4 Circuite Integrate Numerice

  • View
    206

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of 4 Circuite Integrate Numerice

4CIRCUITE INTEGRATE NUMERICECircuitele integrate numerice (digitale) sunt circuite integrate care primesc la intrare semnale digitale i furnizeaz la ieirile circuitului semnale numerice. Ieirea este o funcie de: - valorile intrrilor, - starea n care se afl circuitul (la momentul de timp n care se calculeaz), - algoritmul intern de prelucrare. ntre dou secvene de actualizare strile ieirilor se consider c nu se modific de nici unul din elementele precizate. Pentru a desemna circuitele numerice se folosesc acronimele CIN sau CID. Circuitele numerice sunt sincrone dac verificarea stri intrrilor i prelucrarea semnalelor are loc ciclic la momente de timp impuse de un semnal de sincronizare (semnal de tact), indiferent de faptul c s-a modificat sau nu s-a modificat vreo intrare. Circuitele numerice asincrone ncep prelucrarea semnalelor, la momente de timp aleatorii, moment de timp impus de modificarea vreunei intrri sau de schimbarea strii interne a circuitului. Pentru prelucrarea semnalelor circuitul numeric are nevoie de un timp mai lung sau mai scurt, timp numit timp de rspuns sau timp de ntrziere sau tp timp de propagare (a impulsului de la intrare prin sistemul de prelucrare la ieirea circuitului). Timpul de rspuns al unui circuit numeric depinde de volumul de calcule i de viteza de comutate a dispozitivelor electronice (cu ajutorul crora a fost implementat respectivul circuit integrat), altfel spus depinde de tehnologia de realizare a CIN.

115

n cazul particular al circuitelor numerice integrate termenul de tehnologie nu se refer numai la procesul de realizare a circuitului ci i la elementele cu ajutorul cruia se realizeaz circuitele logice din componena integratului. Din acest punct de vedere exist tehnologii : [2,3] - bipolare, care au n componen tranzistori bipolari ; - unipolare, care au n componen tranzistori cu efect de cmp. Proiectarea unui dispozitiv (aparat electonic) care s ndeplineasc diferite activiti logice ncepe cu proiectarea logic a dispozitivului, este urmat de etapa de implementare cu circuite integrate numerice i se continu cu verificarea i testarea funcionalitii .a. Etapa de implementare const n adoptarea unor circuite numerice integrate i interconectarea acestora n scopul realizrii funciilor logice precizate n etapa anterioar. n acest scop ar trebui s studiem foile de catalog ale miilor de productori pentru a identifica circuitele necesare i a stabili dac pot fi interconectate (dac au aceleai reprezentri ale cifrelor binare, dac au aceeai surs de alimentare, dac au un timp de rspuns corespunztor, .a.). Pentru a micora efortul de implementare a dispozitivului, n cadrul fiecrei clase de tehnologii, circuitele numerice au fost grupate n serii (familii) de circuite integrate numerice standardizate, difereniate prin gradul de integrare i caracteristicile electrice (evideniate n paragraful 4.1). n raport cu gradul de integrare (numrul de tranzistori implementai pe pastila integratului) circuitele digitale pot fi: SSI (Small Scale Integration), cu mai puin de 50 tranzistori; MSI (Medium Scale Integration), intre 50 si 500 tranzistori; LSI (Large Scale Integration), intre 500 si 30.000 tranzistori; VLSI (Very Large Scale Integration), peste 30.000 tranzistori;

De menionat faptul ca, datorita complexitii circuitelor VLSI i a funciilor diferite pe care le implementeaz, acestea nu au fost standardizate, numai ca productorul circuitului asigura interfee de intrare / ieire care s permit comunicarea cu exteriorul, pe baza unui standard acceptat (unul din standardele enumerate n cele ce urmeaz ). 116

Principalele serii de circuite integrate numerice care au rezistat dea lungul timpului sunt: - n tehnologia bipolar, seriile TTL (Transistor Transistor Logic) i ECL (Emitter Coupled Logic); - n tehnologia unipolar, seriile CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), NMOS (N- channel MOS) , PMOS (P-channel MOS); - n tehnologie combinat unipolar i bipolar pe aceeai pastil de siliciu, seria BiCMOS (Bipolar Complementary MOS).

4.1. Parametrii care definesc o familie de circuite integrate logiceCaracteristcile interfetei electrice a standardului se exprim lund drept element de baz circuitul logic inversor (ieirea este valoarea negat a intrrii dac la intrare se aplic 0 ieire va fi n 1 i reciproc) al familiei respective, specificand: Caracteristica static de transfer; Marginile de imunitate la perturbaiile statice; Capacitatea de ncrcare a circuitelor logice; Timpul de propagare; Consumul de putere.

Caracteristica static de transfer este familia de curbe care exprim dependena tensiunii de ieire a circuitului n funcie de valorile pe care le ia tensiunea de la intrare. Se obine o familie de curbe, ca in figura 4.1, deoarece cifrei 1 logic nu i corespunde un singur nivel de tensiune ci un domeniu de tensiuni (la fel i pentru 0 logic). Se definesc mrimile: [10,11,12,13] VILmin - nivelul de tensiune minim pentru 0 logic la intrare, VILmax - nivelul de tensiune maxim pentru 0 logic la intrare, VIHmin - nivelul de tensiune minim pentru 1 logic la intrare, VIHmax - nivelul de tensiune maxim pentru 1 logic la intrare, VOLmin - nivelul de tensiune minim pentru 0 logic la ieire, VOLmax - nivelul de tensiune maxim pentru 0 logic la ieire, VOHmin - nivelul de tensiune minim pentru 1 logic la ieire, VOHmax - nivelul de tensiune maxim pentru 1 logic la ieire. 117

Pentru din fraza anterioara trebuie neles astfel - pentru ca circuitul s interpreteze respectiva valoare de tensiune drept 0 sau 1 logic i s acioneze corespunztor.

