Глава 14. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ (ЦИМС)

Общие сведения о ЦИМС и логике представления информации в цифровой форме

Цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС), или цифровые интегральные схемы (ЦИС), предназначены для приема, преобразования (обработки) и выдачи информации, представленной в виде цифрового кода, с помощью дискретных сигналов. На их основе строятся узлы и блоки микропроцессоров, микро-ЭВМ и систем автоматики, а также импульсные усилители, формирователи, повторители.

Цифровую информацию обычно представляют в двоичной (дискретной) форме, при которой электрический сигнал имеет только два значения. Эти два значения сигнала обозначаются символами логического нуля (0) и логической единицы (1).

Цифровые сигналы исключают ошибки при передаче и воспроизведении информации, поскольку распознавание двух крайних уровней сигнала является надежным даже при наличии больших искажений и помех, что является главным достоинством ЦИС (высокая надежность и помехоустойчивость).

В зависимости от способа электрического кодирования (задания) двоичных переменных ЦИС подразделяются на импульсные, импульсно-потенциальные и потенциальные.

В потенциальных ЦИМС логическая информация представлена в виде потенциальных уровней: нулевой (0) — низкий уровень, или единичный (1) — высокий уровень.

В импульсных ЦИМС логическая информация представлена в виде импульса: единица — (есть импульс), ноль — (нет импульса), т.е. без допуска нижнего уровня, но при определенной длительности.

В импульсно-потенциальных ЦИМС информация представляется в виде импульсов, в которых заранее задано амплитудное значение потенциала высокого и низкого уровней сигнала.

Наиболее распространены потенциальные ЦИС. В них действуют сигналы с двумя различными значениями (уровнями) потенциалов, при этом абсолютное значение величины, характеризующей сигнал, несущественно. Главное то, что сигнал, представляющий логическую единицу (1), выше определенного наперед заданного значения, а сигнал логического нуля (0) не превышает нижний предел этой величины (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Диаграмма определения уровней логического нуля (0) и логической единицы (1): а — в положительной логике; б — в отрицательной логике

Основной предпосылкой цифровой обработки информации является возможность ее представления совокупностью двоичных переменных, каждая из которых может принимать значения 0 и 1, называемые логическим 0 и логической 1.

Одной из основных операций цифровой обработки информации является реализация функциональных зависимостей у = /(Х], х₂, х_п), которые в соответствие каждой комбинации значений двоичных переменных х_{, х₂, ..., х_п ставят значение двоичной переменной у. Функции такого типа называются переключательными или логическими. Таким образом, ЦИС производят логическую обработку цифровых сигналов, поступающих на входы логического устройства, для определения цифрового сигнала на выходе логического устройства в зависимости от соотношений цифровых сигналов на входах. Логическая обработка цифровых сигналов основана на понятии «логика».

Логика (греч. logos — слово, рассуждение, понятие, разум) — наука о формах, законах и методах познавательной деятельности, способности правильно (логически) мыслить. Логика — способ доказательства без применения математики. Логика прежде всего играет большую методологическую роль — как формальное средство (формальная логика) отыскания истины, т.е. истинного результата применительно к логической обработке цифровой информации.

В цифровых интегральных схемах применяется двоичная логика, в которой используются операции с величинами (сигналами), принимающими только два значения, — «да» и «нет», «истина» и «ложь», «1» и «О».

Необходимо отметить, что символы «О» и «1» нельзя рассматривать как арифметические числа, т.е. алгебра логики является алгеброй состояний, а не чисел. Аппарат алгебры логики используется как для анализа, так и для проектирования (синтеза) логических устройств на основе ЦИС любой степени сложности в системах цифровой обработки информации. Только в этом случае можно проводить все исследования математическим способом.

Сигналы с двумя различными значениями (уровнями) потенциалов, которые обозначаются 0 и 1, т.е. уровни логического нуля (0) и логической единицы (1), могут быть как положительными, так и отрицательными (рис. 14.1).

Цифровая информация, представленная в одном из способов электрического кодирования двоичных переменных в ЦИС (импульсном, импульсно-потенциальном и потенциальном), может быть отражена не только в цифровом формате (1 и 0), но и в графическом — в декартовой графической системе координат, а также и в визуальном виде на экране осциллографа. В графическом формате цифровая информация может быть показана в первой или четвертой четверти декартовой системы координат (рис. 14.1), где высокий и низкий уровни (полярность сигналов) соответствуют одному из цифровых значений — «0» или «1».

В зависимости от того, в какой четверти декартовой системы координат представлена цифровая информация графическим способом («0» или «1»), различают два вида логики со стандартными вариантами графического представления цифровой информации — положительная логика (первая четверть декартовой системы рис. 14.1, а) и отрицательная логика (четвертая четверть декартовой системы рис. 14.1, б), что также относится и к цифровым значениям сигналов.

Существуют и нестандартные варианты представления цифровой информации для каждого вида логики, при которых в положительной логике сигналы представляются в четвертой четверти декартовой системы, а в отрицательной логике — в первой четверти декартовой системы.

Дополнительный вариант представления информации — двухполярный (биполярный или смешанной), при котором для представления цифровой информации используются одновременно и первая и четвертая четверти декартовой системы координат. При двухполярном варианте представления информации положительный сигнал (высокого уровня) представлен в первой четверти, а отрицательный сигнал (низкого уровня) — в четвертой четверти декартовой системы координат.

Полярности (положительная или отрицательная) уровней сигналов («О» или «1») в ЦИС зависят от логического построения (логики) схемотехнических решений ЦИС, которые зависят от типов используемых активных элементов в схемотехнических решениях и способов подключения источников питания (напряжения). Логика построения ЦИС определяет и логику представления цифровой информации — положительная логика или отрицательная логика.

Рассмотрим логику построения ЦИС. В практике логического построения принципиальных схемных решений ЦИС и подключения к схемам напряжения питания применяются три вида логик построения схем цифровых интегральных схем:

• — положительная логика, в которой при стандартном варианте построения схемотехнических решений ЦИС применяются транзисторы /?-/?-я-типа и отрицательный полюс источника питания («минус») подключен на общую шину — корпус (_1_), т.е. напряжение питания считается положительным (U > 0); при нестандартном варианте построения схем ЦИС в положительной логике напряжение питания считается отрицательным, так как положительный полюс источника питания («плюс») подключен на общую шину — корпус (±);
• — отрицательная логика, в которой при стандартном варианте построения схемотехнических решений ЦИС применяются транзисторы р-п-р-типа и положительный полюс источника питания («плюс») подключен на общую шину — корпус (_1_), т.е. напряжение питания считается отрицательным (U < 0); при нестандартном варианте построения схем ЦИС в отрицательной логике напряжение питания считается положительным, так как отрицательный полюс источника питания («минус») подключен на общую шину — корпус (±);
• — двухполярная логика (биполярная), в которой при построении схемотехнических решений ЦИС применяются транзисторы п-р-п- и р-п-р-титт и двухполярное питание, т.е. два источника напряжения одной величины, в одном из которых положительный полюс источника питания («плюс») подключен на общую шину — корпус (_1_), а в другом — отрицательный полюс источника питания («минус») подключен на общую шину — корпус (_1_).

В стандартном варианте построения схем ЦИС в положительной логике при подключении к схемам напряжения положительного источника питания (U > 0) сигнал высокого уровня — положительный потенциал и обозначается единицей (1), а сигнал низкого уровня — отрицательный потенциал и обозначается нулем (0). Такую логику представления информации также называют положительной — позитивной логикой. Графическое изображение сигнала в такой логике, когда U > 0, находится в первой четверти декартовой системы координат (табл. 14.1).

В стандартном варианте построения схем ЦИС в отрицательной логике при подключении к схемам напряжения отрицательного источника питания (U < 0) сигнал высокого уровня — положительный потенциал и обозначается нулем (0), а сигнал низкого уровня — отрицательный потенциал и обозначается единицей (1). Такую логику представления информации также называют отрицательной — негативной логикой. Графическое изображение сигнала в такой логике, когда U < 0, находится в четвертой четверти декартовой системы координат (табл. 14.1).

При нестандартном варианте построения схем ЦИС в положительной логике, т.е. при отрицательном напряжении (U < 0), графическое изображение сигнала находится в четвертой четверти декартовой системы координат, а в отрицательной логике, т.е. при положительном напряжении (U > 0), графическое изображение сигнала находится в первой четверти декартовой системы координат. Однако символическое обозначение положительного (высокого) и отрицательного (низкого) уровней при нестандартных вариантах построения схем ЦИС аналогично обозначению уровней при соответствующих стандартных вариантах построения схем ЦИС (табл. 14.1), т.е. в этом случае применяются нестандартные варианты графического представления цифровой информации.

LTi

h->

Таблица 14.1

Двухполярный (биполярный) вариант представления информации применим для двух видов логики. В положительной логике сигнал высокого уровня — положительный, представленный в первой четверти координатной системы, имеет цифровое значение, равное единице (1), а сигнал низкого уровня — отрицательный, представленный в четвертой четверти координатной системы, обозначается нулем (0). В отрицательной логике сигнал высокого уровня — положительный, представленный в первой четверти координатной системы, имеет цифровое значение, равное нулю (0), а сигнал низкого уровня — отрицательный, представленный в четвертой четверти координатной системы, обозначается единицей (1).

Цифровое обозначение сигнала зависит от источника питания, относительно которого рассматриваются уровни сигналов, так как один источник — отрицательный, а другой — положительный, но имеют равные по абсолютному значению напряжения. Например, могут быть два варианта ?/j < 0; U₂ > 0 или t/j >0; U₂ < 0 при U_{ = Щ (табл. 14.1).

Если рассматривать сигналы относительно источника питания U_{ при варианте включения источников питания >0; U₂ < 0, то положительный (высокий) уровень сигнала равен U_B = + U_{ и обозначается единицей (1), а отрицательный (низкий) уровень сигнала равен U_H = — Uj и обозначается нулем (0), что полностью соответствует стандартной положительной логике представления информации (табл. 14.1).

Если рассматривать сигналы относительно источника питания Щ при варианте включения источников питания > 0; Щ < 0, то положительный (высокий) уровень сигнала равен U = +U₂ и обозначается нулем (0), а отрицательный (низкий) уровень сигнала равен U_H = —U₂ и обозначается единицей (1), что полностью соответствует стандартной отрицательной логике представления информации (табл. 14.1).

Если рассматривать сигналы относительно источника питания C/j при варианте включения источников питания Щ < 0; U₂ > 0, то положительный (высокий) уровень сигнала равен U = +U_{ и обозначается нулем (0), а отрицательный (низкий) уровень сигнала равен U = — U_{ и обозначается единицей (1), что полностью соответствует стандартной отрицательной логике представления информации (табл. 14.1).

Если рассматривать сигналы относительно источника питания U₂ при варианте включения источников питания U < 0; U₂ > 0, то положительный (высокий) уровень сигнала равен U_B = +U₂ и обозначается единицей (1), а отрицательный (низкий) уровень сигнала равен U_H = —U₂ и обозначается нулем (0), что полностью соответствует стандартной положительной логике представления информации (табл. 14.1).

Виды сигналов в различных логиках представления сигналов в зависимости от логики схемотехнических решений ЦИС и подключений питающего напряжения к схемам показаны в табл. 14.1.

На практике невозможно выполнить условие, при котором все цифровые сигналы точно соответствовали бы одному из принятых уровней. Поэтому для каждого вида и серии ЦИС вводятся определенные допуски уровней. Эти допуски уровней указывают разрешенный предел изменения, при котором уровни логического нуля (0) и логической единицы (1) могут изменяться. В современных ЦИС допуск установлен в пределах 0,1—0,15 от максимального и минимального уровней.

Так, например, в интегральных микросхемах с максимальным уровнем U_max = 5 В уровень логической единицы принят от +2,4 В до +5,5 В, а логического нуля — от —0,5 В до +0,5 В, в положительной логике. В отрицательной логике изменяется только допуск логической единицы от —2,4 В до —5,5 В. Разность уровней потенциалов единицы (7¹ и нуля (7° называют логическим перепадом AU_n = U^x - U⁰.

Чтобы случайные помехи не вызвали ложных переключений схемы, логический перепад должен быть достаточно большим. Это условие особенно важно для цифровых микросхем, применяемых в железнодорожной автоматике, где высоки требования к помехоустойчивости аппаратуры.