Элементная база большие интегральные схемы

Элементная база большие интегральные схемы

(не стоит паниковать при виде этого вопроса – запомнить нужно основные моменты, а выносить их кусками значит лишь кого-то полного понимания картины)

На данный момент существует четыре поколения ЭВМ.

Поколения ЭВМ Первое (1949-1958) Второе (1959-1963) Третье (1964-1976) Четвертое (1977-н.в.)
Элементная база ЭВМ Электронные лампы, реле Транзисторы, параметроны ИС, СБИС Сверхбольшие ИС (СБИС)
Производительность центрального процессора до 3х105 о/с до 3х106 о/с до 3х107 o/c более 3х107 o/c
Тип оперативной памяти (ОП) триггеры, ферритовые сердечники (ФС) миниатюрные ФС полупроводниковая БИС полупроводниковая СБИС
Объем ОП до 64 Кб до 512 Кб до 16 Мб более 16 Мб
Типичные модели поколения EDSAC ENIAC UNIAC БЭСМ RCA-501, IBM-7090, БЭСМ-6 IBM/360, PDP, VAX, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ IBM/370, SX-2, IBM PC/XT/AT, PS/2, Cray, сети
Характерное программное обеспечение Коды, автокоды, ассемблеры Языки программиро-вания, диспетчеры АСУ, АСУТП ППП, СУБД, САПРы, ЯВУ, операцион-ные системы БЗ, ЭС, системы параллельного программирования

В первом поколении (1943-1959 гг.) элементной базой ЭВМ была электронная лампа, в которой использовался эффект Эдисона.

Электронная лампа – это прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду. Движение электронов происходит за счет термоэлектронной эмиссии – испускания электронов с поверхности нагретых металлов. Здесь используется свойство металлов, которые обладают большой концентрацией свободных электронов с различной энергией, а, следовательно, и скоростями движения. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.

В ЭВМ первого поколения оперативная память выполнялась на триггерах, затем на ферритовых сердечниках, быстродействие 5-30 тыс. арифметических операций в секунду.

Память на магнитных сердечниках хранила данные в виде направления намагниченности небольших ферритовых колец. Каждое кольцо сохраняло 1 бит информации, а вся память представляла собой прямоугольную матрицу.

От программиста того времени требовалось хорошее знание архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Программирование осуществлялось в машинных кодах, позднее на ассемблере и автокоде. Поэтому программирование на ЭВМ первого поколение было уделом избранных, специально подготовленных математиков-программистов.

Первые ЭВМ использовались в основном для научных расчетов.

Машины первого поколения размещались в огромных залах (типа спортивных). Тысячи электронных ламп быстро нагревали помещение, высокая температура снижала надежность ЭВМ.

К концу жизненного цикла первого поколения появился первый язык высокого уровня – ФОРТРАН.

Применение транзисторов в вычислительной технике дало начало второму поколению (1959-1963 гг.) компьютеров. На компьютерах с транзисторами начал действовать закон «10» — улучшение за десять лет всех характеристик компьютера примерно в десять и более раз.

Переход на новую элементную базу оказался неизбежным, так как рост производительности и надежность ЭВМ первого поколения достигли своего максимума. Основные причины, приведшие к необходимости замены электронных ламп, были следующими:

1. Нить накаливания в электронных лампах со временем теряет свои эмиссионные свойства и перегорает. В среднем, срок службы лампы не превышал 10 000 часов. Таким образом, в ЭВМ, состоящей из 104 электронных ламп, в среднем, каждый час, выходила из строя одна электронная лампа.

2. ЭВМ на электронных лампах требуют мощных источников питания, при этом почти 75% энергии растрачивается на тепловых потерях. Это, в свою очередь, приводит к необходимости организации дорогостоящих и сложных систем охлаждения. Транзисторы потребляют на порядок меньше энергии и слабее греются.

3. Большие габариты электронных ламп. Самые миниатюрные радиолампы не позволяли в одном кубическом дециметре разместить более 1000 элементов, в то же время использование транзисторов позволяло на порядок увеличить плотность монтажа.

4. Радиолампы – это хрупкий элемент. Его установка требует осторожности и аккуратности, и с большим трудом поддается автоматизации. В то же время транзисторы гораздо более надежны и прочны, что позволяет легко автоматизировать процесс их производства и монтажа.

Кроме новой элементной базы и быстродействия, второе поколение характеризуется новыми архитектурными решениями и развитием технологии программирования. В ЭВМ второго поколения обеспечивается совмещение функциональных операций, они стали работать в режиме разделения времени. Реализовано совмещение центрального процессора по обработке данных и каналов ввода-вывода, а также распараллеливание операций выборки команд и данных из памяти.

Конец 50-х годов — это начало этапа автоматизации программирования. В это время появляются языки CommercialTranslator, FACT, MathMathic, и 38

программно-ориентированные языки высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1955), Algol-60, AKU-400 и др.

В это время были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса. Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.

В 1957 году компанией BellLabs была разработана операционная система Bell Operating System. А в 1962 году была разработана компанией GeneralElectric операционная система General Comprehensive Operating System.

Микроэлектронная технология породила третье поколение ЭВМ (1964-1974 гг.). В этом поколении элементную базу компьютеров образовали так называемые интегральные схемы. Замечательное отличие такой схемы заключается в том, что все ее элементы (транзисторы, резисторы конденсаторы) и соединения между ними создаются на небольшой пластине кристалла (обычно кремния). Технология, использующая процессы травления и напыления, позволяет создавать схемы с чрезвычайно мелкими элементами. Именно поэтому такие схемы и стали называть интегральными микросхемами.

Использование интегральных схем позволило получить ряд преимуществ:

1. Увеличилась надежность ЭВМ. Надежность интегральных схем – на порядок выше надежности аналогичных схем на дискретных 40 компонентах.

2. За счет повышения плотности упаковки электронных схем, уменьшилось время передачи сигнала по проводникам и, как следствие, увеличилось быстродействие ЭВМ.

3. Производство интегральных схем хорошо поддается автоматизации, что при серийном производстве резко уменьшает себестоимость производства и способствует популяризации и расширению области применения ЭВМ.

4. Высокая плотность упаковки электронных схем уменьшила на несколько порядков габариты, массу и потребляемую мощность ЭВМ, что позволило использовать их в недоступных до этого областях науки и техники, таких как авиация и космическая техника.

В ЭВМ третьего поколение уже четко выделяется иерархия памяти. ОЗУ делится на независимые блоки с собственными системами управления, работающие параллельно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. Развивается и внутренняя память процессора – создаются предпосылки к вводу кэширования памяти.

Наряду с совершенствованием логических устройств и памяти, полным ходом шла модернизация устройств ввода-вывода. Быстродействие новых ЭВМ требовало более быстрой и надежной системы ввода-вывода данных, чем устройства чтения перфокарт и телетайпы. На смену им пришли клавиатуры, панели графического ввода, дисплеи со световым карандашом, плазменные панели, растровые графические системы и другие устройства.

К концу 1960-х годов уже был создан целый ряд операционных систем, реализующий множество необходимых функций по управлению ЭВМ. Всего эксплуатировалось более сотни различных ОС.

Среди наиболее развитых операционных систем были:

1. OS/360, разработанная фирмой IBM в 1964 году для управления мейнфреймами;

2. MULTICS– одна из первых операционных систем с разделением времени исполнения программ;

3. UNIX, разработанная в 1969 году и, впоследствии, разросшаяся до целого семейства операционных систем, многие из которых являются одними из самых популярных на сегодняшний день.

Использование операционных систем упростило работу с ЭВМ и способствовало популяризации электронной вычислительной техники.

На ЭВМ III поколения появились системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПР), совершенствуются АСУ и АСУТП. Создаются пакеты прикладных программ (ППП) различного назначения. Появляются новые и совершенствуются существующие языки программирования, их количество достигло уже 3000.

Читайте также:  Вега 50у 122с не включается

Сверхбольшие интегральные схемы стали основой элементарной базы компьютеров четвертого поколения (1975-н.в.). Процессор, реализованный на одной СБИС, получил название микропроцессора.

Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ, персональные компьютеры, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ. Но из этого многообразия, лишь ПК и супер-ЭВМ определяют лицо четвертого поколения.

ЭВМ четвертого поколения можно характеризовать тремя основными показателями: элементной базой, персональным характером использования (ПК) и нетрадиционной архитектурой (супер-ЭВМ).

Элементная база способствовала миниатюризации ВТ, повышению ее надежности, позволила создавать мини- и микро-ЭВМ по своим возможностям превосходящие большие ЭВМ предыдущего поколения.

Основой для создания ПК стало создание универсального процессора на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971 году и содержал 2250 элементов, а в 1974 году был создан микропроцессор Intel 8080, содержащий уже 4500 элементов и послужил основой для создания первого ПК — Altair-8800. Этот компьютер рассылался по почте, стоил 397 долларов и имел возможности для расширения периферийными устройствами. Для Altair-8800 П. Аллен и У. Гейтс создали транслятор с языка Basic.

Начала формироваться ПК-индустрия. Лавинообразно растет программное обеспечение, направленное не только на решение производственных и научных задач, а удовлетворяющее потребности рядовых граждан, в том числе и ПО для развлечений. С каждым годом парк персональных компьютеров увеличивается, появляются все новые модели с новым интуитивно-понятным интерфейсом программного обеспечения, включая операционные системы.

ПК четвертого поколения по своим возможностям уже превосходят многие мощные ЭВМ третьего поколения. Никого уже не удивляет, что память современных ПК превышает уже сотни мегабайт, а память жесткого магнитного диска имеет размерность в гигабайтах и даже в терабайтах. Компьютер оснащен не только дисководами для гибких дисков, но и устройством для считывания информации с компакт-дисков.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Большая интегральная схема (БИС) — интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.
По количеству элементов все интегральные схемы условно делят на следующие категории:
■ простые (ПИС) — с количеством элементов в кристалле до 10,
■ малые (МИС) — до 100,
■ средние (СИС) — до 1000,
■ большие (БИС) — до 10000,
■ сверхбольшие (СБИС) — 1000000,
■ ультрабольшие (УБИС) — до 1000000000,
■ гигабольшие (ГБИС) — более 1000000000 элементов в кристалле.
Интегральные микросхемы (ИМ), содержащие более 100 элементов, называют микросхемами повышенного уровня интеграции.
Использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненным на отдельных ИС. Интеграция ИС на одном кристалле приводит к уменьшению количества корпусов, числа сборочных и монтажных операций, количества внешних — наименее надежных — соединений. Это способствует уменьшению размеров, массы, стоимости и повышению надежности.
Дополнительными преимуществами от интеграции ИС являются уменьшение общего количества контактных площадок, сокращение длины соединений, а также меньший разброс параметров, поскольку все ИС расположены на одном кристалле и изготовлены в едином технологическом цикле.
Опыт разработки БИС выявил также и ряд общих проблем, которые ограничивают повышение степени интеграции и которые, нужно, решать в процессе дальнейшего развития микроэлектроники:
■ проблема теплоотвода,
■ проблема межсоединений,
■ проблема контроля параметров,
■ физические ограничения на размеры элементов.
В 1964 г. впервые на базе БИС, фирма IBM выпустила шесть моделей семейства IBM 360.
Примерами БИС также могут служить схемы памяти на 4 бит и более, арифметико-логические и управляющие устройства ЭВМ, цифровые фильтры. ИС предназначены для решения самых разнообразных задач, поэтому изготовляется сочетанием методов, находящихся в арсенале полупроводниковой, тонко- и толстопленочной технологий.
ИМ принято классифицировать по способам изготовления и по получаемым при этом структурам на полупроводниковые и гибридные.
Полупроводниковая ИМ представляет собой ИС, в которой все элементы и соединения между ними выполнены в едином объеме и на единой поверхности полупроводниковой пластины.
В гибридных микросхемах пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы) наносятся на поверхность диэлектрической пластинки, активные (транзисторы) выполняются в виде отдельных дискретных миниатюрных компонентов и присоединяются к микросхеме.

Литература
1. Степаненко И. П., Основы микроэлектроники, М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003, с. 453-460.
2. Батушев А. В., Микросхемы и их применение, М.: Радио и связь, 1984, с. 13-17.
3. Чернозубов Ю. С., Как рождаются микросхемы, М.: Просвещение, 1989, с. 14-19.

Основой микроэлектроники является интегральная микросхема, с использованием которой выполняются блоки и узлы устройств. В корпусе интегральной микросхемы все элементы соединены определенным образом. При поступлении на вход схемы сигнала на выходе выдаются сигналы, соответствующие выполняемой ею логической функции. Главной характеристикой микросхемы яв­ляется степень интеграции, т. е. число элементов (вентилей) в корпусе. По степени интеграции микросхемы делятся на четыре класса: ИС — интегральные схемы, содержащие до 40 вентилей; СИС — средние интегральные схемы, содержащие сотни вентилей; БИС — большие интегральные схемы, содержащие тысячи венти­лей; СБИС — сверхбольшие интегральные схемы, содержащие десятки тысяч вентилей.

ИС выполняют элементарные логические функции, а также служат для приема и передачи сигналов между узлами устрой­ства или выхода на шину. На базе СИС формируют различного рода регистры, счетчики, дешифраторы, элементы памяти неболь­шого объема и др. На основе БИС и СБИС формируют, как пра­вило, микропроцессоры и узлы памяти большого объема.

Транзисторные ИС можно разделить на две группы: биполяр­ные и типа металл — окисел (диэлектрик) — полупроводник (МОП).

ИС группы МОП по структуре бывают двух типов: р-МОП — с положительным (р) носителем и n-МОП с отрицательным (п) носителем. Помимо этого бывают комплектарные (взаимодопол­няющие) КМОП-структуры.

Особенностью МОП-структур является малое потребление мощ­ности, что позволяет увеличить степень интеграции.

ИС на основе биполярных транзисторов в зависимости от тех­нологии изготовления бывают следующих модификаций: ТТЛ — (транзисторно-транзисторная логика); И 2 Л (интегральная инжекционная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), ИС с би­полярными транзисторами имеют высокое быстродействие, однако степень интеграции этих схем ограничена потребляемой мощ­ностью.

ИС, изготовленные по разным технологиям, имеют различные уровни входных и выходных сигналов. За стандартные приняты уровни ТТЛ-схем, рассчитанные на питание 5В; при использова­нии других ИС предусматриваются переходные схемы преобразо­вания уровней.

В МОП-структурах функции пассивных элементов (резисторов) выполняют МОП-транзисторы, на затворы которых подается постоянный потенциал. На рис. 2.2, а представлена схема ИС типа И — НЕ, выполняемая на p-МОП транзисторах. Транзистор T1 является нагрузкой, на его затвор подается постоянный потен­циал Ср. Затворы транзисторов Т2 и ТЗ являются логическими входами схемы, при подаче на оба эти входа потенциалов логи­ческих единиц они открываются и на выходе устанавливается по­тенциал логического нуля. Схемы требуют отрицательного напря­жения источника Е питания, что затрудняет их сопряжение с ТТЛ-схемами.

Рис.2.2 Схема ИС типа И – НЕ, выполненная на р-МОП (а) и КМОП (б) транзисторах

Читайте также:  Выбор электродвигателя для насоса

Микросхемы со структурой типа р-МОП имеют тот же (что и микросхемы со структурой п-МОП) принцип выполнения логиче­ских операций, но с положительным напряжением источника пи­тания; технология их изготовления несколько сложнее, однако быстродействие много выше.

Технология КМОП-ехем сложнее предыдущих вследствие ис­пользования транзисторов как р-МОП, так и п-МОП типа. Основ­ным достоинством КМОП-схем является малая потребляемая мощность в статическом режиме, что объясняется отсутствием в этих схемах пассивных элементов, поглощающих мощность. На рис. 2.2, б представлена схема ИС типа И — НЕ на КМОП-транзисторах типа р (Т1, Т2) и типа п (ТЗ, Т4). Напряжение сигнала логической единицы, подаваемое на входы, открывает транзисторы ТЗ, Т4 и закрывает транзисторы Т1, Т2. В зависимости от комби­нации входных сигналов на выходе устанавливается либо низкий уровень (на обоих входах единицы), либо высокий (все осталь­ные комбинации). При любой комбинации входных сигналов ток течет не через всю схему. ИС со структурой типа КМОП с поло­жительной логикой имеют уровни логических сигналов, совмести­мые с уровнями ТТЛ-схем.

Недостатком структуры типа КМОП является сравнительно низкое быстродействие ИС, обусловленное наличием в схемах паразитных емкостей. Достоинствами КМОП-схем являются воз­можность широкого диапазона изменения напряжения источника питания (3—12 В), высокая помехоустойчивость (по сравнению с п-МОП схемами), а также возможность использования батарей­ного питания.

Основным достоинством ИС на биполярных транзисторах является их высокое быстродействие. Серия К511 имеет высокую помехозащищенность и применяется в устройствах автоматики станков. Она состоит из небольшого набора логических ПС, триг­геров, десятичного счетчика и десятичного дешифратора. На рис. 2.3, а представлена диодно-транзисторная схема, выполняющая логическую функцию И—НЕ. Диоды Д1 и Д2 совместно с резистором R1 выполняют логическую функцию И, транзистор Т1 и резистор R3 — функцию НЕ; диод ДЗ служит для связи между этими двумя схемами, а через резистор R2 подается напряжение смещения Б1; Е2 — напряжение в цепи.

Рис. 2.3 Схема ИС на основе биполярных транзисторов модификации ЭСЛ:

а — диодно-транзисторная схема, выполняющая логическую функцию И—НЕ;

б — транзисторная схема, выполняющая функцию ИЛИ.

На рис. 2.3, б представлена транзисторная схема, выполняю­щая логическую функцию ИЛИ. На базы транзисторов Т1, Т2, через резисторы R3, R4 подается низкий потенциал. При подаче высокого уровня на любой из входов транзисторы T1 или Т2 от­крываются; уровень напряжения на резисторе R5 возрастает, и транзистор ТЗ, связанный по эмиттеру с транзисторами Т1 и Т2, закрывается. Резистор R1 ограничивает токи через транзисторы Т1 и Т2. На выходе схемы через резистор R2 устанавливается вы­сокий уровень, На базу транзистора ТЗ подается напряжение Есм смещения. Из-за сравнительно сложной технологии эти схемы дороги, требуют повышенной мощности питания и имеют низкую помехозащищенность вследствие того, что для повышения быстро­действия транзисторы схем работают в ненасыщенных режимах. Транзисторные схемы применяют в основном в больших ЭВМ, где требуется предельно высокое быстродействие.

В различных цифровых устройствах (втом числе и в системах ЧПУ) наиболее широко применяются схемы транзисторно-транзи­сторной логики (ТТЛ) серии К155. Эта серия состоит примерно из 80 наименований ИС различного функционального назначен Среди них ИС, выполняющие логические функции И, НЕ, И —НЕ, ИЛИ—НЕ, И—ИЛИ—НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. СИС выпол­няют функции регистров, счетчиков, дешифраторов, сумматоров, коммутаторов, запоминающих устройств. В составе серии имеются БИС ОЗУ и ПЗУ. Основным элементом ТТЛ-схем является многоэмиттерный транзистор, реализующий логическую операцию И. Чи­сло логических входов схемы определяется числом эмиттеров в транзисторе. На рис. 2.4, а приведена схема ИС ТТЛ-структуры, вы­полняющая логическую функцию И — НЕ. На входе схемы стоит транзистор Т1, коллектор которого соединен с базой транзистора Т2. Резистор R1 ограничивает ток через Т1; резистор R2 яв­ляется нагрузкой Т2.

а — ТТЛ-структура, вы­полняющая логическую функцию И — НЕ;

б — И 2 Л-схема, выполняющая функцию ИЛИ.

Основным недостатком ТТЛ-схем является повышенная потреб­ляемая мощность, усложняющая источники питания и требующая специальных мер по охлаждению устройств. Уменьшение потреб­ляемой мощности приводит к снижению быстродействия (повыше­нию времени задержки). Для повышения быстродействия ТТЛ-схем в транзисторы вводят нелинейную обратную связь с помощью диодов Шоттки (структура ТТЛШ), препятствующую насыщению транзисторов. По ТТЛШ-схеме строятся маломощные ИС, имеющие высокое быстродействие (серия К555). ИС серии К555 потребляет в четыре раза меньшую мощность, чем аналогич­ные по выполняемым функциям и быстродействию ИС серии К155.

Так же как КМОП-схемы, И 2 Л-схемы не имеют пассивных элементов. Они работают при низких напряжениях питания (при­мерно 1 В) и потребляют малую мощность при сравнительно вы­соком быстродействии, имея лучший среди рассматриваемых схем фактор качества.

Принцип инжекционного питания заключается в том, что с помощью транзистора-инжектора Ти (рис. 2.4, б) реализуется цепь генератора тока базы многоколлекторного транзистора Т, выполняющего функцию инвертора входного логического сигнала — функции НЕ. Функцию НЕ — ИЛИ можно получить, объединив коллекторные цепи двух схем НЕ.

Рассмотрим подробнее ИС серии К155 (ТТЛ-структура), при­меняемые во многих УЧПУ второго поколения (Н22, НЗЗ и др.) и представляющие собой ИС низкой степени интеграции, разме­щенные в 14-штырьковом прямоугольном пластмассовом корпусе. Модификации отличаются числом элементов в корпусе, числом входов и выполняемыми функциями. Все элементы серии можно разделить на три группы: группа 1ЛБ55 (базовая), выполняющая логические функции И — НЕ (семь модификаций); группа 1ЛР55 (расширяемая), выполняющая логические функции И —ИЛИ —НЕ с возможностью расширения по функции ИЛИ (две модифика­ции); группа 1ЛП55, подключаемая к элементам группы 1ЛР55 для расширения по функции ИЛИ (две модификации).

Базовая группа (1ЛБ55) включает в себя три элемента: основ­ной элемент И —НЕ; элемент И — НЕ с большим коэффициентом разветвления (для возможности подключения к выходу элемента большого числа входов других элементов); элемент И — НЕ с открытым коллекторным выходом.

Основные элементы И — НЕ имеют четыре модификации: 1ЛБ551 (содержит в одном корпусе два четырехвходовых элемен­та И — НЕ); 1ЛБ552 (содержит один восьмивходовый элемент); 1ЛБ553 (содержит четыре двухвходовых элемента); 1ЛБ554 (со­держит три трехвходовых элемента). Все элементы серии K155 имеют положительное напряжение (+5 В) коллекторного пита­ния. При этом базовые токи протекают в направлении от базы к эмиттеру, что на принципиальных схемах отражено соответствую­щим направлением эмиттерной стрелки. Транзисторы элементов надежно запираются нулевым потенциалом и не требуют спе­циального источника напряжения смещения в базовых цепях. В качестве сигнала логической единицы в элементах принят вы­сокий уровень напряжения (+2,4 В и выше). В качестве сигнала логического нуля принят низкий уровень напряжения (+0,45 В и ниже).

Элементы типа И —НЕ (рис. 2.5, а) состоят из четырех тран­зисторов (Т1—Т4), диода (Д1) и резисторов (R1—R4), Основой элемента (как и всех элементов серии) служит многоэмиттерный транзистор Т1, выполняющий функции И. Если хотя бы на один вход многоэмиттерного транзистора подан низкий уровень напря­жения, от базы к эмиттеру через резистор R1 протекает ток и транзистор открыт. Открытый транзистор Т1 подаст на базу тран­зистора Т2 низкий уровень напряжения и запирает его, в резуль­тате чего на транзистор Т3 через резистор R3 — тоже подается низкий уровень напряжения и он запирается. Транзистор Т4 от­крыт высоким напряжением, поданным на его базу через резистор R2, благодаря чему и на выходе элемента устанавливается вы­сокий уровень напряжения, поступающего через резистор R4, от­крытый транзистор Т1 и диод Д1.

Если на все входы элемента подается высокий уровень напряжения, на базу транзистора Т2 тоже подается высокий уровень напряжения и он отпирается, отпирая при этом транзистор ТЗ и запирая транзистор Т4. Через открытый транзистор ТЗ на выходе элемента устанавливается низкий уровень напряжения. Осталь­ные модификации элементов типа И —НЕ отличаются только ко­личеством эмиттеров многоэмиттерного транзистора Т1, т. е. чис­лом входов.

Читайте также:  Какое давление воды в 9 этажном доме

Рис.2.5 Схема И—НЕ основного элемента ИС типа ТТЛ с закрытым (а) и открытым (б)

Схема элемента И — НЕ с большим коэффициентом разветвле­ния работает аналогично описанной выше и отличается только тем, что в целях получения на выходе схемы сигнала большей мощности между коллектором транзистора Т2 ибазой транзистора Т4 включен транзистор, усиливающий ток, протекающий от ре­зистора R2 на базу транзистора Т4. Элемент имеет обозначение 1ЛБ556.

Схема элемента И — НЕ с открытым выходом (рис. 2.5, б) работает аналогично предыдущей схеме (см. рис. 2.5, а), но не содержит транзистора, подающего на выход высокий уровень на­пряжения. Этот элемент применяют в основном для подключения внешних нагрузок тина реле или индикаторных ламп. Сущест­вует две модификации элементов: 1ЛБ5.57 (содержит две четырехвходовые схемы И —НЕ) и 1ЛБ558 (содержит четыре двухвходовые схемы И— НЕ).

Схема И —ИЛИ —НЕ (рис. 2.6, а) имеет несколько многоэмиттерных транзисторов (Т1—Т6). Схема (в части Т1, Т2, Т3 Т4 Д1, Rl, R2, R3, R4) работает аналогично схеме И —НЕ, однако в нее добавлены еще один многоэмиттерный транзистор Т6 и сое­диненный с его коллектором транзистор Т5 (включенный парал­лельно транзистору Т2), что позволяет осуществить функцию ИЛИ. Оба транзистора имеют одну и ту же нагрузку и отпирание лю­бого из них запирает выходной транзистор Т4 и отпирает транзистор ТЗ, в результате чего на выходе схемы устанавливается низкий уровень напряжения.

Схема имеет две модификации: 1ЛР551 (состоит из двух ло­гических элементов, каждый из которых содержит две двухвходовые схемы И, объединенные схемой ИЛИ); ЛР553 (имеет четыре схемы И с общим числом входов равным девяти).

Рис.2.6 Схема И—ИЛИ—НЕ (а) и подключение к этой схеме расширителя (б).

К входам К и Э подключа­ют расширитель по ИЛИ (рис. 2.6, б), представляющий собой многоэмиттерный транзистор T1 и соединенный с ним тран­зистор Т2. Расширитель име­ет две модификации: 1ЛП551 (содержит два четырехвходовых элемента); 1ЛП533 (со­держит восьмивходовый элемент).

Условные графические изо­бражения интегральных мик­росхем показаны на рис. 2.7. Входы микросхемы располага­ются слева, выходы — справа. Функции И, ИЛИ изобража­ются прямоугольником с соот­ветствующим обозначением функции (обозначение &-И, 1-ИЛИ). Функция НЕ обозна­чается кружочком. Обозначе­ния двух-, трех-, четырех- и восьмивходовых схем И —НЕ (микросхемы 1Л551 — 1Л558) приведены на рис. 2.7, а —г, а обозначения схем И — ИЛИ —НЕ (микросхемы 1Л551—1ЛР554) —на рис. 2.7, д — ж.

Кроме схем И —НЕ, И —ИЛИ —НЕ в серии К155 предусмотрено два типа триггеров. Микросхема 1ТК551 представляет -триггер (рис. 2.7, з), имеющий вход S установки единицы и вход R установки нуля. При подаче на входы S и R нуля триггер устанавливается в соответствующее состояние. Триггер имеет два выхода — прямой (Q) и инверсный ( ). Если триггер находится в состоянии единицы, то на выходе Q — единица, а на выходе — нуль; если в состоянии нуль, то на выходе Q — нуль, а на выходе —единица.

Отличительной особенностью -триггера является наличие входов I и К, а также тактового входа T. При использовании тактового входа Т на входы S и R подаются единицы. Если на все входы I и К подаются единицы, единичный импульс по входу Т переводит триггер в противоположное состояние (аналогично действию импульса на счетном входе потенциально-импульсного триггера), т. е. из состояния «единица» в состояние «нуль», а из состояния «нуль» в состояние «единица». Если хотя бы на один из входов К, подан нуль, а на входах I единицы, импульс по так­товому входу может пере­вести триггер только в со­стояние «нуль». Если хотя бы на один из входов I по­дан нуль, а на входах К единицы, триггер может быть переведен только в состояние «единица». Если нули подаются одновремен­но на любые из входов I и К, состояние триггера под действием тактовых импуль­сов не меняется. Временная диаграмма работы IK-триггера под действием импуль­сов, подаваемых на вход Т, приведена па рис. 2.8. В од­ном корпусе размещается один К-триггер. С помощью IK-триггеров строятся схемы счетчиков и регистров сдвига, причем принцип их построения аналогичен принципу построения этих схем на потенциально-импульсных триггерах со счетным входом.

Рис. 2.7. Условные графические изображения интегральных микросхем:

а —г схемы — И —НЕ, д — ж схемы— И — ИЛИ —НЕ, з — к — триггеры

Микросхема 1ТК552 представляет собой D-триггер (рис. 2.7, и), имеющий вход S установки единицы, вход R установки нуля, а также вход D и тактовый вход Т. При подаче на вход Т положительного импульса триггер переводится в состояние, аналогичное значению сигнала на входе D. Если в момент прихода импульса на вход Т и на вход D подана единица, то триггер устанавли­вается в состояние «единица», если нуль — в состояние «нуль». Временная диаграмма работы D-триггера приведена на рис. 2.9 (в одном корпусе располагаются две схемы D-триггеров).

Микросхема 155ТМ5 имеет повышенную степень интеграции и содержит четыре D-триггера, каждый из которых имеет вход D и выход Q; вход D подается сразу на два триггера (рис. 2.7, к).

В последних разработках систем ЧПУ находят применение микросхемы средней степени интеграции, содержащие в одном корпусе десятки схем И, ИЛИ, НЕ. С помощью этих схем в од­ном корпусе содержатся целые функциональные узлы — регистры сдвига, счетчики, сумматоры, дешифраторы. Условные графические изображения некоторых из этих схем приведены на рис. 2.10.

Рис. 2.8 Временная диаграмма работы IK-триггера

Рис. 2.9 Временная диаграмма работы D-триггера

Рис. 2.10 Условные графические изображения микросхем средней степени интеграции:

а — регистр сдвига, б — двоично-десятичный счетчик, в — дешифратор индикации

Схема RG (рис. 2.10, а) представляет собой регистр сдвига на четыре разряда. Входы (слева) и выходы (справа) этих разрядов обозначаются как 1, 2, 4, 8. По входу МС задается ре­жим управления (занесение информации с входов 1, 2, 4, 8 или сдвиг). Входы С1, С2 являются входами син­хронизации; операции (за­несение или сдвиг) произ­водятся по импульсам, по­ступающим на эти входы. Вход МС является входом регистра сдвига.

Схема СТ2-10 (рис.2.10, б) представляет собой реверсивный декадный счет­чик, работающий в двоично-десятичном коде. Входы 1, 2, 4, 8 служат для парал­лельного занесения информации в счетчик. По входу W подается импульс занесе­ния в счетчик информации с входов 1, 2, 4, 8. По вхо­ду R подается импульс установки счетчика в нуль. Импульс по входу +1 уве­личивает число, содержа­щееся в счетчике на едини­цу. Импульс по входу —1 уменьшает это число на единицу. Выход Р+ является выходом переноса в стар­ший разряд и регистрирует переполнение счетчика под (переход счетчика из состояния 9(1001) к состоянию нуль (0000). Выход Р— является выходом займа из старшего разряда.

Схема DC > (рис. 2.10, а) является дешифратором цифровой индикации. Она дешифрирует подаваемый на ее входы 1, 2, 4, 8 двоично-десятичный код числа и в соответствии с этим кодом открывает один из выходов 0—9. Эти выходы выдерживают высо­кое напряжение (до 60 В) и могут быть подсоединены непосред­ственно ко входам газоразрядной индикаторной лампы.

Ссылка на основную публикацию
Электромонтаж магазин на парковой
Электромонтаж работает по адресу 7-я Парковая улица, 21А в Москве. Основной вид деятельности — это «Электротехническая продукция». График работы: пн–сб...
Экран под ванну мдф 170
Выбирая ванну 170 см шириной — Вы найдете множество вариантов экранов из МДФ под нее, а также других элементов сантехники,...
Экструдер для полиэтиленовых труб
Компания «Европолимер-Рециклинг» предлагает купить оборудование для производства полипропиленовой, полиэтиленовой трубы разных типов – профильной, круглой и т. д. Мы спроектируем,...
Электромонтер по обслуживанию подстанций обязанности
Инструкция для должности "Электромонтер по обслуживанию подстанции V группа квалификации", представленная на сайте www.borovik.com, соответствует требованиям документа - "СПРАВОЧНИК квалификационных...
Adblock detector