Fig. 4.1. Nivelele de tensiune notate cu cifre definesc zona de funcionare normal n absena perturbaiilor (VIL2 - VIL1 si VIH2 - VIH1) iar cu acolade s-au marcat zonele permise. Intervalul (VIHmin - VILmax) reprezint zona de tranziie. Marginea de imunitate la perturbaiile statice reprezint valoarea maxim a tensiunii perturbatoare care nsumat cu semnalul util aplicat la intrare, n cazul cel mai defavorabil, nu conduce la schimbarea comportrii circuitului (n sensul c dac la intrarea inversorului se aplica 0 ieirea devine 1 chiar i n prezena unui semnal perturbator). Marginea de imunitate la perturbaii garantat de productor se definete prin diferena nivelelor logice astfel: pentru 0 logic M L = VIL max VOL max , pentru 1 logic M H = VOH min VIH min . 118

Capacitatea de ncrcare a circuitelor logice se exprim prin factorul de ncrcare la intrare FI (Fan-In) i respectiv factorul de ncrcare la ieire FO (Fan-Out). n cazul cel mai defavorabil curenii absorbii de circuit de la intrare se noteaz IIL, IIH iar curenii furnizai de ieire se noteaz IOL, IOH. Fiecare circuit conectat la ieirea circuitului logic n discuie absoarbe un curent. Suma curenilor absorbii nu trebuie s depeasc curentul maxim pe care l poate furniza ieirea respectiv. Capacitatea de ncrcare a ieirii circuitului FO (Fan-Out) reprezint numrul maxim de pori logice ce pot fi conectate la ieire fr degradarea nivelelor logice (fr ca nivelul de tensiune furnizat de ieirea porii pentru starea 1 s scad sub pragul VOHmin) . Din punctul de vedere al intrrii circuitului situaia se prezint similar (pentru Fan-In). Capacitatea de ncrcare a circuitelor logice FO se exprim matematic prin valoarea cea mai mic a rapoartelor: I OL I OH , , I IL I IH

unde paranteza dreapt semnific partea ntreag. Timpul de propagare

Fig. 4.2.

119

Timpul de propagare exprim ntrzierea cu care se stabilete ieirea la valoarea corespunztoare semnalului aplicat la intrare. Deoarece intrarea nu se modific instantaneu ci intr-un timp finit t r msurarea timpului de propagare se face, ca in figura 4.2., ntre momentul cnd intrarea ajunge la 50% din valoarea final i momentul cnd ieirea ajunge la 50% din valoarea final. Se obin dou ntrzieri t pHL - corespunztoare cderii ieirii din H n L i t pLH - corespunztoare creterii semnalului de ieire din L n starea H. Uneori se calculeaz timpul mediu de propagare, ca medie aritmetic a celor doi timpi. Consumul de putere, este n direct legtur cu valoarea tensiunii sursei de alimentare de curent continuu, aa nct se impune precizarea i a altor elemente: tensiunea de alimentare (VCC sau VDD ); curenii absorbii de circuit, cnd ieirea este n starea 1 logic (ICCH), respectiv n starea 0 logic (ICCL); curentul cu ieirea n scurtcircuit (IOSC); puterea medie consumat (Pmed). Datorita comutaiei circuitului logic dintr-o stare n alta se consum o putere suplimentar, exprimat prin puterea necesar ncrcrii / descrcrii capacitilor parazite CP de la ieire:2 PCom = fC PVCC ,

putere dependent de frecvena f a semnalului de comutare. Puterea totala absorbita de la sursa de curent continuu este:PT = Pmed + PCom .

4.2. Circuite integrate TTLFamilia TTL (Transistor Transistor Logic), este cea mai cunoscut familie de circuite integrate digitale, fiind introdus de firma Texas Instruments (SUA) n anul 1965. Circuitele integrate sunt realizate cu tranzistori bipolari cu cuplaj direct (fr condensator de cuplaj ntre etaje). 120

Circuitele realizate n tehnologie TTL sunt alimentate (powered) de la o surs de c.c. cu valoarea VCC = 5 V ( 0,25 V ). Semnalele de la intrarea porii din domeniul 2 V,..., 5 V sunt interpretate drept 1 logic iar semnalele din domeniul 0 V,..., 0,8 V sunt interpretate drept 0 logic, ceea ce nseamn cVIHmin = 2 V , VILmax = 0,8 V.

Domeniul 0,8 V,..., 2 V dintre cele dou nivele limit se numete domeniul de incertitudine, pentru c un nivel de tensiune din acest domeniu aplicat la intrare va determina la ieirea porii un semnal logic aleatoriu (uneori 0 i alteori 1 fr a putea fi precizat). La ieirea porii avem urmtoarele nivele logice VOLmax= 0,4 V, VOHmin= 2,4 V.

Productorii de circuite integrate garanteaz, n condiii date, anumite valori limit pentru nivelele logice. Spre exemplu se garanteaz VOHmin = 2,7 V , VILmax = 0,5 V .

Diferena, n modul, dintre ieirea garantat a porii i nivelul logic s