내부의 논리 요소. 계획, 설명

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디지털 마이크로 회로는 디지털 정보를 처리, 변환 및 저장하도록 설계되었습니다. 그들은 시리즈로 발행됩니다. 각 시리즈에는 논리적 요소, 트리거, 카운터, 산술 장치의 요소(다양한 수학 연산 수행) 등 기능별로 통합된 장치 그룹이 있습니다. 시리즈의 기능 구성이 넓을수록이 시리즈의 미세 회로를 기반으로 만들어진 디지털 장치의 기능이 커집니다. 각 시리즈에 포함된 초소형 회로는 단일 설계 및 기술 설계, 단일 공급 전압, 동일한 레벨의 논리 0 및 논리 1 신호를 가지고 있어 동일한 시리즈의 초소형 회로가 호환 가능합니다.

디지털 마이크로 회로의 각 시리즈의 기초는 기본 논리 요소입니다. 일반적으로 기본 논리 요소는 AND-NOT 또는 OR-NOT 연산을 수행하며 구성 원리에 따라 DTL(다이오드-트랜지스터 논리) 요소와 같은 주요 유형으로 나뉩니다. 저항 트랜지스터 논리(RTL), 트랜지스터 트랜지스터 논리(TTL), 이미터 결합 트랜지스터 논리(ESTL), 소위 상보적 MIS 구조(CMDP)의 미세 회로. 디지털 초소형 회로의 KMDP 요소는 p형 및 n형 채널이 있는 MIS 트랜지스터 쌍(금속-유전체-반도체 구조 포함)을 사용합니다. 다른 유형의 기본 요소는 바이폴라 트랜지스터에서 만들어집니다.

아마추어 무선 실습에서는 TTL 및 KMDP 시리즈 마이크로 회로가 가장 널리 사용됩니다. On(그림 1)은 기본 논리 요소 AND-NOT TTL의 다이어그램을 보여줍니다. 요소의 입력에서 다중 이미 터 트랜지스터 VT1이 켜집니다. 모든 이미 터에 고전압이 가해지면 트랜지스터의 이미 터 접합이 닫힙니다. 이와 동시에 현재 저항 R1과 트랜지스터 VT1의 컬렉터 접합을 통해 흐르는 것은 트랜지스터 VT2를 열 것입니다.

저항 R3의 전압 강하는 트랜지스터 VT5를 여는 데 충분합니다. 트랜지스터 VT2의 컬렉터에서의 전압은 트랜지스터 VT3이 폐쇄되고, 트랜지스터 VT4가 그에 따라 폐쇄되도록 한다. 결과적으로 로직 0에 해당하는 낮은 레벨의 전압이 소자의 출력에 나타납니다.

그러나 요소의 입력 중 적어도 하나에 낮은 수준의 전압이 적용되면 트랜지스터 VT1의 이미 터 접합이 열리고 트랜지스터 VT2 및 VT5가 닫힙니다. 저항 R2를 통해 흐르는 전류로 인해 VTZ 트랜지스터가 열리고 포화 모드로 들어갑니다. 따라서 VT4 트랜지스터가 열리고 논리 1에 해당하는 하이 레벨 전압이 소자의 출력에 나타나므로 고려한 소자는 NAND 기능을 수행합니다.

TTL 시리즈 마이크로 회로의 구성에는 출력단에 컬렉터 부하가 없는 AND-NOT 논리 요소도 포함됩니다. 이것이 소위 오픈 컬렉터 NAND 소자입니다. 외부 부하에서 작동하도록 설계되어 전자기 릴레이, 표시 장치 등으로 사용할 수 있으며 개방형 컬렉터 회로는 두 개 이상의 출력이 하나의 물리적 회선에 연결된 경우 데이터 버스에도 사용됩니다(그림 1 ).

내부의 논리 요소
그림. 1

CMDS 구조가 이상적인 전압 스위치임을 상기하십시오. 이러한 스위치에는 p형 및 n형 채널이 있는 두 개의 MIS 트랜지스터가 있습니다. 스위치의 입력에 높은 레벨의 전압이 가해지면 n채널 트랜지스터가 열리고 p채널 트랜지스터가 닫힙니다. 그림 2는 KMDP 마이크로 회로의 AND-NOT(a) 및 OR-NOT(b)의 기본 요소 다이어그램을 보여줍니다. 낮은 수준의 전압(논리적 0)은 높은 수준의 전압(논리적 1)이 모든 입력 X1-X1에 동시에 적용되는 경우에만 AND-NOT 요소의 출력에 있습니다. 입력 중 적어도 하나(예: X6)의 전압이 낮으면 n-채널 트랜지스터 VT1이 닫히고 p-채널 트랜지스터 VTXNUMX이 요소의 출력이 있는 채널을 통해 열립니다. 전원에 연결됩니다.

따라서 출력은 논리 1에 해당하는 높은 수준의 전압을 갖게 됩니다. CMOS 구조에서 기본 OR-NOT 논리 요소를 구현하려면 직렬 및 병렬로 연결된 트랜지스터를 포함하는 회로 섹션을 그림 2b에서 교체해야 합니다.

쌀. 2 (확대하려면 클릭)

TTL 초소형 회로는 5V ± 10%의 전원 전압용으로 설계되었습니다. CMOS 구조를 기반으로 한 대부분의 미세 회로는 3-15V의 공급 전압에서 안정적으로 작동하며 일부는 9V ± 10%의 전압에서 작동합니다. 논리 레벨 0과 1은 최대한 달라야 합니다. 임계값 논리 1 U1thor - 출력 전압이 논리 0의 레벨에서 논리 1의 레벨로 변경되는 초소형 회로의 입력에서 가장 작은 고레벨 전압과 논리 0 U0thor의 임계 전압이 있습니다. 출력 전압이 논리 1의 레벨에서 논리 0의 레벨로 변하는 초소형 회로의 입력에서 가장 낮은 레벨의 전압.

가장 일반적인 일련의 미세 회로 및 이를 기반으로 하는 디지털 장치에 대한 자세한 고려를 진행하기 전에 논리 요소의 주요 매개변수에 대해 살펴보겠습니다. 여기에는 전원 공급 장치 전압, 로직 0 및 로직 1 전압 레벨, 부하 용량, 노이즈 내성 및 속도, 전력 소비가 포함됩니다.

U1por 시리즈의 TTL 마이크로 회로의 경우 = 2,4V; U0por \u0,4d 1V. TTL 마이크로 회로의 출력에서 로우 및 하이 레벨의 전압 U2,4out>=1V, U0,4out<=XNUMXV.

CMOS 구조 U1por>0,7* Upit, U0por>0,3* Upit를 기반으로 하는 미세 회로의 경우, 출력 전압 U0out 및 U1out이 XNUMX과 전원 전압에서 각각 편차가 발생하는 동일한 시간은 각각 수십 밀리볼트에 불과합니다. 추가 정합 장치 없이 다른 요소의 특정 수의 입력에 대해 작동하는 요소의 기능은 부하 용량이 특징입니다.

부하 용량이 높을수록 디지털 장치를 구현할 때 더 적은 수의 요소가 필요할 수 있습니다. 그러나 부하 용량이 증가하면 미세 회로의 다른 매개 변수가 저하됩니다. 속도 및 노이즈 내성이 감소하고 전력 소비가 증가합니다. 이와 관련하여 다양한 일련의 미세 회로의 일부로 주요 요소보다 몇 배 더 큰 부하 용량을 가진 소위 버퍼 요소가 있습니다. 정량적으로 부하 용량은 미세 회로의 출력에 동시에 연결할 수 있는 단위 부하의 수로 추정됩니다. 차례로, 단일 부하는 이 시리즈의 주 논리 요소의 입력입니다.

TTL k155 시리즈의 대부분의 논리 요소에 대한 출력 분기 계수는 10이고 k561 KMDP 시리즈 마이크로 회로의 경우 최대 100입니다. 기본 논리 요소의 노이즈 내성은 정적 및 동적 모드에서 평가됩니다. 이 경우 정적 잡음 내성은 회로 출력의 상태가 변경되지 않는 논리 0 및 1의 레벨과 관련하여 요소의 입력에 적용되는 전압 레벨에 의해 결정됩니다. TTL 요소의 경우 정적 잡음 내성은 최소 0,4V이고 KMDP 시리즈 미세 회로의 경우 공급 전압의 최소 30%입니다. 동적 노이즈 내성은 노이즈 신호의 모양과 진폭은 물론 로직 소자의 스위칭 속도와 정적 노이즈 내성에 따라 달라집니다.

기본 요소의 동적 매개변수는 우선 속도에 따라 평가됩니다. 정량적으로 성능은 제한 작동 주파수, 즉 이러한 기본 요소에서 수행되는 트리거의 최대 스위칭 주파수로 특성화될 수 있습니다. k155 시리즈의 TTL 칩의 제한 작동 주파수는 10MHz입니다. CMDP 구조의 k176 및 k561 시리즈 마이크로 회로는 1MHz에 불과합니다. 성능은 평균 신호 전파 지연 시간과 같은 방식으로 정의됩니다.

내부의 논리 요소
그림. 3

tsp.r.av.=0,5(t1,0zd.r+t0,1zd.r), 여기서 t1,0zd.r 및 t0,1zd.r - 켜고 끌 때 신호 전파 지연 시간 그림 3.

평균 신호 전파 지연 시간은 알고 있기 때문에 미세 회로의 보다 보편적인 매개변수입니다. 직렬 연결된 모든 미세 회로에 대해 tzd.r.sr을 합산하여 복잡한 논리 회로의 속도를 계산할 수 있습니다. K155 시리즈 미세 회로의 경우 tsp.r.sr은 약 20ns이고 K176 시리즈 미세 회로의 경우 200ns입니다. 정적 모드에서 마이크로 회로가 소비하는 전력은 논리 0(P1) 수준과 출력(P0)에서 논리 1 수준에서 다른 것으로 밝혀졌습니다. 이때 평균 소비전력 Рav=(Р2+РXNUMX)/XNUMX를 측정한다.

K 155 시리즈의 기본 요소의 정적 평균 전력 소비는 수십 밀리와트인 반면 K176 및 K561 시리즈 요소의 경우 XNUMX분의 XNUMX 이상 적습니다. 따라서 저전류 소모의 디지털 소자를 구축해야 한다면 CMOS 구조를 기반으로 한 미세회로를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 동적 모드에서 작동할 때 논리 요소에서 소비하는 전력이 증가한다는 점을 염두에 두어야 합니다. 따라서 Рср 외에 최대 스위칭 주파수에서 측정된 전력 Рdyn도 설정됩니다.

명심해야 합니다. 속도가 증가함에 따라 마이크로 회로가 소비하는 전력이 증가합니다.

작성자: -=GiG=-, gig@sibmail; 간행물: cxem.net

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