Что такое элементная база

Элементная база ЭС. Определение элементной базы

Страницы работы

Содержание работы

Раздел 1. Элементная база Э.С.

1.1. Определение элементной базы

Элементная база – это чрезвычайно широкое понятие. В элементную базу входят все электрорадиоэлементы, показываемые на электрических принципиальных схемах и входящие в их перечни элементов.

Элементы РЭС можно разделить на пассивные (например, резистор, конденсатор) и активные (например, электронные лампы, транзисторы, ИМС).

Таким образом, элементная база – это те функциональные «кирпичики», из которых создаётся РЭА, они непосредственно участвуют в обработке сигналов. Конечно, в РЭА есть и другие элементы (платы, стойки, корпуса и т.п.), они выполняют механические функции и не участвуют в обработке сигналов (хотя и могут влиять на технические характеристики РЭА), но такие элементы в данной дисциплине не изучаются.

Технические характеристики, сложность задач, которые может решать РЭА, надёжность её работы, срок службы во многом зависит от используемой элементной базы.

1.2. Поколения РЭА

(определяются по активным элементам).

Изобретением в 1948 году транзистора (электрорадиоэлемента, обладающего большой надежностью и небольшими размерами) мы обязаны Д.Бардину, В.Браттену и У.Шокли (США). Это привело к уменьшению размеров и массы РЭА и повышению ее надежности (т.к. нет нити накаливания и вакуума), появились печатные платы. Это способствовало упорядоченности монтажа; в межкаскадных связях исчез жгутовой монтаж. Появилась стандартизация конструкций (стандарты на размеры блоков и узлов, так как транзистор мал, то пришлось уменьшать размеры других элементов). Появились карманные радиоприемники, ЭВМ высокой сложности, но все еще довольно большие. Аппаратуру на дискретных транзисторах относят ко II поколению.

Однако транзисторизация лишь ослабила и отодвинула кризис. Дальнейший рост сложности аппаратуры стал возможным благодаря появлению планарного транзистора и групповой технологии их производства – появились микросхемы, родилась микроэлектроника.

III поколение – на ИС средней степени интеграции, выполняющих более сложные функции, чем одиночный транзистор (каждая ИС содержала примерно 10-100 транзисторов).

Следующим шагом стала комплексная миниатюризация всех других элементов РЭА – IV-V поколения.

Приведем несколько примеров совершенствования техники.

2. Цветные телевизоры в период 1970-1980гг. при переходе от электронных ламп к транзисторам и ИМС намного улучшили свои качественные и габаритные показатели (энергопотребление снизилось от 300 до 120 Вт, диагональ стала 59-61см, число элементов снизилось в 4 раза, что, следовательно, привело к снижению трудоемкости производства).

Таким образом, элементная база определяет возможности ТХ и прогресс, причем не только в РЭА, но и во многих других областях, так как области применения РЭС нашли широчайшее применение во всех сферах человеческой деятельности.

Выбор или разработка элементной базы для РЭА – это задача инженеров нашей специальности. Чтобы решать эти задачи необходимо знать используемые физические явления, принципы их действия, конструктивно-технологические особенности и, конечно, ТХ ЭРЭ, владеть методами их проектирования, уметь разрабатывать и анализировать электрические и математические модели изделий.

1.3.Состав элементной базы электронных средств

Условно состав элементной базы можно представить в виде следующей схемы:

1. ПДЭРЭ – пассивные дискретные электрорадиоэлементы, основанные на относительно простых физических явлениях (электрический контакт, взаимодействие электрического тока и магнитного поля идругих). К таким ЭРЭ относят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и тд.

Источник

Элементная база

В ЭВМ непосредственную обработку информации, представляемой в виде двоичных электрических сигналов, осуществляют электронные элементы и узлы.

Число разновидностей электронных элементов ЭВМ относительно невелико, несмотря на их большое количество в машине. По своему назначению они могут быть классифицированы на логические, запоминающие и вспомогательные.

Запоминающие элементы выполняют функцию памяти. В них под действием входных сигналов устанавливается соответствующее состояние 0 или 1, которое сохраняется неизменным до прихода последующего управляющего сигнала.

Вспомогательные элементы служат для формирования и генерирования сигналов, их усиления и преобразования по амплитуде, мощности и длительности.

В свою очередь элементы ЭВМ являются основой для построения типовых узлов, с помощью которых и реализуются необходимые операции над кодами. К числу типовых узлов ЭВМ относятся регистры, дешифраторы, счетчики и сумматоры.

Регистры предназначены для временного хранения и преобразования двоичной информации (например, для сдвига числа при выполнении операции умножения и деления).

Счетчик служит для подсчета числа сигналов (импульсов), поступающих на его вход, и фиксации этого числа в виде кода с последующим запоминанием.

