Исследование элементов

center">    

    Так как входы схемы И в данном случае не развязаны от ее выхода, то при построении логических цепей надо следить за тем, чтобы входы различных нагрузок подключались к разным объединенным коллекторам. Если входные сигналы поступают от внешних схем, функцию И осуществить значительно сложнее, так как необходима электрическая развязка входов. Функции И и И — НЕ для двух переменных реализуются на трех одноколлекторных и двух двухколлекторных транзисторах (рис. I. 21).

    Схемы, содержащие ячейки двухступенчатой  логики (И — ИЛИ, И — ИДИ  — НЕ и т. п.), не реализуются в  виде базовых вентилей в схемах с инжекционным питанием.

    Методы  проектирования цифровых БИС, выполняющих  сложные логические функции, зависят от типа применяемой элементарной логической схемы (ИЛИ — НЕ или И, НЕ) и состоят из трех основных этапов.

    Этап 1. Логические функции записываются и минимизируются либо в базисе ИЛИ — НЕ, если в качестве элементарной схемы И²Л-типа выбрана схема ИЛИ — НЕ, либо в базисе И, НЕ (причем в исходной функциональной схеме минимальным должно быть число логических ячеек НЕ, так как функция И реализуется без транзисторов).

    Этап 2. Разрабатывается функциональная схема на многоколлекторных транзисторах. Она определяет число транзисторов, число их коллекторов, в том числе управляющих, связи между электродами различных транзисторов, а также связи с внешними выводами. В функциональной схеме не отражаются форма и взаимное расположение транзисторов между собой и относительно инжектора.

    Этап 3. Создание структурной схемы, учитывающей форму и взаимное расположение транзисторов между собой и относительно инжектора.

    Выделение этапов 2 и 3 весьма условно, так как  для некоторых модификаций элементов И²Л-типа проектирование должно начинаться с создания структурной схемы.

    

      

    Рис. I. 22. Топология «исключающего ИЛИ». 

    На  рис. I. 22 показана топология «исключающего ИЛИ», отражающая не только электрические связи между транзисторами, но и взаимное расположение транзисторов, внешних выводов и конфигурацию инжектора. Размеры элементов и проводников зависят от используемой технологии. Если в качестве внешнего вывода берется общий проводник, соединяющий базу транзистора T₇ и коллекторы транзисторов Т₃ и Т₄, то полученную схему можно использовать как полусумматор, причем выход у будет являться выходом суммы, а дополнительный вывод — выходом переноса.

    Если  при построении функциональной схемы на многоколлекторных транзисторах исходная функциональная схема выполняется на логических ячейках И, НЕ, И — НЕ, то они заменяются многоколлекторными транзисторами, число коллекторов которых равно числу нагрузок на выходе ячейки. Функция И реализуется объединением проводников, в которых формируются логические сигналы. При этом особое внимание нужно обратить на входные цепи устройства.

    Если  какой-либо вход на функциональной схеме  соединен со входами нескольких ячеек, то эти входы должны быть развязаны дополнительным многоколлекторным транзистором, подключением к его коллекторам входов указанных ячеек. Инверсия входного сигнала, вызванная дополнительным транзистором, устраняется следующим дополнительным транзистором (в некоторых случаях последний транзистор можно не использовать).

    

    Интегральные  инжекционные логические схемы являются одним из наиболее перспективных  направления развития БИС. Темпы  внедрение в производство элементов  И²Л-типа были поразительно быстрыми. Меньше чем через два года после того, как об этих схемах стало известно, был выпущен четырехразрядный микропроцессор на элементах И²Л-типа. К настоящему времени разработано большое количество нестандартых (заказных) БИС,  стандартных ЗУ с произвольной выборкой, дешифраторов ЗУ, стабилизаторов тока, аналоговых схем, линейных схем управления, компараторов, операционных усилителей, БИС микропроцессоров и т. п.

    Структуры с инжекционным питанием все время совершенствуются по следующим направлениям: применяются диоды Шотки (переходы металл — полупроводник) для реализации логических функций, а также для уменьшения логического перепада; создаются структуры с низкоомным эмиттером и ограничиваются размеры активной (инжектирующей) части эмиттерного перехода до размеров коллектора; применяются металлический коллектор, логические ячейки с управляемой инжекцией; разрабатываются линейные схемы; схемы памяти и т. п.

    Преимущество  схем И²Л-типа — в топологии их базового вентиля, в которой отсутствуют нагрузочные резисторы, имеющиеся, например, в схемах ТТЛ-типа. В схеме И²Л-типа отсутствуют изолирующие области, из-за чего резко снижаются размеры компонентов, паразитные составляющие компонентов и увеличивается быстродействие, которое, в свою очередь, может изменяться в широких пределах в зависимости от выбора тока инжектора. Произведение быстродействия на мощность у схем И²Л-типа более чем в 1000 раз меньше, чем у самых распространенных элементов ТТЛ-типа. Практически все внутрисхемные соединения, кроме шин питания, используются для создания функциональных связей, в то время как в обычных схемах значительная их часть представляет собой соединения внутри ячеек. Схемы И²Л-типа — универсальные схемы, так как позволяют реализовать на одном кристалле как цифровые, так и линейные схемы.

    

    Несмотря  на большие успехи в области разработки БИС на элементах И²Л-типа, разработчикам и технологам предстоит решить еще много сложных задач.[1]      
 
 

 

2. СЧЕТЧИКИ.

    II. 1. Основные сведения о счетчиках.

    Понятие "счетчик" является очень широким. К счетчикам относят автоматы, которые под действием входных импульсов переходят из одного состояния в другое, фиксируя тем самым число поступивших на их вход импульсов в том или ином коде.

    Специфичной для счетчиков операцией является изменение их содержимого на единицу (может быть и условную). Прибавление такой единицы соответствует операции инкрементации, вычитание — операции декрементации. Обычно счетчиками выполняются также и другие операции — сброс, установка, параллельная загрузка и др.                                                                               

    Счетчик характеризуется модулем счета М (емкостью). Модуль определяет число возможных состоянии счетчика. После поступления на счетчик М входных сигналов начинается новый цикл, повторяющий предыдущий.[2]

    II. 2. Классификация счетчиков

    По  способу кодирования внутренних состояний различают двоичные счетчики, счетчики Джонсона, счетчики с кодом "1 из N" и др. По направлению счета счетчики делятся на суммирующие (прямого счета), вычитающие (обратного счета) и реверсивные (с изменением направления счета).

    По  принадлежности к тому или иному  классу автоматов говорят о синхронных или асинхронных счетчиках (более подробную классификацию по этому признаку не затрагиваем, учитывая реальный состав микросхем счетчиков). Счетчики строятся из разрядных схем, имеющих межразрядные связи. Соответственно организации этих связей различают счетчики с последовательным, параллельным и комбинированными переносами. Возможные режимы работы счетчика:

• регистрация числа поступивших на счетчик сигналов;
• деление частоты.

    

    В первом режиме результат — содержимое счетчика, во втором режиме выходными сигналами являются импульсы переполнения счетчика. Быстродействие счетчика характеризуется временем установления в нем нового состояния (первый режим), а также максимальной частотой входных сигналов f_max.

    Как и любой автомат, счетчик можно  строить на триггерах любого типа, однако удобнее всего использовать для этого триггеры типа Т (счетные) и JK, имеющие при J = К = 1 счетный режим.

    Состояние   счетчика   читается   по   выходам   разрядных   схем   как   слово Q_n-1Q_n-2…Q₀, входные сигналы поступают на младший разряд счетчика. Двоичным счетчиком назовем счетчик, имеющий модуль М = 2ⁿ, где n — целое число, и естественную последовательность кодов состояний (его состояния отображаются последовательностью двоичных чисел, десятичными эквивалентами которых будут числа 0, 1, 2, 3,..., М-1).                                       

    II. 3. Двоичные счетчики                                                                                              

    Схему двоичного счетчика можно получить с помощью формального синтеза, однако более наглядным путем представляется эвристический. Таблица истинности двоичного счетчика — последовательность двоичных чисел от нуля до М— 1. Наблюдение за разрядами чисел, составляющих таблицу, приводит к пониманию структурной схемы двоичного счетчика. Состояния младшего разряда при его просмотре по соответствующему столбцу таблицы показывают чередование нулей и единиц вида 01010101..., что естественно, т. к. младший разряд принимает входной сигнал и переключается от каждого входного воздействия. В следующем разряде наблюдается последовательность пар нулей и единиц вида 00110011... . В третьем разряде образуется последовательность из четверок нулей и единиц 00001111... и т.д. Из этого наблюдения видно, что следующий по старшинству разряд переключается с частотой, в два раза меньшей, чем данный.

    

    Известно, что счетный триггер делит  частоту входных импульсов на два. Сопоставив этот факт с указанной выше закономерностью, видим, что счетчик может быть построен в виде цепочки последовательно включенных счетных триггеров рис. II. 3. 1 .  

    Рис. II. 3. 1. Структура последовательного счета.

    Заметим, кстати, что согласно ГОСТу входы элементов изображаются слева, а выходы справа. Соблюдение этого правила ведет к тому, что в числе, содержащемся в счетчике, младшие разряды расположены левее старших.

    Представление счетчика цепочкой Т-триггеров справедливо  как для суммирующего, так и для вычитающего вариантов, поскольку закономерность по соотношению частот переключения разрядов сохраняется как при просмотре таблицы сверху вниз (прямой счет), так и снизу вверх (обратный счет). Различия при этом состоят в направлении переключения предыдущего разряда, вызывающего переключение следующего. При прямом счете следующий разряд переключается при переходе предыдущего в направлении 1-0, а при обратном— при переключении 0-1. Следовательно, различие между вариантами заключается в разном подключении входов-триггеров к выходам предыдущих. Если схема строится на счетных триггерах с прямым динамическим управлением, то характер подключения следующих триггеров к предыдущим для получения счетчиков прямого и обратного счета будет соответствовать рис. II. 3. 2. 

    Рис. II. 3. 2. Реализация последовательного счетчика на триггерах с прямым динамическим управлением.

    

    Из  различия вариантов прямого и  обратного счета следует также  и способ построения реверсивного счетчика рис. II. 3. 3 путем переноса точки съема сигнала с триггера на противоположный выход под действием управляющего сигнала и с помощью элемента И-ИЛИ-НЕ, как показано на рисунке, либо элемента И-ИЛИ. 

    Рис. II. 3. 3. Межразрядные связи реверсивного счетчика.

    Полученные  структуры относятся к асинхронным счетчикам, т. к. в них каждый триггер переключается выходным сигналом предыдущего, и эти переключения происходят не одновременно. Переключение одного триггера за другим есть не что иное, как распространение переноса по разрядам числа при изменении содержимого счетчика. В худшем случае перенос распространяется по всей разрядной сетке от младшего разряда к старшему, т. е. Для установления нового состояния должны переключиться последовательно все триггеры. Отсюда видно, что время установления кода в асинхронном счетчике составит величину t_ycт ≤nt_тг, где t_ycт – время установления кода в счетчике, а t_тг – время установления кода в триггере. Другим названием асинхронного счетчика является название "последовательный счетчик".

    Максимальная  частота входных импульсов в  режиме деления частоты огранивается возможностями триггера младшего разряда, т. к. все последующие разряды переключаются с более низкими частотами.

    Особенностью  последовательных счетчиков  является возникновение  в переходных процессах ложных состояний из-за задержек переключения триггеров.

      

    Рис. II. 3. 4. Временные диаграммы работы последовательного двоичного счета.

    На  рис. II. 3. 4 показана временная диаграмма работы двухразрядного суммирующего счетчика на триггерах с прямым динамическим управлением, построенная с учетом задержек переключения триггеров t_тг. Читая состояние счетчика Q по потенциалам на выходах триггеров Q_o и Q₁, видим, что после состояний 1 и 3 появляются ложные состояния 0 и 2 (показаны штриховкой). Опасность воздействия коротких ложных импульсов на ЦУ заставляет прибегать при необходимости к стробированию выхода счетчика.