Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» icon

Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника»




НазваКонспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника»
Сторінка1/7
Дата30.06.2012
Розмір1.36 Mb.
ТипКонспект
  1   2   3   4   5   6   7

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И

НАУКИ УКРАИНЫ

СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


В.Т. БАРАВОЙ


КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу


«ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА»


Раздел « ЦИФРОВАЯ ТЕХНИКА»


для студентов и аспирантов

физико-технических

специальностей


Утверждено на заседании кафедры

«Компьютеризованные системы

управления» как конспект лекций по

дисциплине «Электроника и микросхемо-

техника»

Протокол №4 от 10.10.2002г.


Сумы СумГУ 2003


СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие………………………………………… 4

Вводная лекция……………………………………... 5

^ Раздел 1 Электронная память цифровых устройств

Лекция 1 Цифровые логические элементы………. 21

Лекция 2 Триггеры………………………………….. 52

Лекция 3 Построение триггеров различных

типов………………………………………………… 74

Лекция 4 Регистры ………………………………….. 98

Лекция 5 Цифровые счётчики импульсов…………. 123

Лекция 6 Оперативные и постоянные запоминающие

устройства…………………………………………… 146

^ Раздел 2 Комбинационные устройства

Лекция 7 Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы…………………………………………………179

Лекция 8 Мультиплексоры, демультиплексоры, комбинационные устройства сдвига…………………….205

Лекция 9 Комбинационные сумматоры……………226

Перечень сокращений ……………………………….248

Список литературы…………………………………...249


ПРЕДИСЛОВИЕ

Данный конспект лекций «Цифровая техника» соответствует рабочей программе по дисциплине «Электроника и микросхемотехника», представляет собой вторую часть дисциплины и состоит из десяти лекций. Первая часть конспекта лекций называется «Аналоговая техника» и имеет объём двенадцать лекций.

Курс лекций написан для студентов физико-технических специальностей дневной формы обучения. Объём каждой лекции рассчитан на два академических часа, каждую лекцию можно изучать независимо от предыдущей, лекции объединены в два раздела: первый раздел «Электронная память цифровых устройств», второй – «Комбинационные устройства».

Лекции содержат тщательно подобранный материал, имеют большое количество иллюстраций, электрических и логических схем, таблиц состояний, примеров построения различных цифровых устройств. Даны параметры микросхем, их обозначения.

При изучении данного курса читатель должен обладать знаниями по алгебре логики, комбинаторике, основам электроники, математике.

Для углубленного изучения отдельных разделов приводится список литературы. В конце отдельных лекций дан дополнительный материал, который расширит восприятие изученной темы.

Подробное описание цифровых устройств позволит читателю детально ознакомиться с микропроцессорной техникой, осмыслить физические процессы, происходящие при вычислительных процессах.

^ ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ

1 Основные понятия, классификация интегральных микросхем (ИМС), их условные обозначения

2 Параметры, характеристики ИМС

1.Базой для изготовления цифровых логических схем являются транзисторы. Нет необходимости изготавливать транзисторы в виде отдельного прибора с внешними выводами, т.е. выпускать их в дискретном исполнении. Более надёжными и компактными получаются устройства, где на одной полупроводниковой пластине формируется много транзисторов, диодов и резисторов, а перемычки между ними получают путём металлизации методом вакуумного напыления металлических проводников через маску нужной конфигурации.

Устройства такого типа, заключённые в герметичный корпус с внешними выводами, называются интегральными микросхемами схемами (ИМС).

Материалом для интегральных схем служит кремний, подвергнутый очистке. Монокристалл кремния разрезают на очень тонкие пластины, которые шлифуются и полируются. На 1мм2 такой пластины получают десятки тысяч транзисторных структур. Некоторые большие интегральные схемы на кристаллах размерами 5 х 6 мм2 содержит более 20 106 транзисторов и представляют собой целые ЭВМ.

Интенсивно ведётся поиск принципиально новых способов построения интегральных схем, позволяющих создавать на одной подложке «многоэтажные» структуры и даже объёмные.

Перспективны дальнейшего совершенствования интегральных схем связывают с целым рядом интересных физических явлений, новых материалов и технологий . Дадим основные понятия ИМС.

^ Интегральные микросхемы (ИМС) – микроэлектронные изделия, выполняющие определенную функцию преобразования, обработки сигнала и накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединённых элементов и кристаллов.

В зависимости от технологии изготовления ИМС могут быть полупроводниковыми, плёночными, гибридными.

^ Полупроводниковые ИМС- микросхемы, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объёме и на поверхности полупроводника.

Плёночные ИМС – микросхемы все элементы и межэлементные соединения, которых выполнены только в виде плёнок проводящих и диэлектрических материалов.

^ Гибридные ИМС – микросхемы, содержащие кроме элементов, простые и сложные компоненты (например, кристаллы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридных микросхем являются многокристальные микросхемы.

ИМС, как правило, состоят из корпуса, подложки, платы, пластины, кристалла.

Корпус- часть конструкции ИМС, предназначенная для защиты микросхемы от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов.

Подложка- заготовка из диэлектрического материала, предназначенная для нанесения на неё элементов плёночных и гибридных микросхем межэлементных и межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата- часть подложки гибридной ИМС, на поверхности которой нанесены плёночные элементы микросхемы, межэлементные и межкомпонентные соединения и контактные площадки.

Пластина – это полупроводниковая заготовка, предназначенная для изготовления полупроводниковых ИМС.

Кристалл – часть пластины, в объёме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

Цифровые микросхемы представляют собой электронные устройства, позволяющие строить практически все узлы и блоки ЭВМ, в которых обрабатываемая информация представлена в виде двоичных чисел. В основе цифровых микросхем, выпускаемых многомиллионными сериями, находятся простейшие комбинационные цифровые элементы.

^ По способу кодирования цифровых сигналов элементы цифровой схемотехники подразделяются на потенциальные, импульсные и импульсно- потенциальные.


В потенциальных элементах двоичные переменные кодируются соответствующей величиной электрического потенциала (или тока). В зависимости от способа присвоения значений «0» или «1» различным уровням электрического потенциала вводятся понятия положительной и отрицательной логики. Положительной называют логику, в которой уровень «1» представлен более высоким потенциалом, чем уровень 0. В случае отрицательной логики «1» кодируется низким уровнем сигнала, а «0» – высоким.

В импульсных устройствах двоично-кодированный сигнал имеет значение «1» при наличии импульса или «0» , если импульс в цепи отсутствует.

В импульсно-потенциальных элементах сигналы представляются как импульсами, так и потенциалами, которые, как правило, используются для разрешения либо запрещения передачи импульса в некоторую цепь. Импульсным считается сигнал с длительностью меньше длительности такта, а потенциальным- больше длительности такта.

Наиболее широкое применение получили потенциальные логические элементы (ЛЭ). Для них характерно наличие связи по постоянному току между входами и выходами схем. Схематическая реализация потенциальных цифровых микросхем осуществляется на основе ЛЭ И, ИЛИ, НЕ и их комбинаций И-НЕ, ИЛИ-НЕ, а также ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

По назначению элементы цифровой микросхемотехники можно разделить на усилительные, формирующие, логические комбинационные, элементы памяти и последовательностные функциональные узлы, элементы потенциальной развязки, индикаторные элементы (табл.1).

^ Усилительные элементы применяются для восстановления уровней цифровых сигналов, претерпевающих неизбежные изменения в процессе обработки информации, а также для согласования выхода какого-либо устройства с низкоомной нагрузкой или линией связи.

^ Формирующие элементы предназначены для:

-преобразования амплитудно-временных параметров сигналов;

-увеличения или уменьшения длительности фронта нарастания или спада сигнала;

-увеличения или уменьшения длительности импульса;

-привязки нулевого и единичного уровней цифрового сигнала к заданному уровню и т.д.

