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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Elementi logici dall'interno. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radioamatore principiante I chip digitali sono progettati per elaborare, convertire e archiviare informazioni digitali. Sono prodotti in serie. All'interno di ciascuna serie ci sono gruppi di dispositivi accomunati da caratteristiche funzionali: elementi logici, infradito, contatori, elementi di dispositivi aritmetici (che eseguono varie operazioni matematiche), ecc. Quanto più ampia è la composizione funzionale della serie, tanto maggiori saranno le capacità che potrà avere un dispositivo digitale realizzato sulla base dei microcircuiti di questa serie. I microcircuiti inclusi in ciascuna serie hanno un unico design e design tecnologico, un'unica tensione di alimentazione e gli stessi livelli di segnali logici 0 e logici 1. Tutto ciò rende compatibili i microcircuiti della stessa serie. La base di ogni serie di chip digitali è un elemento logico di base. Di norma, gli elementi logici di base eseguono operazioni AND-NOT o NOR-NOT e, secondo il principio di costruzione, sono suddivisi nei seguenti tipi principali: elementi logici a diodo-transistor (DTL). logica a transistor resistivo (RTL), logica a transistor-transistor (TTL), logica a transistor accoppiato a emettitore (ECTL), microcircuiti basati sulle cosiddette strutture MIS complementari (CMOS). Gli elementi CMOS dei microcircuiti digitali utilizzano coppie di transistor MOS (con una struttura metallo-dielettrico-semiconduttore) - con canali di tipo p e n. Elementi base di altri tipi sono realizzati su transistor bipolari. Nella pratica radioamatoriale, i microcircuiti più utilizzati sono la serie TTL e KMDP. La Figura 1 mostra lo schema circuitale di una porta NAND TTL di base. Il transistor multiemettitore VT1 è acceso all'ingresso dell'elemento. Se vengono applicate tensioni di alto livello a tutti i suoi emettitori, la giunzione dell'emettitore del transistor verrà chiusa. Allo stesso tempo la corrente. scorrendo attraverso il resistore R1 e la giunzione del collettore del transistor VT1 aprirà il transistor VT2. La caduta di tensione sul resistore R3 sarà sufficiente per aprire il transistor VT5. La tensione sul collettore del transistor VT2 è tale che il transistor VT3 è chiuso e il transistor VT4 è corrispondentemente chiuso. Di conseguenza, all'uscita dell'elemento apparirà una tensione di basso livello corrispondente allo 0 logico. Se viene applicata una tensione di basso livello ad almeno uno degli ingressi dell'elemento, la giunzione dell'emettitore del transistor VT1 si aprirà e i transistor VT2 e VT5 saranno chiusi. Il transistor VTZ si aprirà a causa della corrente che scorre attraverso il resistore R2 ed entrerà in modalità saturazione. Di conseguenza, il transistor VT4 si aprirà e all'uscita dell'elemento apparirà una tensione di alto livello corrispondente al logico 1. Di conseguenza, l'elemento considerato esegue la funzione AND-NOT. I microcircuiti della serie TTL includono anche un elemento logico NAND senza carico del collettore nello stadio di uscita. Questo è il cosiddetto elemento NAND open collector. È progettato per funzionare su un carico esterno, che può essere relè elettromagnetici, dispositivi indicatori, ecc.; i circuiti a collettore aperto vengono utilizzati anche nei bus di trasmissione dati nei casi in cui due o più uscite sono collegate a una linea fisica, Figura 1.
Ricordiamo che la struttura CMOS è un interruttore di tensione ideale. Tale interruttore contiene due transistor MOS con canali di tipo p e n. Quando viene applicata una tensione di alto livello all'ingresso dell'interruttore, il transistor a canale N si apre e quello a canale P si chiude. La Figura 2 mostra i circuiti degli elementi base dei microcircuiti KMDP AND-NOT (a) e NOR-NOT (b). Una tensione di livello basso (0 logico) sarà all'uscita dell'elemento AND-NOT solo quando tensioni di livello alto (1 logico) vengono applicate simultaneamente a tutti gli ingressi di X1-XZ. Se la tensione su almeno uno degli ingressi (ad esempio X1) è bassa, il transistor a canale n VT6 si chiuderà e il transistor a canale p VT1 si aprirà, attraverso il canale di cui è l'uscita dell'elemento collegato alla fonte di alimentazione. Pertanto, l'uscita avrà una tensione di alto livello corrispondente a 1 logico. Per implementare l'elemento logico di base OR-NOT su strutture CMOS, le sezioni del circuito contenente transistor collegati in serie e in parallelo dovrebbero essere scambiate nella Figura 2, b.