Дешифратором называется логическая схема, служащая для преобразования поступающего кода числа в управляющий сигнал, формируемый на одном из его выходов. Таким образом, например, производится выбор необходимых ячеек запоминающего устройства.

В сумматоре происходит суммирование чисел путем поразрядного их сложения. Этим способом осуществляется также умножение, деление и вычитание.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью так называемого интерфейса.

Интерфейс— совокупность линий, шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов.

Причем, среди интерфейсных каналов можно выделить как те, что работают между центральными устройствами, так и те, которые осуществляют связь между ними и устройствами периферии. Имеется также и система разделения каналов на быстрые и медленные (часто их именуют параллельными и последовательными каналами).

Узловыми элементами, связывающими различные типы интерфейсов в компьютере, являются так называемые контроллеры. Фактически контроллеры имеются у каждого из устройств ЭВМ и предназначены для устранения проблем взаимодействия (информационного, аппаратного и др.) между отдельными устройствами.

Исходя из представленных сведений о функциональных возможностях аппаратуры, составляющей типовую ЭВМ, можно сделать вывод о том, что реальные компьютеры могут отличаться от классической типовой схемы по разнообразию и назначению применяемых устройств. В силу этого в практическом применении ЭВМ имеется понятие «конфигурации» для каждого конкретного компьютера.

Из знаний о классификации и направлениях применения современных ЭВМ можно определить, что самыми разнообразными вариантами конфигураций обладают вычислительные системы на базе персональных компьютеров, где одной из сторон проявления персонализации как раз и является комбинирование требуемым набором аппаратных средств и их взаимодействия.

Таким образом, нами рассмотрены виды аппаратных средств, составляющих ЭВМ и обеспечивающих определенный набор функций в совместной работе по обработке информации.

В тоже время в составе реальных ЭВМ имеются ещё ряд устройств, работа которых не изменяет общего представления о концепции обработки информации на компьютере, но имеет свою специфику.

КЭШ-память может присутствовать в конфигурации ЭВМ при наличии дополнительных средств на приобретение, а может отсутствовать и тогда компьютер работает с обычным ОЗУ. В отличие от КЭШ-памяти, ПЗУ в том или ином варианте имеется практически у любого компьютера.

Заканчивая разговор о «фон-неймановской» архитектуре ЭВМ и ее программном принципе работы, напомним из краткого обзора истории развития вычислительной техники, что теоретически и практически разрабатываются, уже реально существуют и другие подходы к архитектурному построению компьютеров.

Инициируются данные разработки недостатками «фон-неймановской» архитектуры в области обработки различных видов информации. Причем во многих случаях отмеченные проблемы носят принципиальный характер.

Приведем лишь примеры их них:

— плохо поддается программированию творческая деятельность человека, но имеется все более расширяющаяся необходимость применения компьютеров именно в этой сфере приложений, например в системах поддержки и принятия решений, основывающихся и могущих самостоятельно развиваться на основе баз знаний;

— невозможность реализации образного, ассоциативного (в самом простом случае, очень многопараллельного) принципа обработки информации;

— медленная и, перспективно очень жестко ограниченная, скорость обработки отдельных видов информации, например графической и совмещаемой с ней, где, хотя и достигнуты значительные практические достижения (компьютерная анимация, кино, мультимедиа и др.), но продолжает ощущаться острая потребность, как в реализации новых задач, так и модернизации имеющихся.

Изложим некоторые сведения о других архитектурах ЭВМ, которые разрабатываются в последнее время.

Источник

Что такое элементная база и где она применяется

Элементная база – это компоненты, из которых состоят абсолютно все электронные приборы и устройства. Чтобы грамотно спланировать прибор, необходимо знать технические характеристики, а также как использовать те или иные электронные компоненты. Если на этом этапе допустить ошибку, весь прибор будет неработоспособен, так как содержит в себе ошибку.

Знание современной крайне обширной базы элементов, а также методов их изготовления, особенности строение и эксплуатации нужны самым различным специалистам в области электрики и электроники. В данной статье будет подробно рассмотрена структура современной элементной базы, которая существует на данный момент, а также что должен знать современный электронщики и специалист по «железу». В качестве дополнения, статья содержит в себе два ролика и одну скачиваемую статью в формате PDF.

Что такое микроэлектроника

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой, что привело к росту числа элементов в ней. Число элементов постоянно увеличивается. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.

Разработка любых ИМС представляет собой довольно сложный процесс, требующий решения разнообразных научно-технических проблем. Вопросы выбора конкретного технологического воплощения ИМС решаются с учетом особенностей разрабатываемой схемы, возможностей и ограничений, присущих различным способам изготовления, а также технико-экономического обоснования целесообразности массового производства.

Эти вопросы находят решение путем использования двух основных классов микросхем — полупроводниковых и гибридных. Оба эти класса могут иметь различные варианты структур, каждый из которых с точки зрения проектирования и изготовления обладает определенными преимуществами и недостатками. По своим конструктивным и электрическим характеристикам полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же радиоэлектронных комплексах.
При массовом выпуске различных ИМС малой мощности, особенно предназначенных для ЭВМ, используются, в основном, полупроводниковые ИМС. Гибридные микросхемы заняли доминирующее положение в схемах с большими электрическими мощностями, а также в устройствах СВЧ, в которых можно применять как толстопленочную технологию, не требующую жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок, так и тонкопленочную технологию для обеспечения нанесения пленочных элементов очень малых размеров.

Элементная база радиолюбителя

Интересный исторический факт: когда еще не было электрических паяльников, то выручала обычная пятикопеечная монета. Ее определенным образом затачивали и приклепывали к железной проволоке с деревянной ручкой. Будучи нагретой в пламени спиртовки монета вполне справлялась с функцией паяльника. Сейчас, конечно, такой совет кажется просто нелепым, но ведь было же!

При современной элементной базе, которая постоянно пополняется новыми микросхемами и транзисторами, таким «паяльником» просто нечего делать, ведь в некоторых случаях при ремонте электронной техники приходится пользоваться микроскопом. Таким образом, элементная база определяет не только конструкцию электронных устройств, а еще и то, какими инструментами эти устройства будут собираться или ремонтироваться.

Достаточно просто и наглядно развитие элементной базы можно проследить на различных поколениях ЭВМ, по современной терминологии компьютеров. Вот уже почти сорок лет развивающийся рынок персональных компьютеров как локомотив тащит за собой кремниевые технологии, что вызывает появление все новых и новых электронных компонентов.

Электромеханические вычислительные машины

Еще до создания ЭВМ использовались электромеханические вычислительные устройства – табуляторы. Первый табулятор был изобретен еще в 1890 году Германом Хопперитом в США, для подсчета результатов переписи населения. Ввод информации осуществлялся с перфокарт, а результаты обработки выдавались в виде распечатки на бумаге. Табуляторы были основным оборудованием машиносчетных станций – МСС. В СССР МСС дожили до семидесятых годов двадцатого столетия, по крайней мере, в составе крупных госпредприятий.

Основной задачей МСС был расчет заработной платы. Именно оттуда появлялись расчетные листки, которые до сих пор называют «корешками». Внешний вид «современного» табулятора показан на рисунке (квадрат с правого бока это рабочая программа, набранная проводами на коммутационной панели). Вес такой вычислительной техники достигал 600 кг. В 1939 году в США по заказу военных фирмой IBM была разработана вычислительная машина Mark 1.

Ее элементной базой были электромеханические реле. Сложение двух чисел она выполняла за 0,3 сек, а умножение за 3. Mark 1 предназначалась для расчета баллистических таблиц. Компьютер Mark 1 содержал около 750 тысяч деталей, для соединения которых потребовалось 800 км проводов. Его размеры: высота 2,5м, длина 17 м.

Поколения ЭВМ и элементная база

Первое поколение ЭВМ было построено на электронных лампах. Так в Великобритании в 1943 году была создана ЭВМ Colossus. Правда, она была узкоспециализированная, ее назначение состояло в расшифровке немецких кодов путем перебора разных вариантов. Устройство содержало 2000 ламп, при этом скорость работы составляла 500 знаков в секунду.

В Советском Союзе в период с 1948…1952 год также проводились разработки ламповых ЭВМ, как и в США, использовавшихся в основном военными. Одной из лучших ламповых ЭВМ советского производства следует признать машины серии БЭСМ (большая электронная счетная машина). Всего было выпущено шесть моделей БЭСМ-1 … БЭСМ-2 (ламповые) БЭСМ-3 … БЭСМ-6 уже на транзисторах. На момент создания каждая модель этой серии была лучшей в мире в классе универсальных ЭВМ.

Второе поколение ЭВМ 1955 – 1970 гг

Элементной базой второго поколения были транзисторы и полупроводниковые диоды. По сравнению с ламповыми, транзисторные ЭВМ были менее габаритны, потребляемая мощность также была намного ниже. Быстродействие ЭВМ второго поколения достигало до полумиллиона операций в секунду, появились внешние запоминающие устройства на магнитных носителях – магнитные ленты и магнитные барабаны, были созданы алгоритмические языки и операционные системы.

Третье поколение ЭВМ 1965 – 1980 гг

Для третьего поколения в качестве элементной базы использовались микросхемы малой и средней степени интеграции – в одном корпусе содержалось до нескольких десятков полупроводниковых элементов. Прежде всего это были микросхемы серий К155, К133. Быстродействие таких ЭВМ достигало 1 млн. операций в секунду, появились монохромные алфавитно – цифровые видеотерминалы (у машин второго поколения использовались телетайпы и специальные пишущие машинки).

Дальнейшее развитие элементной базы привело к созданию микросхем большой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степени интеграции. В одном корпусе таких микросхем содержится несколько сотен элементов. Эти микросхемы в СССР были представлены серией К580.

Четвертое поколение ЭВМ 1980 – настоящее время

Это поколение появилось на свет благодаря созданию фирмой Intel в 1971 году микропроцессора, что было явлением просто революционным. Чип Intel 4004 при размерах кристалла 3,2*4,2 мм, содержал 2300 транзисторов и имел тактовую частоту 108 КГц. Его вычислительная мощность была эквивалентна ЭВМ ENIAC. На базе этого устройства был создан новый тип компьютера микро – ЭВМ. Первые персональные компьютеры (ПК) были выпущены в 1976 году фирмой Apple, но в 1980 году фирма IBM перехватила инициативу, создав свой ПК IBM PC, архитектура которого стала международным стандартом профессиональных ПК. Современные процессоры второго поколения Core i7 фирмы Intel содержат свыше миллиарда транзисторных структур.

Элементная база бытовой электроники

Как уже было сказано выше, локомотивом развития элементной базы электроники стал быстро растущий, развивающийся рынок ПК. Благодаря этому современная бытовая техника напоминает специализированный компьютер. Телевизоры, домашние кинотеатры, проигрыватели DVD дисков имеют такие эксплуатационные параметры, которые лет двадцать назад просто невозможно было представить.

Даже стиральные машины, холодильники, простые новогодние гирлянды управляются микроконтроллерами. Современные поющие и говорящие детские игрушки, сделанные в Китае, также с микроконтроллерным управлением. Кстати, поразительный факт: еще в шестидесятые годы двадцатого столетия китайцы не могли наладить даже выпуск детекторных приемников, а теперь почти вся электроника делается в Китае.

В промышленности также любое современное устройство управления техпроцессом, даже не очень сложное построено на основе микроконтроллеров и, как правило, имеет интерфейс для подключения к ПК. Такой интерфейс имеют, например, электронные счетчики электроэнергии, что позволяет использовать их в системах автоматического учета.

Надежность современных электронных компонентов достаточно высока. Тем не менее, нередки случаи, когда любая электронная техника приходит в негодность, нуждается в ремонте. В случае поломки бытовой электронной техники не всегда возможно отнести неисправное устройство в специализированную мастерскую, просто не везде они есть. Тогда на помощь приходят радиолюбители, ремонтирующие технику в своих домашних мастерских.

Квалификация таких домашних мастеров, как правило, очень высокая, ведь ремонтируется весьма широкий спектр электронной техники: от простых дверных звонков до спутниковых систем телевидения. Об устройстве и организации таких мастерских на дому будет рассказано в следующей статье.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Элементная база

Элементная база современных ПМК, изготовленная по КМОП-технологии, обеспечивает малое потребление энергии, что позволяет использовать в качестве автономных источников питания не только химические элементы, ной фотоэлектрические ( солнечные) батареи, применяемые в массовых ПМК. [3]

Элементная база для БИС микропроцессоров и схем памяти в настоящее время развивается на основе совершенствования схемотехнических, технологических и конструктивных методов биполярных ИМС ( ЭСЛ, ТТЛШ и И2Л) для МП БИС и МДП-ИМС различной модификации для схем памяти. [5]

Элементная база состоит из электрорадиоизделий ( ЭРИ), входящих в перечень элементов электрической принципиальной схемы РЭА ( или частей РЭА) как комплектующие изделия. [6]

Элементная база уже претерпела несколько радикальных изменений я продолжает совершенствоваться. Если первое поколение систем и ЭВМ Создавалось на базе вакуумных электронных ламп и релейно-контактных элементов с отмеченными выше недостатками, тб второе поколение возникло на основе полупроводниковой электроники. [7]

Элементная база ее значительно проще, так как при расчетах участков постоянного тока, не требующих исследований переходных процессов, модель не должна содержать реактивные элементы. [8]

Элементная база и структуры схемных коммутаторов весьма разнообразны. [9]

Элементная база ЭВМ второй очереди имеет более высокие характеристики по сравнению с интегральными схемами ( ИС), использованными при создании ЭВМ I очереди и при модернизации. Важной особенностью элементной базы ЭВМ II очереди является использование ИС памяти. [14]

Элементная база ЭВМ в зависимости от конструктивно-технологического исполнения может быть ламповой, полупроводниковой или выполненной на интегральных микросхемах. Каждому поколению ЭВМ соответствует определенная элементная база. [15]

Источник

Элементная база

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

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:

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 Е_см 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.

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 Т_и (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.

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 IК-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 IК-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.

Источник