Elementy cyfrowe i układy logiczne Wykład № 4 Dr Galina Cariowa

Legenda Narzędzia projektowania układów cyfrowych: Podział układów logicznych Narzędzia projektowania układów cyfrowych: a) hierarchia projektowa; b) projektowanie metodą zstępującą; c) narzędzia komputerowego wspomagania projektowania; d) języki opisu sprzętu; e) synteza logiczna. Układy cyfrowe, układy scalone Parametry technologiczne realizacji układu Układy TTL, CMOS

Podział układów

Układ kombinacyjny Układem kombinacyjnym nazywamy taki układ cyfrowy, w którym stan wejść jednoznacznie określa stan wyjść układu. Skład układu kombinacyjnego: zmienne wejściowe, zmienne wyjściowe, bramki logiczne, połączenia między tymi elementami. Układ kombinacyjny może być określony za pomocą: 1) tablicy prawdy; 2) m funkcji boolowskich- po jednej dla każdej zmiennej wyjściowej.

Przykłady układów kombinacyjnych 1. Najprostszym przykładem układu kombinacyjnego są bramki logiczne. 2. Bloki kombinacyjne: sumatory, komparatory, dekodery, kodery, multipleksery, demultipleksery.

Układ sekwencyjny Układem sekwencyjnym nazywamy taki układ cyfrowy, w którym stan wyjść zależy od stanu wejść oraz od poprzednich stanów układu. Układy sekwencyjne zawierają elementy, które zapamiętują wartości bitowe (zatrzaski, przerzutniki).

Metody projektowania układów logicznych: Projektowanie hierarchiczne Zstępująca metoda projektowania

Projektowanie hierarchiczne Złożony system cyfrowy może zawierać miliony połączonych bramek. Złożony system nie może być projektowany przez łączenie pojedynczych bramek. Projektowanie układów kombinacyjnych jest oparte na zasadzie „dziel i rządź”.

Hierarchia projektowa Układ jest dzielony na kawałki (bloki). Bloki są łączone w taki sposób, że tworzą układ. Funkcje tych bloków oraz ich interfejsy są dokładnie zdefiniowane. Układ utworzony z połączonych ze sobą bloków jest zgodny ze specyfikacją układu. Ten proces może być powtórzony w razie potrzeby.

Hierarchia projektowa Blok EXOR Blok 3-wejściowej funkcji kontroli nieparzystości Przy przemieszczaniu w dół z wyższego poziomu symbole są zastępowane schematami, które reprezentują implementację danego symbolu.

Hierarchia projektowa (drzewiasta) Strukturę hierarchii można przedstawić bez zaznaczania wzajemnych połączeń. Rozpoczynając od bloku najwyższego poziomu łączymy z nim każdy z bloków niższego poziomu, z których jest zbudowany.

Hierarchia - diagram tylko jedna kopia każdego układu „Liście” tego drzewa stanowią bramki NAND (bramki podstawowe).

Zalety stosowania hierarchii Uzyskujemy uproszczoną reprezentację złożonego układu (zamiast 32 bloków NAND w schemacie układu tylko 10 symboli użytych w hierarchii). 2. Hierarchia mogłaby kończyć się na blokach EXOR, które mogą być uważane za bloki predefiniowane (oznaczone symbolami, lecz nie schematami logicznymi, ich funkcje można zdefiniować przy użyciu programu lub opisu, który służy jako model). 3. Możliwość wielokrotnego wykorzystania bloków.

Projektowanie-metoda zstępująca (ang. top down) „z góry na dół”

Synteza ręczna Synteza układu kombinacyjnego może być podzielona na następujące etapy: Określenie funkcji logicznej rozpatrywanego problemu. Minimalizacja funkcji logicznej. Sporządzenie schematu układu logicznego realizującego zminimalizowaną funkcję logiczną. Weryfikacja schematu układu logicznego.

Projektowanie wspomagane komputerowo (CAD – computer - aided design)

Struktura procesu projektowania na wysokim poziomie, zawierająca etapy Struktura procesu projektowania na wysokim poziomie, zawierająca etapy syntezy logicznej.

Układ cyfrowy Układ cyfrowy- układ skonstruowany z układów scalonych. Pierwszy układ scalony zbudował Jack Kilby z Texas w roku 1958, za co otrzymał nagrodę Nobla z fizyki w 2000.

Układ cyfrowy

Układy scalony Układ scalony – (ang. intergrated circuit, chip) – kawałek krzemowej płytki półprzewodnikowej, zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory. Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie – szklanej, metalowej, ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego.

Układy scalony Z zewnątrz układ scalony przypomina małą kostkę z wyprowadzonymi metalowymi końcówkami, do których doprowadzamy lub z których pobieramy sygnały elektryczne. Wewnątrz układu scalonego wyprowadzenia są połączone z małą płytką silikonową, na której utworzono strukturę elektroniczną złożoną z setek lub tysięcy tranzystorów.

Układy scalony Zaciski (nóżki) każdego układu scalonego są odpowiednio numerowane. Na obudowie znajduje się małe wycięcie lub mała dziurka. Układ ustawiamy nóżkami w dół tak, aby wcięcie na obudowie znalazło się po stronie lewej. Wtedy numeracja nóżek rozpoczyna się od lewego dolnego rogu i biegnie wokół układu scalonego.

Podział układów scalonych Ze względu na sposób wykonania rozróżnia się układy: • monolityczne, w których wszystkie elementy wykonane są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika; • hybrydowe, w których na płytki wykonane z izolatora nanoszone są warstwy przewodnika oraz materiału rezystywnego, które następnie są wytrawiane. Ze względu na grubość warstw rozróżnia się układy: • cienkowarstwowe (warstwy ok. 2 mikrometrów); • grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50 mikrometrów).

Układy scalone Większość stosowanych obecnie układów scalonych jest wykonana w technologii monolitycznej. W układach monolitycznych wszystkie elementy wykonuje się jako tranzystory. gęstość upakowania tranzystorów na mm. kw.

Układy monolityczne W dominującej obecnie technologii wytwarzania monolitycznych układów scalonych CMOS wskaźnikiem gęstości upakowania jest minimalna długość bramki tranzystora wyrażona w mikrometrach lub nanometrach. W najnowszych technologiach minimalna długość bramki wynosi 45nm. Im mniejsza jest "liczba technologii”, tym upakowanie tranzystorów oraz ich szybkość działania jest większe.

Podział układów ze względu na stopień scalenia Malej skali integracji (SSI – small scale of integration) liczba bramek <10 i ograniczona liczbą dostępnych zacisków wewnętrznych Średniej skali integracji (MSI – medium scale of integr.) około 10 – 100 bramek w jednej obudowie Dużej skali integracji (LSI – large scale of integr.) od 100 do kilku tysięcy bramek: małe procesory, małe pamięci, moduły programowalne. Wielkiej skali integracji (VLSI – very large scale of int.) od kilku tysięcy do dziesiątek milionów bramek: mikroprocesory, cyfrowe procesory analogowe. Ultrawielkiej skali integracji (ULSI – ultra large scale of integration )

Układy scalone Cyfrowe układy scalone są wytwarzane w dwu zasadniczych odmianach aplikacyjnych – układy uniwersalne i układy specjalizowane (ASIC – Application Specific Integrated Circts). Pierwsze z nich są produkowane we wszystkich stopniach scalenia do uniwersalnych zastosowań. Układy grupy ASIC są natomiast wyłącznie układami LSI i VLSI. Umożliwiają one zmniejszenie rozmiarów, mocy strat i kosztu projektowanych urządzeń.

Parametry technologiczne realizacji układu:

Parametry technologiczne realizacji układu: Wyjścia bramek można łączyć z wejściami innych ` bramek logicznych. W ten sposób powstaje sieć logiczna realizująca złożoną funkcję logiczną. Samych wyjść nie wolno ze sobą łączyć, ponieważ prowadzi to do zwarcia i w konsekwencji do uszkodzenia bramki.

Obciążalność wejściowa

Obciążalność wyjściowa Każde wejście bramki dołączone do wyjścia innej bramki pobiera z niej pewien prąd elektryczny. Wyjścia bramek mogą dostarczyć tylko określoną ilość prądu. Wynika z tego, iż do typowego wyjścia można podłączyć ograniczoną ilość wejść innych bramek. Parametr ten nosi nazwę obciążalności wyjścia bramki. Zwykle przyjmuje się go na poziomie 10 dla zwykłych bramek TTL oraz 30 dla bramek o zwiększonej mocy wyjściowej.

Obciążalność wyjściowa Obciążalności wyjściowej bramki nie należy przekraczać, gdyż może to spowodować niestabilność sieci logicznej, a nawet spalenie niektórych jej elementów. Do bramek CMOS reguła ta się nie odnosi, ponieważ pobierają one bardzo mały prąd wejściowy - mówimy, iż posiadają dużą oporność wejściową.

Obciążalność wyjściowa. Pomiar obciążalności wyjściowej. Jeden ze sposobów pomiaru polega na zastosowaniu obciążenia standardowego. Każde wejście bramki sterowanej stanowi obciążenie wyjścia bramki sterującej, mierzone w standardowych jednostkach.

Obciążalność wyjściowa Rzeczywista obciążalność wyjściowa bramki, określona za pomocą obciążeń standardowych, ma wpływ na czas propagacji bramki. Przykład: Obliczyć opóźnienie 4-wejściowej bramki NAND jeżeli jej wyjście jest połączone z następującymi wejściami bramek: 4-wejsciowy NOR – 0,8 standardowego obciążenia 3-wejsciowy NAND – 1,0 standardowego obciążenia inwerter – 1,0 standardowego obciążenia stałe opóżnienie opóźnienie standardowego obciążenia liczba obciążeń standardowych na wyjściu (SL - suma standardowych obciążeń sterowanych przez bramkę)

Obciążalność wyjściowa W trakcie etapu procesu projektowego związanego z wyborem technologii realizacji zarówno obciążalność wejściowa jak i wyjściowa muszą być określane.. Bramki o obciążalności wejściowej (wyjściowej) większej od dopuszczalnej w danej technologii mogą być zaimplementowane za pomocą większej liczby bramek.

Opóźnienie propagacji Napięcie na wyjściu nie zmienia się natychmiast po zmianie poziomu napięć wejściowych, lecz po pewnym czasie - typowo po 10 ns. Jest to spowodowane tym, iż tranzystory wewnątrz bramki muszą się odpowiednio po przełączać, a to wymaga czasu.

Opóźnienie propagacji Czas propagacji bramki logicznej określa po jakim czasie od zmiany napięć wejściowych ustali się napięcie na wyjściu. Im mniejszy czas propagacji, tym szybciej może pracować bramka. Czas propagacji dla sieci logicznej jest sumą czasów propagacji bramek, poprzez które przechodzi kolejno sygnał logiczny.

Opóźnienie propagacji ( dla inwertera) Sposób określenia czasu opóźnienia propagacji:

Modele opóźnień Czas pochłaniania ma ściśle określoną wartość, nie mniejszą niż czas propagacji i często mu równą.

Modele opóźnień Propagation Delay = 2.0 ns Rejection Time = 1 .0 ns A A B: Z opóźnieniem transportowym(TD) inercyjnym (ID) B Time (ns) 4 2 6 8 10 12 14 16 Bez opóźnienia (ND) a b c d e Propagation Delay = 2.0 ns Rejection Time = 1 .0 ns

Klasy układów cyfrowych

Technologie wytwarzania TTL Najstarszą rodziną układów scalonych są układy TTL. Skrót ten pochodzi od angielskiej nazwy Transistor-Transistor-Logic i oznacza technologię, w której do budowy pojedynczego obwodu logicznego stosuje się wiele tranzystorów bipolarnych w jeden układ. Układy TTL są zasilane napięciem stałym 5v.

Układy TTL Poziomy napięć i prądów wejścia i wyjścia zdefiniowane przez standard. Charakterystyczne parametry dla tej technologii: duży pobór prądu (około 10 mW na bramkę); mała prędkość (10 ns na bramkę); duża obciążalność wyjścia (możliwość sterowania 10 bramek TTL).

Odmiany układów TTL Technologia Pobór prądu Prędkość TTL-L mały mała TTL-S bardzo duży duża TTL-H duży bardzo duża TTL-LS TTL-F ekstra duża

Odmiany układów TTL L (Low power) – wersja o małym poborze mocy, ale wolniejsza od standardowej. Nie zyskała popularności, natychmiast zastąpiona układami CMOS serii 4000. S (Schottky) – odmiana szybka, której tranzystory zawierają dodatkową diodę Schottky’ego. H (High speed) - wersja szybsza od standardowej, ale o większym poborze mocy niż standardowa.

Odmiany układów TTL LS (Low power Schottky) – wersja S o znacznie niższym poborze prądu, zbliżonym do standardowej bramki. Główna seria układów TTL, stosowana w większości zastosowań. F (Fast) – nowoczesna, najszybsza seria TTL.

Układy TTL W praktyce inżynierskiej układy TTL są traktowane jako układy uniwersalne. Dzięki dużemu asortymentowi typów i wielu odmian serii układy TTL dominują w zastosowaniach sprzętowych, wykorzystujących układy SSI i MSI. Konkurencyjne do nich są układy CMOS, a zwłaszcza ich odmiany szybkie (HCMOS i ACL).

Technologie CMOS (ang. Complementar Metal Oxid- Silicium) Symbol C oznacza, że bramki wykonane są techniką komplementarną, tzn. podstawowym elementem jest komplementarna para tranzystorów unipolarnych MOS, których podstawową cechą jest bardzo duża rezystancja wejściowa. Oznacza to, że jeden typ tranzystora przełączany jest napięciem odpowiadającym 0 logicznemu na bramce, drugi - przy napięciu odpowiadającym 1 logicznej. Napięcie zasilania układów typu CMOS mieści się w przedziale 5 ÷ 15 V.

Technologie CMOS Poziomy napięć i prądów wejścia i wyjścia zdefiniowane przez standard. Charakterystyczne parametry dla tej technologii: Ultra mały pobór prądu; Stosunkowo duża prędkość; Stosunkowo duża obciążalność wyjścia dla bramek CMOS (możliwość sterowania 1 bramki TTL - LS).

Odmiany układów CMOS

Oznaczenia układów CMOS

Oznaczenia układów CMOS Przykład: HCA712S34 Trzecia litera określa przeznaczenie układu scalonego: A - do zastosowań specjalnych, Y - do zastosowań profesjonalnych, T - do zastosowań profesjonalnych o podwyższonej niezawodności, Q - do zastosowań specjalnych o podwyższonej niezawodności, X - prototypowe, doświadczalne lub na zamówienia. brak litery- do zastosowań w sprzęcie powszechnego użytku.

Oznaczenia układów CMOS Przykład: HCA712S34 Pierwsza cyfra określa zakres dopuszczalnej temperatury otoczenia podczas pracy w °C: 4 - od -55 do +85 5 - od -35 do +125 6 - od -40 do +85 7 - od 0 do +70 8 - od -25 do +85

Oznaczenia układów CMOS Przykład: HCA712S34

Zakłócenia w systemie cyfrowym Zakłóceniami nazywamy niepożądane sygnały elektryczne występujące na połączeniach w systemie. Powstają na wskutek przełączania bramek, a przenoszone są poprzez promieniowanie elektromagnetyczne. Źródło zakłóceń może być poza systemem. Układy cyfrowe muszą być niewrażliwe na zakłócenia o pewnym poziomie i powinny pracować poprawnie przy ich występowaniu. Margines zakłóceń jest wartością zakłóceń, które nie powodują błędnej pracy elementów systemu. Jest to dopuszczalna wartość napięcia zakłóceń, wyznaczona z różnicy odpowiednich gwarantowanych wartości napięć wyjściowych bramki i akceptowanych dla danych stanów logicznych wartości stanów wejściowych.

Parametry układów CMOS i TTL

Podstawowe układy TTL. Seria 74xx. Seria 74xx była jedną z najważniejszych historycznie serii monolitycznych układów scalonych. Oryginalną serię 74xx stanowiły układy typu Transistor - Transistor Logic (TTL) o napięciu zasilania 5V. Jako pierwsza do masowej produkcji wprowadziła te układy firma Texas Instruments w roku 1961.

7400: 4x 2-wejściowe bramki NAND SN 7400 – jeden z pierwszych cyfrowych układów scalonych, pierwotnie produkowany przez firmę Texas Instruments, wykonany w technologii TTL. Zawiera cztery dwuwejściowe bramki logiczne NAND. Jest to układ 14-nóżkowy.

7402: 4x2-wejściwe bramki NOR SN 7402 – jeden z pierwszych cyfrowych układów scalonych zawierający w swym wnętrzu cztery dwuwejściowe bramki NOR. Układ umieszczany jest w obudowie o 14 wyprowadzeniach. W czasach dominacji technologii TTL był to jeden z podstawowych elementów tworzących cyfrowe układy elektroniczne.

7406: 6 x inwerter 7406 − 6−krotny inwerter z wysokonapięciowym wyjściem (do +30V) typu otwarty kolektor. Obciążalność każdej bramki wynosi dodatkowo 10 wejść TTL.

7408 : 4 x 2-wejściowe bramki AND

7410 : 3 x 3-wejściowe bramki NAND

7411 : 3 x 3-wejściowe bramki AND

7430 : 1 x 8-wejściowa bramka NAND

Seria 74XX W okresie największej popularności układów TTL, (lata 70. i 80.), seria ta obejmowała ponad 300 pozycji katalogowych. W późniejszych czasach część układów serii 74xx pojawiła się w seriach, wykonywanych w technologiach TTL- LS (o obniżonym poborze mocy) oraz TTL- S (o podwyższonej szybkości), opartych o tranzystory Schottky’ego. W latach 90. układy bipolarne TTL zaczęły ustępować miejsca układom CMOS.

Seria 74XX W obrębie danej serii, poszczególne układy scalone mogły być łatwo łączone ze sobą bez dodatkowych układów dopasowujących. Było to dużym ułatwieniem dla projektantów, którzy mogli skoncentrować się na logicznych aspektach tworzonego układu. Podczas łączenia układów z różnych serii, należy dodatkowo rozważyć dopasowanie poziomów napięć, szybkości pracy, oraz obciążalności wyjść.

Układy TTL. PHilips STMicroelectronocs Fairchild Texas Instruments Znane producenty układów z serii TTL : PHilips STMicroelectronocs Fairchild Texas Instruments

Układy TTL W miarę upływu czasu pewne technologie stają się przestarzałe i dlatego starzeją się technologicznie również układy scalone. Najświeższe serie TTL to: serie ALS, F i AS, natomiast serie LS, S i w szczególności standardowa (TTL) stają się już przestarzałe. Układy TTL generalnie ustępują miejsca nowszym technologiom CMOS i BiCMOS, zwłaszcza niskonapięciowym (LV – Low Voltage).

Dziękuję za uwagę