I chip TTL sono progettati per una tensione di alimentazione di 5 V±10%. La maggior parte dei microcircuiti basati su strutture CMOS funzionano stabilmente con una tensione di alimentazione di 3-15 V, alcuni con una tensione di 9 V ± 10%. I livelli logici 0 e 1 dovrebbero differire il più possibile. C'è una soglia logica 1 U1pore - la tensione di alto livello più bassa all'ingresso del microcircuito, alla quale la tensione di uscita cambia dal livello logico 0 al livello logico 1, così come una tensione di soglia logica 0 U0por - la tensione di basso livello più alta all'ingresso del microcircuito, alla quale la tensione di uscita cambia dal livello logico 1 al livello logico 0. Prima di passare ad un esame dettagliato delle serie più comuni di microcircuiti e dispositivi digitali basati su di essi, soffermiamoci sui parametri principali degli elementi logici. Questi includono la tensione di alimentazione, i livelli di tensione logici 0 e logici 1, la capacità di carico, l'immunità al rumore, le prestazioni e il consumo energetico. Per i microcircuiti della serie TTL U1por = 2,4 V; U0por =0,4 V. Basso e alto livello di tensione all'uscita dei microcircuiti TTL U1out>=2,4 V, U1out<=0,4 V. Per i microcircuiti basati su strutture KMDP U1por>0,7* Upit, U0pore>0,3* Upallo stesso tempo, le deviazioni delle tensioni di uscita U0out e U1out da zero e della tensione di alimentazione, rispettivamente, raggiungono solo poche decine di millivolt. La capacità di un elemento di operare su un certo numero di ingressi di altri elementi senza dispositivi di adattamento aggiuntivi è caratterizzata dalla capacità di carico. Maggiore è la capacità di carico, minori potrebbero essere gli elementi necessari per l'implementazione di un dispositivo digitale. Tuttavia, all'aumentare della capacità di carico, altri parametri dei microcircuiti si deteriorano: le prestazioni e l'immunità al rumore diminuiscono e il consumo energetico aumenta. A questo proposito, varie serie di microcircuiti contengono i cosiddetti elementi buffer con una capacità di carico parecchie volte maggiore di quella degli elementi principali. La capacità di carico è quantificata dal numero di unità di carico che possono essere collegate contemporaneamente all'uscita del microcircuito. A sua volta, il carico unitario è l'input dell'elemento logico principale di questa serie. Il fattore di diramazione di uscita per la maggior parte degli elementi logici della serie TTL K155 è 10, per i microcircuiti della serie K561 KMDP - fino a 100. L'immunità al rumore degli elementi logici di base viene valutata in modalità statica e dinamica. In questo caso, l'immunità al rumore statico è determinata dal livello di tensione fornito all'ingresso dell'elemento rispetto ai livelli logici 0 e 1, ai quali lo stato all'uscita del circuito non cambia. Per gli elementi TTL, l'immunità al rumore statico è almeno 0,4 V e per i microcircuiti della serie KMDP almeno il 30% della tensione di alimentazione. L'immunità al rumore dinamico dipende dalla forma e dall'ampiezza del segnale di disturbo, nonché dalla velocità di commutazione dell'elemento logico e dalla sua immunità al rumore statico. I parametri dinamici degli elementi base vengono valutati innanzitutto in base alla loro prestazione. Quantitativamente la prestazione può essere caratterizzata dalla massima frequenza operativa, cioè dalla massima frequenza di commutazione di un trigger realizzato su questi elementi base. La frequenza operativa massima dei microcircuiti TTL della serie K155 è 10 MHz. e i microcircuiti delle serie K176 e K561 sulle strutture KMDP sono solo 1 MHz. Le prestazioni vengono determinate allo stesso modo del tempo di ritardo medio della propagazione del segnale.
tzd.r.av.=0,5(t1,0zd.r+t0,1zd.r), dove t1,0zd.r e t0,1zd.r sono i tempi di ritardo della propagazione del segnale all'accensione e allo spegnimento, Figura 3. Il tempo di ritardo medio della propagazione del segnale è un parametro più universale dei microcircuiti, poiché lo conosciamo. È possibile calcolare le prestazioni di qualsiasi circuito logico complesso sommando tz.r.sr per tutti i microcircuiti collegati in serie. Per i microcircuiti della serie K155 tz.r.sr è di circa 20 ns e per i microcircuiti della serie K176 - 200 ns. La potenza consumata dal microcircuito in modalità statica è diversa ai livelli di zero logico (P0) e quello logico in uscita (P1). A questo proposito, il consumo energetico medio viene misurato Рср=(Р0+Р1)/2. Il consumo energetico medio statico degli elementi base della serie K 155 è di diverse decine di milliwatt, mentre per gli elementi delle serie K176 e K561 è più di mille volte inferiore. Pertanto, se è necessario realizzare dispositivi digitali a basso consumo di corrente, è consigliabile utilizzare microcircuiti basati su strutture KMDP. Tuttavia, è necessario tenere presente che quando si opera in modalità dinamica, aumenta la potenza consumata dagli elementi logici. Pertanto, oltre a Рср, viene impostata anche la potenza Рdin, misurata alla massima frequenza di commutazione. Qualcosa da tenere a mente. che con l'aumentare della velocità aumenta la potenza consumata dal microcircuito Autore: -=GiG=-, gig@sibmail; Pubblicazione: cxem.net
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