^ Логические комбинационные элементы выполняют для реальных физических сигналов функции преобразования алгебры логики без запоминания информации.

В качестве элементов памяти используются триггеры с двумя и более устойчивыми состояниями. На основе запоминающих элементов строятся последовательностные функциональные узлы, оперирующие многоразрядными числами (триггеры, регистры, счётчики).

^ Элементы потенциальной развязки предназ-начены для реализации информационной связи между различными цифровыми устройствами.

Индикаторные элементы обеспечивают визуализацию цифровых сигналов при вводе и выводе информации.

Всё многообразие цифровой микросхемотехника можно условно разделить на элементы, функциональные узлы, устройства и системы.

Элементы- электронные схемы, реализующие простейшие функции алгебры логики И, ИЛИ, НЕ. Сюда относятся схемы формирователей уровней сигналов, инверсии, умножения цифровых сигналов и т.д. Элементы строятся на основе элементарных ИМС.

^ Функциональные узлы выполняют функции генерирования, формирования формы импульсов по амплитуде и длительности, преобразования формы импульсных сигналов. К функциональным узлам относятся схемы, укорачивающие или расширяющие импульсы, автоколебательные генераторы прямоугольных импульсов, различные виды запоминающих ячеек и т.д. Функциональные узлы строятся на основе ИМС и дискретных компонентов радиоэлектронной аппаратуры.

Устройства цифровой микросхемотехники выполняют преобразования над многоразрядными числами (счёт, арифметические действия, шифрация, дешифрация, преобразование кодов, запоминание, считывание из памяти, отображение информации и т.д.) Устройства цифровой микросхемотехники состоят из комбинаций функциональных узлов и элементов. Это регистры, счётчики, сумматоры, преобразователи кодов, оперативные запоминающие устройства ЭВМ, мультиплексоры, демультиплексоры, цифровые компараторы, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Цифровые устройства объединяются в системы, наиболее типичными представителями, которых являются ЭВМ. Классификация микросхем по функциональному назначению приведена в табл.1

По принятой системе обозначение микросхемы должно состоять из четырёх элементов. Первый элемент – цифра, соответствующая конструктивно- технологической группе. Указанным группам микросхем в системе условных обозначений присвоены следующие цифры: 1,5- 7 – полупроводниковые, 2,4,8- гиб-ридные, 3- прочие микросхемы. Второй элемент (две-три цифры)- порядковый номер разработчика. Таким образом, первые два элемента определяют полный номер серии микросхемы. Третий элемент- две буквы, соответствующие подгруппе и виду микросхемы Четвёртый элемент – условный номер разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку. Система обозначений микросхем приведена на рис.1.

Приведём пример условного обозначения полупроводниковой микросхемы – схемы синхронизации микропроцессора с порядковым номером серии 800 и порядковым номером разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку 1. Полное обозначение микросхемы 1800ВБ1.

Пример условного обозначения полупроводниковой микросхемы ЛЭ И-НЕ с порядковым номером серии 33 и номером разработки микросхемы в данной












серии по функциональному признаку 1. Полное обозначение микросхемы 133ЛА1.




Рисунок 1 – Система обозначений ИМС

Основные электрические параметры базовых элементов определяют характеристики практически всех микросхем, входящих в состав конкретной серии и определяют возможность совместной работы микросхем разных серий в составе аппаратуры.

Параметры цифровых элементов делятся на эксплуатационные, экономические и технические. Эксплуатационные параметры отражают качество элементов: длительность безотказной работы, удобство установки и демонтажа, ремонтопригодность, габариты, масса и т.д. Экономические параметры характеризуют стоимость элемента, энергоёмкость, содержание дорогостоящих и редких металлов.

На начальном этапе проектирования разработчик ориентируется в основном на технические параметры серийных или разрабатываемых элементов, так как именно технические параметры элементов определяют реализуемость проектируемого устройства.

Технические параметры делятся на статические и динамические. ^ Статические параметры характеризуют свойства и режимы работы элемента во всех предусмотренных техническими условиями состояниях.

Основные статические параметры приведены в табл. 2. ^ Динамические параметры представляют собой ограничения, накладываемые на длительности переходных процессов в цифровых элементах, и предельные частоты функционирования. Основные динамические параметры элементов на примере инвертирующего ЛЭ приведены в табл. 3.

Характеристики, также как и параметры, подразделяются на статические и динамические. К основным статическим характеристикам элемента относят входная вольтамперная характеристика (ВАХ) и


Таблица 2- Основные статические п араметры элементов




выходная ВАХ. Входная ВАХ – зависимость тока (напряжения) i-го входа элемента от напряжения (тока) на этом же i –том входе, а также от напряжений (токов) на остальных выводах при заданных величинах внешних воздействий.

Таблица3-^ Основные динамические параметры элементов

Выходная ВАХ – зависимость тока (напряжения) от напряжения (тока) на j-том выходе элемента, а также от напряжений (токов) на остальных выводах при заданных величинах внешних воздействий. Гра-


фически ВАХ представляют собой семейство одномерных характеристик.

Производными от выходных ВАХ являются передаточные характеристики- зависимость выходного напряжения (тока) от входного напряжения (тока) при фиксированных напряжениях (токах) на остальных выводах.

^ Динамические характеристики цифровых элементов делятся на два типа и представляют собой зависимость динамических параметров элементов от электрических режимов и внешних факторов, а также зависимость некоторых статических параметров от рабочей частоты или временного интервала.

К первому типу динамических характеристик относятся: зависимость длительности задержки распространения сигнала от параметров нагрузки; зависимость длительности задержки распространения сигнала от температуры и других внешних факторов; зависимость длительности фронта импульса на выходе элемента от параметров входного сигнала.

Ко второму типу характеристик относятся, например: зависимость мощности потребления от частоты переключения элемента; зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от её длительности.

Техническая реализация цифровых схем, в которых сигналы представлены дискретно квантованными уровнями напряжения (тока), основана на использовании электронных коммутаторов напряжения (тока), называемых электронными ключами.

  1   2   3   4   5   6   7

Схожі:

Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» Раздел «цифровая техника» для студентов и аспирантов
Данный конспект лекций «Цифровая техника» соответствует рабочей программе по дисциплине «Электроника и микросхемотехника», представляет...
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций для студентов специальности 090804 "Физическая и биомедицинская электроника"
Методы и средства терапии и реабилитации: Конспект лекций / Составитель С. В. Соколов. Сумы: Изд-во СумГУ, 2007. – 117 с
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций по курсу «Организация производства»
Конспект лекций по курсу «Организация производства» (для студентов и слушателей заочной формы обучения фпоизо специальностей 050100...
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций по курсу "обработка и утилизация осадков"
Конспект лекций по курсу "Обработка и утилизация осадков" (для студентов 5 курса дневной и заочной форм обучения специалистов по...
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций по курсу «бизнес-планирование в условиях рынка»
Конспект лекций по курсу «Бизнес-планирование в условиях рынка»( для студентов фпо и 30 специальности 090603» Электротехнические...
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций по курсу " Общая химическая технология" для студентов специальности 090200 всех форм обучения
Конспект лекций по курсу «Общая химическая технология» предназначен для самостоятельного изучения курса студентами
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций з дисципліни “внурішньогосподарський контроль ”
Конспект лекций здисципліни «Внутрішньогосподарський контроль»(для студентів 3 курсу заочної форми навчання за галуззю знань 0305...
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconТ. Н. Колесник конспект лекций
Статистика: Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050100 «Экономика и предпринимательство»
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций
Политология. Конспект лекций/ Шестопалов Г. Г., Побочий И. А., Заболотный М. Б., Поливец Н. С. Под ред профессора Г. Г. Шестопалова....
Конспект лекций по курсу «электроника и микросхемотехника» iconКонспект лекций по курсу "Источники энергии" для студентов специальности
Данный конспект лекций представляет собой базовую информацию, в которой фрагментарно изложен только теоретический материал в виде...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи