и средней интеграции содержат в едином корпусе наборы однотипных элементов с отдельными входами и выходами. Элементы высокой степени интеграции объединяют в одном корпусе наборы различных элементов, объединенных в законченные функциональные узлы.

По функциональному назначению элементы делят на логические, запоминающие и специальные.

Логические элементы выполняют логические функции и относятся к классу комбинационных схем, в которых выходной сигнал в некоторый момент времени зависит только от входных сигналов, действующих в тот же момент времени. Запоминающие элементы служат для хранения цифровой информации и относятся обычно к классу последовательностных схем, в которых выходные состояния определяются не только состояниями входов в данный момент времени, но и внутренним состоянием самой схемы. Специальные элементы обеспечивают сопряженную работу узлов и подсистем ЭВМ, они могут быть цифровыми, аналоговыми и цифроаналоговыми.


    1. Полупроводниковые приборы и базовые каскады

цифровой электроники
Хотя современные БИС и СБИС содержат миллионы интегральных компонентов, принципы построения схем логических элементов и устройств на их основе остаются неизменными со времени создания первых вычислительных машин на дискретных полупроводниковых приборах. Конструкции самих приборов, материалы и технологии их изготовления непрерывно совершенствуются по пути достижения все более высокого быстродействия и снижения энергопотребления. Биполярные и униполярные транзисторы образуют две большие группы приборов, составляющих основу цифровой схемотехники.

1.1.1 Интегральные биполярные транзисторы и пассивные элементы


Изоляция


База

Эмиттер


Коллектор

Окна выводов



n+

n+

n+

p

n

p

База


Эмиттер

Коллектор

Подложка

Рисунок 1.5 – Интегральный

биполярный транзистор

SiO2



Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор для усиления электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (чаще кремния), содержащего три области с различной (электронной n (negative) и дырочной p (positive)) проводимостью. Слово «transistor» образовано фрагментами двух слов «transfer» и «varsistor», что по смыслу означает «управляемый резистор». Биполярный транзистор был изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином как альтернатива электронным лампам.

В зависимости от порядка расположения областей разного типа проводимости различают биполярные транзисторы p-n-p и n-p-n типов, при этом последние являются технологически более простыми при исполнении на кремнии. Типовая структура (топология и поперечное сечение) интегрального n-p-n транзистора показана на рис.1.1. Транзистор изготавливается в типовом планарном процессе, краткие сведения по которому будут даны ниже, в изолированном «кармане» на границе области коллектора и подложки. Доступ к внутренним областям структуры – выводам эмиттера, базы и коллектора осуществляется через «окна» в изолирующем слое окиси кремния SiO2.

Транзистор имеет два p-n перехода: база-эмиттер и база-коллектор, электрический режим его работы определяется состояниями этих переходов:


  • режим отсечки характеризуется обратным смещением обоих переходов. Транзистор «закрыт», то есть ток через него не протекает;

  • активный (линейный) режим характеризуется прямосмещенным состоянием эмиттерного и обратносмещенным – коллекторного переходов. В этом режиме проявляются усилительные свойства транзистора, когда относительно малый ток базы управляет большим током коллектора , где - коэффициент передачи тока базы по постоянному току в схеме с общим эмиттером (составляет обычно 50 – 200);

  • в режим насыщения транзистор переходит из активного режима, когда по мере роста базового тока оказываются открытыми оба перехода, а ток коллектора достигает некоторого предела, устанавливаемого коллекторной нагрузкой ( ).

Основные электрические характеристики кремниевого биполярного транзистора в активном режиме представлены на рис.1.2. Проходная характеристика – зависимость выходного тока коллектора от входного напряжения база-эмиттер описывается выражением

, (1.1)


где - обратный ток насыщения перехода база-эмиттер, мВ - температурный потенциал (физическая константа). Часто используется также входная характеристика – зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер , по форме совпадающая с проходной характеристикой, поскольку значение линейно связано со значением . Положение передаточной характеристики зависит от напряжения между коллектором и эмиттером, однако влияние незначительно.

Положение выходной характеристики – зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер определяется входным напряжением (или, что то же самое, – входным током ). Чем больше входное напряжение, тем выше проходит выходная характеристика. Изменение коллекторного тока в зависимости от входного напряжения характеризуется крутизной S (размерность А/В)

, (1.2)

увеличивающейся с ростом тока. Отмеченное перемещение рабочей точки на характеристиках (рис.1.2) объясняет усилительные свойства транзистора.



Крутизна выходной характеристики в ее пологой области характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением

, (1.3)


Iк, мА

4
3
2


1
0
0,2 0,4 0,6 0,8 Uбэ

Iк, мА

4
3
2


1
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 Uкэ, В

Uбэ = 0,7 В

Uкэ

Uбэ = 0,68 В

ΔUбэ

ΔIк=SΔUбэ

Рисунок 1.2 –. Семейства проходных и выходных характеристик



Iк

Iэ

Iб

Uбэ

Uкэ

ΔIк

ΔUкэ

где - напряжение Эрли, численно равное абсциссе точки пересечения мысленного продолжения прямой пологого участка характеристики с осью . Для n-p-n транзистора оно составляет порядка 80 – 200 В.

Для описания входной цепи транзистора как нагрузки используют понятие дифференциального входного сопротивления

, (1.4)


которое определяется крутизной входной характеристики в рабочей точке.

Основная часть инжектируемого эмиттером электронного тока устремляется в коллектор, малая его часть во время прохождения области базы успевает рекомбинировать с дырками, давая ток базы . Таким образом,

, (1.5)

где - коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с общей базой (обычно порядка 0,98 – 0,995). Так как , то очевидно, что



. (1.6)

Очевидно также, что коэффициенты передачи тока в транзисторе возрастают с уменьшением ширины базовой области, что является основанием для создания так называемых супер- транзисторов с тонкой базой.



β0

Рисунок 1.3 – Частотные

характеристики транзистора

0

Скоростные свойства биполярного транзистора в линейном режиме отображаются частотными зависимостями коэффициентов передачи и (рис.1.3), которые могут быть аппроксимированы функциями однополюсника:



где и - частоты среза, при которой и, соответственно, падают на 3 дБ (в раз). Кроме параметра часто используется значение полосы пропускания транзистора – частоты единичного усиления , на которой коэффициент передачи в схеме с общим эмиттером падает до единицы. Обычно для интегральных транзисторов , .

Указанные скоростные свойства транзистора определяются временем жизни неосновных носителей в его базовой области и его межэлектродными емкостями. Вопросы быстродействия транзистора в ключевой схеме будут рассмотрены позже при описании базовых каскадов переключательных схем.

На базе транзисторной структуры могут выполняться диоды и пассивные элементы интегральных схем.

В качестве диода может использоваться любой из p-n переходов транзистора, либо их параллельное соединение. Вольтамперная характеристика такого диода описывается выражением, сходным с выражением передаточной характеристики транзистора (1.1),

,

в котором - тепловой ток перехода, пропорциональный его площади. Обратно-смещенный диод в виде, как правило, перехода база-эмиттер способен выполнять функции стабилитрона с напряжением электрического пробоя от 6 до 9 В.



Распространенным элементом интегральной схемы является резистор, который может изготавливаться разными способами. Если к точности сопротивления резистора не предъявляется особых требований, то он может быть образован в едином с транзисторами процессе в виде объемного сопротивления диффузионной области базы или эмиттера (диффузионный резистор). При этом сопротивление резистора определяется сопротивлением слоя, в котором он располагается, и которое выражается в Ом/квадрат - сопротивлении единичного квадрата данного материала. Таким образом, сопротивление слоя является конструктивным параметром материала, с помощью которого, зная длину L и ширину W резистора, можно найти его полное сопротивление

.

Для базовой и эмиттерной областей равно соответственно 150 и 2,5 Ом.



Конденсаторы также могут быть реализованы в виде обратно смещенных p-n переходов транзистора. В общем случае емкость такого конденсатора описывается приблизительным выражением

,

где k – коэффициент пропорциональности, связанный с концентрацией примесей в окрестностях перехода, в зависимости от структуры перехода. Типовое значение удельной емкости при обратном напряжении 5 В составляет для перехода база-эмиттер 1000 пФ/мм2, база-коллектор - 120 пФ/мм2, коллектор-подложка - 60 пФ/мм2.



1.1.2 Интегральные униполярные транзисторы

Униполярные (полевые) транзисторы используют единственные вид носителей заряда, перемещающихся по каналу между истоком и стоком под управлением напряжения на затворе (электрического поля). В зависимости от физической структуры области затвора полевые транзисторы разделяются на приборы с управляющим p-n переходом и приборы с изолированным затвором. Не вдаваясь в подробности, отметим, что наиболее приспособлены к нуждам цифровой схемотехники приборы второй категории, а именно полевые МОП транзисторы обогащенного типа с изолированным затвором. Схемы на таких транзисторах обходятся единственным однополярным источником питания, что обеспечивает естественное сопряжение каскадов и простоту их конфигурации. Аббревиатура МОП отражает структуру транзистора «Металл-Окисел-Полупроводник» с индуцированным каналом (рис.1.4).



p

n

Сток


Затвор

Исток


Подложка

Рисунок 1.4 – Интегральный

МОП транзистор

SiO2



p
Затвор

Исток


Сток

В микромощном диапазоне с токами смещения приборов порядка пико- и наноампер, свойственном современным сверхбольшим интегральным схемам, униполярные МОП транзисторы обладают преимуществами по сравнению с биполярными транзисторами как по энергопотреблению, так и по быстродействию. На рис.1.5 для сравнения показаны зависимости частоты единичного усиления биполярного и униполярного транзисторов от рабочего тока смещения. Значение fT обратно пропорционально времени пролета носителей через область базы биполярного транзистора или через канал полевого транзистора и прямо пропорционально току коллектора или стока.

В области больших токов fT интегрального биполярного транзистора оказывается выше fT МОП транзистора, поскольку время пролета базы с шириной в единицы ангстрем значительно меньше, чем время пролета канала МОП транзистора длиной в доли микрометра. В области меньших токов fT определяется, главным образом, емкостями транзисторов: Сзи и Сзс для МОП транзистора и емкостями p-n переходов Сбэ и Сбк биполярного транзистора, которые для МОП транзистора обычно много меньше. поэтому в микромощных устройствах с субмикронными топологическими нормами предпочтительны МОП приборы. МОП транзисторы имеют также практически нулевой входной ток, что способствует снижению энергопотребления устройств.

БТ

УТ



fT


Каталог: upload -> 2014
2014 -> Учебно-методическое пособие для студентов средних специальных учебных заведений
2014 -> Учебное пособие 2-е издание, дополненное и переработанное Бийск агао им. В. М. Шукшина 2014 ббк 87. 4 Ж 91
2014 -> Доклад «Молодежь Иркутской области»
2014 -> «Методы диагностики болезней рыб»
2014 -> Методические указания к организации выполнения дипломного проекта Общие положения 1 часть Для специальности
2014 -> Контрольные вопросы по освоению курса, терминологический словарь. Для студентам вузов и ссузов, начинающих преподавателей, а также всех интересующихся вопросами культуры
2014 -> Системы управления базами данных


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   26


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал