Предмет «Архитектура аппаратных средств» Презентация 15


Чтобы посмотреть презентацию с оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов:

Логические элементыУстройство и принцип работы Резисторно-транзисторная логика (РТЛ) — технология построения логических электронных схем на базе простых транзисторных ключей.Устройство и принцип работы Коллектор транзистора (ключа) соединён через резистор с шиной питания (как правило +3,15В — половина накала лампы), а эмиттер с корпусом. К базе подключены резисторы, являющиеся входами. При отсутствии напряжения на всех входах - транзистор закрыт, и на выход через резистор поступает напряжение, близкое к напряжению питания, то есть логическая единица на выходе при нолях на входе при позитивной логике. При наличии напряжения хоть на одном из входов, ключ открывается и закорачивает выход на корпус. При этом он «просаживает» выходное напряжение почти до нуля. Таким образом РТЛ-элемент выполняет функцию ИЛИ-НЕ в позитивной логике или И-НЕ в негативной.Резисторно-транзисторная логикаЭлемент 2ИЛИ-НЕ на основе РТЛ (в позитивной логике) Достоинства:Конструктивная простота;Низкая стоимость.Недостатки:Высокая рассеиваемая мощность (как на включенном ключе так и на резисторах);Нечёткий уровень сигналов (уровень единицы от ~0,9В до напряжения питания);Крайне низкое быстродействие;Низкая помехоустойчивость;Сложность разработки;Низкая нагрузочная способность выходов (обычно не более трёх входов других элементов).После перехода на интегральные микросхемы РТЛ-логика практически исчезла и применяется только в специальных целях.Достоинства и недостатки РТЛ Диодно-транзисторная логикаДиодно-транзисторная логика (ДТЛ), англ. Diode–transistor logic (DTL) — технология построения цифровых схем на основе биполярных транзисторов, диодов и резисторов. Своё название технология получила благодаря реализации логических функций (например, 2И) с помощью диодных цепей, а усиления и инверсии сигнала — с помощью транзистора. Принцип работыПоказанная на рисунке схема представляет собой типичный элемент 2И-НЕ. Если хотя бы на одном из входов уровень логического нуля, то ток течет через R1 и диод во входную цепь. На анодах диодов напряжение 0,7 В, которого недостаточно для открывания транзистора. Транзистор закрыт. На выходе формируется уровень логической единицы. Если на все входы поступает уровень логической единицы, ток течет через R1 на базу транзистора, образуя на анодах диодов напряжение 1,4 В. Поскольку напряжение уровня логической единицы больше этой величины, входы диодов обратносмещены и не участвуют в работе схемы. Транзистор открыт в режиме насыщения. В транзистор втекает ток нагрузки, по величине значительно больший тока нагрузки в состоянии логической единицы.Упрощённая схема двухвходового ДТЛ-элемента 2И-НЕ. Основное преимущество ДТЛ перед более ранней технологией РТЛ — возможность создания большого числа входов. Задержка прохождения сигнала по-прежнему достаточно высока, из-за медленного процесса утечки заряда с базы в режиме насыщения (когда все входы имеют высокий уровень) при подаче на один из входов низкого уровня. Эту задержку можно уменьшить подключением базы транзистора через резистор к общему проводу или к источнику отрицательного напряжения. В более современной и эффективной технологии ТТЛ данная проблема решена путём замены диодов на мультиэмиттерный транзистор. Это также уменьшает площадь кристалла (в случае реализации в виде интегральной схемы), и соответственно позволяет добиться более высокой плотности элементов. Однако в ещё более современных и эффективных микросхемах ТТЛ (74S, 74LS, 74AS, 74ALS, 74F) с диодами Шоттки (ТТЛШ, ТТЛ Шоттки), фактически произошёл возврат к ДТЛ, на основе новой технологии —диодах и транзисторах Шоттки[1]. Эти серии многоэмиттерного транзистора не содержат, фактически являются ДТЛ, и носят название ТТЛ (ТТЛШ) лишь «по традиции», будучи развитием именно ДТЛПреимущества и недостатки ДТЛЛогический элемент 3И-НЕ в серии микросхем 74LS(К555) Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики). Простейший базовый элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ, в принципе повторяет структуру ДТЛ микросхем и в то же время за счёт использования многоэмиттерного транзистора, объединяет свойства диода и транзисторного усилителя что позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы. ТТЛ получила широкое распространение в компьютерах, электронных музыкальных инструментах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и автоматике (КИПиА). Благодаря широкому распространению ТТЛ входные и выходные цепи электронного оборудования часто выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Важность ТТЛ заключается в том, что ТТЛ-микросхемы оказались более пригодны для массового производства и при этом превосходили по параметрам ранее выпускавшиеся серии микросхем (резисторно-транзисторная и диодно-транзисторная логика).Транзисторно-транзисторная логикаУпрощённая схема элемента 2И-НЕ.SN7400N При работе ТТЛ-логики наблюдаются достаточно сильные всплески токов (особенно на выходе), которые могут создавать паразитные наводки на цепях питания, приводя к сбоям самих ТТЛ элементов. Для борьбы с этим явлением необходимо руководствоваться следующими правилами: Питание ТТЛ микросхем организуется в виде двух шинок (обычно из медных или латунных полос) с короткими отводами печатных дорожек к выводам питания. При многослойном монтаже выделяются отдельные слои для шинок питания. Применение разветвлённых дорожек питания запрещено. Между шинками питания устанавливаются блокировочные конденсаторы с малой паразитной индуктивностью (керамические или слюдяные). Минимальная ёмкость, количество блокировочных конденсаторов определяется инструкцией по монтажу ТТЛ-микросхемы. Не всегда все имеющиеся входы ТТЛ элемента используются в конкретной схеме. Если по логике работы на входе необходим нулевой сигнал, то неиспользуемые входы соединяются с общим проводом. Для собственно ТТЛ-схемы не используемые входы можно никуда не подключать, но из-за паразитной ёмкости будет появляться задержка прохождения сигнала (около 2 нс на один вход), кроме того, на не присоединённые входы могут наводиться помехи. У ТТЛШ оставлять не подключёнными неиспользуемые входы запрещено. Можно соединить используемые и не используемые входы (если это допустимо по схеме), но это увеличивает нагрузку на источник сигнала и также увеличивает задержку. Неиспользуемые входы можно присоединить к выходу инвертирующего элемента, входы которого подсоединяются к общему проводу. Неиспользуемые входы можно присоединить к источнику питания через резистор - для одних серий (количество одновременно подключаемых входов к одному резистору и величина этого сопротивления регламентируются соответствующими инструкциями) или непосредственно к питанию - для других.Особенности применения микросхем с ТТЛ логикой Эми́ттерно-свя́занная ло́гика (ЭСЛ, ECL) — способ построения логических элементов на основе дифференциальных транзисторных каскадов. ЭСЛ является самой быстродействующей из всех типов логики, построенной на биполярных транзисторах. Это объясняется тем, что транзисторы в ЭСЛ работают в линейном режиме, не переходя в режим насыщения, выход из которого замедлен. Низкие значения логических перепадов в ЭСЛ-логике способствуют снижению влияния на быстродействие паразитных ёмкостей[1]. Основная деталь ЭСЛ-логики — схема потенциального сравнения, собранная не на диодах (как в ДТЛ), а на транзисторах. Схема представляет собой транзисторы, соединённые эмиттерами и подключенные к корпусу (или питанию) через резистор. При этом транзистор, у которого напряжение на базе выше, пропускает через себя основной ток. Как правило, один транзистор в схеме сравнения подключен к опорному уровню, равному напряжению логического порога, а остальные транзисторы являются входами. Выходные цепи схемы сравнения поступают на усилительные транзисторы, а с них — на выходные эмиттерные повторители. Особенностью ЭСЛ является повышенные скорость (150 МГц уже в первых образцах 60-х годов и 0,5…2 ГГц в 70—80-х) и энергопотребление по сравнению с ТТЛ и КМОП (на низких частотах, на высоких — примерно равное), низкая помехоустойчивость, низкая степень интеграции (ограниченная, в частности, большой потребляемой мощностью каждого элемента, что не позволяет разместить в одном корпусе много элементов, так как это приведёт к перегреву) и как следствие — высокая стоимость.Эмиттерно-связанная логикаТипичная схема (4ИЛИ/ИЛИ-НЕ). В ТТЛШ используются диоды Шоттки, в которых барьер Шоттки не позволяет транзистору войти в режим насыщения в результате чего диффузионная ёмкость мала и задержки переключения малы, а быстродействие высокое. ТТЛШ-логика отличается от ТТЛ наличием диодов Шоттки в цепях база — коллектор, что исключает насыщение транзистора, а также наличием демпфирующих диодов Шоттки на входах (редко на выходах) для подавления импульсных помех, образующихся из-за отражений в длинных линиях связи (длинной считается линия, время распространения сигнала в которой больше длительности его фронта, для самых быстрых ТТЛШ микросхем линия становится длинной начиная с длины в несколько сантиметров).Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)Базовый логический элемент ТТЛШ (И-НЕ) КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — технология построения электронных схем. В более общем случае — КМДП (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки. логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах(КМОП)Статический КМОП инверторПодавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе, процессоров, используют схемотехнику КМОП.

Приложенные файлы

  • pptx arh15
    Размер файла: 266 kB Загрузок: 0