Разработка функциональных узлов, выполняющих типовые для цифровых устройств микрооперации

Разработка функциональных узлов, выполняющих типовые для цифровых устройств микрооперации

Цель и задачи курсового проекта

Тема курсового проекта - «Разработка функциональных узлов (ФУ), выполняющих типовые для цифровых устройств микрооперации».

Целью курсового проектирования являются:

1. Изучение технических характеристик и состава элементной базы современной ЭВМ;

2. Практическое освоение формальных и эвристических приемов выбора оптимального варианта реализации ФУ из множеств возможных;

3. Обучение приемам описания ФУ построения временных диаграмм его работы, ориентировочного расчета быстродействия и потребляемой мощности;

4. Освоение правил оформления функциональных и принципиальных электрических схем;

5. Выработка навыков анализа переходных процессов в ФУ при помощи моделирования на ЭВМ.

Содержание и требования к выполнению курсового проекта.

1. Задание на проектирование ФУ и структурная схема ФУ, соответствующая заданию;

2. Синтез возможных вариантов реализации разрабатываемого узла на уровне функциональных схем с использованием формальных и эвристических приемов проектирования.

3. Сравнительный анализ полученных вариантов и выбор наилучшего варианта по заданному критерию оптимизации;

4. Выбор типа описания используемых серий микросхем:

а) выбор типа системы элементов и конкретной серии с учетом критерия оптимизации ФУ;

б) условные обозначения и технические характеристики конкретных микросхем, используемых в проектируемом узле;

в) описание элементов выбранной серии в целом;

5. Разработка принципиальной электрической схемы ФУ:

а) переход от функциональной к принципиальной электрической схеме; разводка и фильтрация цепей памяти; решение задачи неиспользованных входов микросхемы;

б) временные диаграммы работы ФУ;

в) описание ФУ с использованием временных диаграмм;

6. Расчет быстродействия переходных процессов и потребляемой мощности ФУ на ЭВМ;

7. Заключение и выводы по проделанной работе;

8. Перечень использованной литературы;

9. Приложение. Схема электрическая принципиальная и перечень элементов.

Задание на курсовое проектирование.

Индекс задания состоит из 4 позиций. Индекс моего варианта равен 2.1.5.3. Эти числа указывают на критерий оптимизации, номер задания, номер таблицы, номер варианта в таблице.

Критерий оптимизации: Максимум быстродействия.

Задание: Разработать распределитель тактовых импульсов, формирующий на выходах Z 1 и Z2 из N входных импульсов (от ГТИ), последовательности, указанные в таблице 1. Реализация на основе сдвигового регистра, двоичного счетчика.

Таблица 1. (вариант в таблице):

Для курсового проектирования я взял 2 режима: режим 1, режим 3.

Синтез ФУ.

Таблица переходов:

Минимизация (по карте Карно):

1.

Z1= x4 V x2x3 V x1x3

2.

Z2=x1 V x3x4

Переход в базис И-НЕ:

Z1= x4 V x2x3 V x1x3= ; Z2= x1 V

x3x4=

Выбор типа описания используемых серий микросхем

Перспективными, часто используемыми системами, имеющими широкий спектр СИС, являются системы типов ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП. Так как по критерии оптимизации мне достался максимум быстродействия, то я выбрал систему типа ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика). Цифровые микросхемы ЭСЛ имеют наибольшее быстродействие, но потребляют значительную мощность. В настоящее время широко используются серии 100, 500, 1500, отличающимися друг от друга типом корпуса и количеством СИС в серии. Особенность ЭСЛ в том, что схема логического элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ), транзисторы которого могут переключать ток, но при этом никогда не попадают в режим насыщения.

Рис. 1.1. Исходные схемы для элемента ЭСЛ:

На рис. 1.1, а показана основа логического элемента DD1 - переключатель тока. Если входным сигналом открыть транзистор VT, через него потечет весь ток, вытекающий из общей точки эмиттеров - Э. На коллекторе транзистора VT1 окажется напряжение низкого уровня. В этот момент транзистор VT2 тока не имеет, он вынужденно находится в состоянии отсечки. На его коллекторе отсутствует напряжение высокого уровня. Наличие генератора стабильного тока (ГСТ) принципиально - с его помощью строго фиксируются выходные логические уровни.

На рис. 1.1,б показан простейший одновходовой элемент ЭСЛ. Новым в развитии элемента DD1 (рис. 1.1, а) здесь является источник опорного напряжения Uon. Это напряжение фиксирует порог срабатывания переключателя тока. Тем самым дифференциальный усилитель превращается в логический элемент. У него теперь два состояния выходов, которые переключаются лишь при условии: Uвх>Uon. Однако при проектировании ЭСЛ ставилась задача: получить сверхскоростную логику. На схеме (рис. 1.1,б) этого достичь нельзя, так как выходное сопротивление выходов Q и Q с инверсией велико, оно приближается к номиналу Rk. Для снижения выходного сопротивления к коллекторным выходам подключаются эмиттерные повторители-транзисторы VT3 и VT4, работающие в линейном режиме (рис. 1.1, в). Теперь выходное сопротивление эмиттерного выхода принципиально уменьшается.

где (В+1)-коэффициент усиления транзистора - эмиттерного повторителя по току. Эмиттерные выходы чаще делаются «открытыми», чтобы можно было их соединять в элементы «монтажное ИЛИ». Кроме того, внутренние нагрузочные резисторы рассеивают большую мощность, чем сильно ухудшают тепловой баланс корпуса ЭСЛ. Во многих случаях не обязательно отбирать от повторителей VT3-VT4 максимальный ток. Сопротивление внешнего нагрузочного резистора Rн можно выбрать самостоятельно в широких пределах, например от 300 Ом до 30 кОм.

На рис. 1.1, г показан следующий шаг развития схемотехники ЭСЛ: для получения нескольких логических входов следует использовать один пороговый транзистор (в схеме он составной: VT3-VT2) и несколько параллельно соединенных входных транзисторов. В данном случае логическую функцию входов A и B реализуют транзисторы VT4 и VT1. В современных ЭСЛ логические входы снабжаются внутренними резисторами. Такой резистор, во-первых, позволяет оставлять неиспользуемые логические входы свободными, неприсоединенными; во-вторых, эти резисторы служат предыдущим элементам ЭСЛ нагрузками для их выходных эмиттерных повторителей. В правой части схемы (рис. 1.1, г) показан простейший источник порогового напряжения Uon (резисторы R1, R2 и диоды VD1, VD2), который вырабатывает опорное напряжение 4,6 B, он снабжен эмиттерным повторителем VT3 для увеличения нагрузочной способности.

Отметим дальнейшую принципиальную особенность микросхем ЭСЛ: они питаются отрицательным напряжением - -Uи.п. (т.е. - напряжение подается от эмиттеров), причем коллекторные цепи заземляются. Этим способом повышается помехоустойчивость ЭСЛ.

Рис. 1.2. Способы подачи питания на ЭСЛ: а - с заземленными эмиттерами; б - с нулевой коллекторной шиной; в - с раздельными коллекторными выводами

На рис. 1.2, а показана передача сигнала Uc от эмиттерного повторителя VT3 из элемента-источника DD1 (ЛЭЙ) на базовый вход транзистора VT1 в логическом элементе-приемнике DD2 (ЛЭП). Видно, что большой ток потребления Iпот, протекающий по относительно тонкому проводнику коллекторного питания Uи.n.к, имеющему определенное погонное сопротивление R, даст напряжение помехи Un, которое в сумме с сигналом U поступит на вход А2 элемента DD2. Из этого обстоятельства следуют два вывода: во-первых, коллекторная шина питания делается большого сечения и заземляется (дается нуль потенциала, см. рис. 1.2,б); во-вторых, разъединяются коллекторные цепи переключателя тока и эмиттерных повторителей (рис. 1.2, в). Корпус ЭСЛ имеет, таким образом, два вывода коллекторного питания Uи.п. к1 и Uи.п. к2 и один вывод эмиттерного -Uи.п.э = -5,2 В.

Рис. 1.3. Логический элемент ЭСЛ серии К500: а - принципиальная схема; б - включение; в - схема для снятия переключательных характеристик; г - переключательные характеристики для выходов Q и Q с инверсией; д - временная диаграмма

К помехам, возникающим в шине эмиттерного питания -Uи.п.э, переключатель тока - дифференциальный усилитель менее чувствителен, так как в эмиттерной цепи присутствует генератор стабильного тока, который фиксирует ток, не позволяет ему изменяться, если меняется напряжение источника эмиттерного питания -Uи.п. э (что равноценно помехе). Чем выше качество схемы ГСТ, тем значительнее ДУ ослабляет эмиттерный синфазный сигнал помехи. Желательно, чтобы ток ГСТ не зависел как от пульсаций по шине, так и от изменений температуры. Учитывая вышеизложенную последовательность схемотехнического развития, нетрудно проанализировать полную схему элемента ЭСЛ серии К500 (рис. 1.3, а). На рис. 1.3,б показано включение этого элемента, причем внешние резисторы нагрузки Rн следует присоединять, если данный элемент работает как оконечный. Таким образом, все логические уровни ЭСЛ имеют место в отрицательной области потенциалов («под землей»). Такие логические уровни непосредственно не совместимы со схемами ТТЛ и КМОП, что считается большим недостатком ЭСЛ. Оба коллекторных вывода Uи.п. к1 и Uи.п. к2 присоединяются к нулевой шине (или поверхности) печатной платы. На рис. 1.3, в показана схема, позволяющая снять зависимости выходных напряжений UQ и UQ с инверсией изменения входного напряжения Uвх, которое будем изменять с помощью потенциометра R1. Полученная зависимость представлена на рис. 1.3, г. Видно, что амплитуда, выходных импульсов микросхем ЭСЛ (см. также осциллограмму, рис. 1.3, д): примерно равна 0,9 В.

Рис. 1.4. Поперечные сечения интегральных транзисторов:

На рис. 1.4, а показано поперечное сечение биполярного транзистора с p-n-изоляцией, на котором строились в 70-х годах, как аналоговые микросхемы, так и цифровые ЭСЛ. Такие транзисторы имели частоту единичного усиления f=1,5 ГГц. Плотность упаковки получалась: 10 элементов на кв. мм. Следует отметить, что первые серии ЭСЛ появились еще в середине 60-х годов. В связи с чрезмерно удельной рассеиваемой мощностью этих наносекундных микросхем, многие их варианты тогда имели: массивную гибридную конструкцию. В последующее двадцатилетие широкое распространение как прототипы получили последовательно сменявшие друг друга серии полупроводниковых ЭСЛ фирмы Motorola (например, MECL 100, MECL 1000, MECL 10000, MECL 2500). В ходе развития не только улучшались параметры, но и совершенствовалась схемотехника как собственно элемента, так и функциональных узлов, входящих в серии. Логический элемент серии MECL 10000 (иногда ее обозначают MECL 10К) соответствует схеме рис. 3.3, а.

Страницы: 1, 2