Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Микросхемы КМОМ и ТТЛ: Практикум

Голосов: 0

Практикум посвящен основам цифровой электроники, основным методам, подходам и приемам. Его цель - получить представление об основных логических элементах, реализуемых на микросхемах КМОП и ТТЛ, ознакомиться с некоторыми устройствами, которые можно реализовать на базе микросхем K176ЛП1, K561ЛА7, К531ЛА3П. В работе использован материал курсов "Теоретические основы радиоэлектроники", "Физические основы микроэлектроники", "Основы электротехники". Практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению: 210100 "Электроника и наноэлектроника".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
                  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского




                     Микросхемы КМОП и ТТЛ




                                 Практикум




Рекомендовано методической комиссией физического факультета для студентов ННГУ,
 обучающихся по направлению подготовки: 210100 «Электроника и наноэлектроника»




                             Нижний Новгород
                                  2012


УДК 621.382
ББК 32.852


     МИКРОСХЕМЫ КМОМ И ТТЛ: Составители: Сдобняков В.В.,
Карзанов В.В., Якубов Р.Р., Белянина М.Г. Практикум. - Нижний Новгород:
Нижегородский госуниверситет, 2013. – 46 с.


Рецензенты: к.ф.-м.н., научный сотрудник НИФТИ ННГУ М.В. Дорохин




    Практикум посвящен основам цифровой электроники, основным
методам, подходам и приемам. Его цель - получить представление об
основных логических элементах, реализуемых на микросхемах КМОП и ТТЛ,
ознакомиться с некоторыми устройствами, которые можно реализовать на
базе микросхем K176ЛП1, K561ЛА7, К531ЛА3П.
      В работе использован материал курсов «Теоретические основы
радиоэлектроники», «Физические основы микроэлектроники», «Основы
электротехники».
      Практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению:
210100 «Электроника и наноэлектроника».



                       Ответственный за выпуск:
   председатель методической комиссии физического факультета ННГУ,
                    к.ф.-м.н., доцент Сдобняков В.В.




                                                        УДК 621.382
                                                        ББК 32.852
                       © Нижегородский государственный университет
                                         им. Н.И. Лобачевского, 2012


Содержание

Введение ................................................................................................................... 4
1. Сведения, необходимые для выполнения работ .......................................... 5
  1.1. Классификация, назначение и особенности логических элементов .. 5
  1.2. Некоторые приборы, реализуемые на основе логических элементов 7
    1.2.1. Дешифраторы .................................................................................... 7
    1.2.2. Мультиплексоры ............................................................................... 9
    1.2.3. Триггеры........................................................................................... 10
    1.2.4. Генераторы....................................................................................... 14
    1.2.5. Счётчики импульсов ....................................................................... 16
  1.3. Микросхема КМОП............................................................................... 18
    1.3.1. Принцип действия МОП-транзистора. Стоковые и сток-
    затворные характеристики ........................................................................... 18
    1.3.2. Базовый логический элемент на КМОП-транзисторах.
    Устройство и принцип действия ................................................................. 19
  1.4. Микросхема ТТЛ ................................................................................... 22
    1.4.1. Биполярный                      транзистор,               многоэмиттерный                       транзистор.
    Структура. Принцип действия ..................................................................... 22
    1.4.2. Транзистор с диодом Шоттки ........................................................ 24
    1.4.3. Базовый логический элемент ТТЛ. Схема, принцип действия .. 28
2. Описание лабораторной работы, рабочие задания .................................... 30
3. Контрольные вопросы .................................................................................. 43
Литература ............................................................................................................. 45


Введение

    Цифровая электроника в настоящее время занимает ключевую роль в
развитии человечества.
    Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе многие десятки
и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти
к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность
отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к
надежности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчете на
отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени
интеграции. В результате на интегральных микросхемах стало возможным
собирать сложнейшие устройства.
    Для получения представления о цифровой электронике необходимо знать
принципы работы цифровых устройств и систем, базовые элементы, типовые
схемы их включения, правила взаимодействия цифровых узлов, способы
построения наиболее типичных цифровых устройств.
    Данный практикум посвящен основам цифровой схемотехники, ее
основным методам, подходам и приемам. Его назначение – описание
основных процессов в цифровых устройствах, формирование представлений
об основных логических элементах, реализуемых на микросхемах КМОП и
ТТЛ, ознакомление с некоторыми устройствами, которые можно реализовать
на базе микросхем K176ЛП1, K561ЛА7, К531ЛА3П.




                                   4


1. Сведения, необходимые для выполнения работ
1.1.    Классификация, назначение и особенности логических элементов

      Цифровым логическим элементом называется физическое устройство,
реализующее одну простую логическую функцию. Схема, составленная из
конечного числа логических элементов по определенным правилам,
называется логической схемой.
      Логические функции, а именно: инверсия, логическое умножение
(конъюнкция) и логическое сложение (дизъюнкция), на практике могут быть
реализованы с помощью определенных логических элементов. В таблице 1
представлены логические элементы, их обозначения в названиях микросхем,
на электрических схемах, а также выполняемые функции.

 Таблица 1.
 Логические элементы
                                        Условное
                          Обозначение в обозначение
 Элемент                  названии      на            Логическая функция
                          микросхемы    электрической
                                        схеме

 НЕ                       ЛН             x         y   yx

                                         x1   &
 И                        ЛИ             x2
                                                   y   y  x1  x2

                                         x1   &
 И-НЕ                     ЛА             x2
                                                   y   y  x1  x2

                                         x1   1
 ИЛИ                      ЛЛ             x2
                                                   y   y  x1  x2

                                         x1   1
 ИЛИ-НЕ                   ЛЕ             x2
                                                   y   y  x1  x2

 Исключающее
 ИЛИ (это более                          x1   =1
 сложная функция, по      ЛП             x2
                                                   y   y  ( x1  x2 )  ( x1  x2 )
 сути          является
 комбинацией логических
 функций)

Примечание: В таблице использованы следующие обозначения:
                  x - инверсия значения x;
                   - логическое умножение (конъюнкция);
                   - логическое сложение (дизъюнкция).
                                   5


     Работу логического элемента принято описывать с помощью таблицы
истинности. В ней указываются все возможные значения входных переменных
логического элемента и состояния на его выходе в соответствии с
выполняемой элементом логической функцией. Логические переменные
могут принимать только два значения – логический ноль или логическая
единица («ЛОЖЬ» или «ИСТИНА»). Пример таблицы истинности для
логического элемента И приведен в таблице 2.

                     Таблица 2.
                     Таблица истинности элемента И
                              Входы            Выход
                         x1           x2         y
                         0            0          0
                         0            1          0
                         1            0          0
                         1            1          1

     Схемы реализации основных логических функций с помощью
логических элементов И-НЕ представлены в таблице 3.
     Заметим, что с одной стороны любая сложная функция может быть
реализована комбинацией основных логических элементов, с другой стороны
любая основная функция может быть схемотехнически реализована
единственным логическим элементом.

    Таблица 3.
    Реализация основных логических функций на основе замещения логическими
    элементами И-НЕ
Название   Условное       обозначение Схема получения логической функции при
логической логического элемента       помощи логических элементов И-НЕ
функции

НЕ
                    1                      А    &
               А

И
               A &                         А   &
                                                       &
               B              C            B                   А·B




                                      6


ИЛИ
                                               &
                A       1                  А
                B               C                      &
                                               &             А
                                           B                 +

ИЛИ-НЕ
               A    1                          &
                                           А
               B            C
                                                       &
                                                                  &
                                               &
                                                                         А+В
                                           B




1.2. Некоторые приборы, реализуемые на основе логических элементов
1.2.1. Дешифраторы

      Дешифратором называют преобразователь двоичного n-разрядного кода
в унитарный 2n-разрядный код, все разряды которого, за исключением одного,
равны единице. Дешифраторы разделяются на полные и неполные. Для
полного дешифратора выполняется условие:

                                    N  2n                               (1)
где     п - число входов (обычно n равно 2, 3 или 4); N — число выходов.
        В неполных дешифраторах имеется п входов, но реализуется N<2n
выходов. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 10 выходов, будет
неполным, а дешифратор, имеющий 2 входа и 4 выхода, будет полным.
        На рис. 1 изображено условное обозначение дешифратора с n = 3.
        На входы x0, x1, x2 можно подать 8 комбинаций логических уровней: 000,
001, 010, …, 111. Схема имеет 8 выходов, на одном из которых формируется
низкий потенциал (логический ноль), а на остальных высокий (логическая
единица). Номер этого единственного выхода, на котором формируется
нулевой уровень, соответствует числу N, определяемому состоянием входов
x0, x1, x2 следующим образом: N = 22  x2+ 21  x1+ 20 x0.




                                       7


                            x0      DC         y0
                            x1                 y1
                                               y2
                            x2                 y3
                                               y4
                                               y5
                                               y6
                            E                  y7


                Рис. 1. Условное обозначение дешифратора 3х8


     В общем виде состояние выходного сигнала yi можно описать
следующей системой условий:
                          0, если i  k ;
                         
                    yi   1, если i  k ;                         (2)
                         k  22  x  21  x  20  x .
                                   2        1        0
      Помимо информационных входов x0, x1, x2 дешифраторы обычно имеют
дополнительные входы управления E. Сигналы на этих входах, разрешают
функционирование дешифратора или переводят его в пассивное состояние,
при котором, независимо от сигналов на информационных входах, на всех
выходах установится уровень логической единицы. Можно сказать, что
существует некоторая функция разрешения, значение которой определяется
состояниями управляющих входов.
      Разрешающий вход дешифратора может быть прямым или инверсным.
У дешифраторов с прямым разрешающим входом активным уровнем является
уровень логической единицы, у дешифраторов с инверсным входом - уровень
логического нуля. Дешифратор, представленный на Рис. 1, имеет один
инверсный вход управления. Принцип формирования выходного сигнала в
этом дешифраторе с учетом сигнала управления описывается следующим
образом:
                           1  E, если i  k ;
                          
                          
                     yi   1, если i  k ;                         (3)
                          k  2  x  2  x  2  x .
                                  2         1     0
                          
                                     2         1   0
      Существуют дешифраторы с несколькими входами управления. Для
таких дешифраторов функция разрешения, как правило, представляет собой
логическое произведение всех разрешающих сигналов управления. Например,
для дешифратора КР555ИД7 с одним прямым входом управления Е1 и двумя
инверсными Е2 и Е3 функция E имеют вид:
                      E  E1  E2  E3                               (4)

                                     8


1.2.2. Мультиплексоры

     Мультиплексором называется логическая схема, представляющая собой
управляемый переключатель, который подключает к выходу один из
информационных входов данных. Номер подключаемого входа равен числу,
определяемому комбинацией логических уровней на адресных входах. Кроме
информационных и адресных входов, схемы мультиплексоров содержат вход
разрешения, при подаче на который активного уровня мультиплексор
переходит в активное состояние. При подаче на вход разрешения пассивного
уровня мультиплексор перейдет в пассивное состояние, для которого сигнал
на выходе сохраняет постоянное значение независимо от значений
информационных и адресных сигналов.
     В зависимости от соотношения числа информационных входов n и числа
адресных входов m мультиплексоры делятся на полные и неполные. Если
выполняется условие n = 2m , то мультиплексор будет полным. Если это
условие не выполняется, т.е. n < 2m , то мультиплексор будет неполным.
Полный мультиплексор обладает более широкими функциональными
возможностями.
     Число информационных входов у мультиплексоров обычно 2, 4, 8 или
16. На рис. 2Рис. 2 представлен мультиплексор 4х1 с инверсным входом
разрешения Е и прямым выходом y, представляющий собой половину
микросхемы мультиплексора КР555КП12.

                               x0        MUX
                               x1
                               x2
                               x3                     y
                               A0
                               A1
                                E

                   Рис. 2. Условное обозначение мультиплексора 4х1


     Выражение для выходной функции такого мультиплексора можно
записать в виде:
           y  x0  ( A0  A1)  x1  ( A0  A1)  x2  ( A0  A1)  x3  ( A0  A1) (5)

где x0, x1, x2, x3 – информационные входы мультиплексора; А0, A1 –
адресные входы мультиплексора.

                                           9


      В общем случае для полного мультиплексора, имеющего m
управляющих (адресных) входов и 2m информационных входов можно
реализовать n-входную логическую функцию. Поскольку каждой комбинации
управляющих входов соответствует единственный информационный вход, на
него следует подавать требуемое значение логической функции, которое и
будет передано на выход мультиплексора.

1.2.3. Триггеры

      Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния,
переход между которыми происходит в результате процессов, обусловленных
наличием в электрической цепи триггера цепей положительной обратной
связи.
       Два устойчивых состояния триггера обозначаются: Q=1(логическая
единица) и Q=0(логический ноль). В каком из этих состояний окажется триггер,
зависит от состояния сигналов на входах триггера и от его предыдущего
состояния, иными словами триггер имеет память. Можно сказать, что триггер
является элементарной ячейкой памяти.
       Тип триггера определяется алгоритмом его работы. В зависимости от
алгоритма работы, триггер может иметь установочные, информационные и
управляющие входы. Установочные входы устанавливают состояние триггера
независимо от состояния других входов. Входы управления разрешают запись
данных,     подающихся      на     информационные       входы.    Наиболее
распространенными являются триггеры RS, JK, D и Т. Условное обозначение
этих триггеров приведено на рис.4

            S T Q           J T Q            D T Q            T T Q
                            C
            R        Q      K   Q            C       Q        C       Q

                RS             JK                D                T

         Рис. 3. Условное изображение триггеров: RS-, JK-, D- и Т-типа




                                        10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика