Цифровые микросхемы

Цифровые сигналы

До сих пор рассматривались главным образом схемы, входные и выходные напряжения которых могли изменяться в определенном диапазоне значений: RС -цепи, интеграторы, выпрямители, усилители и т. п. Это естественно, когда сигналы, с которыми приходится иметь дело, либо являются непрерывными по самой своей природе (например, звуковые), либо представляют собой непрерывно меняющиеся напряжения, поступающие от измерительных приборов (например, от устройств для измерения температуры или обнаружения светового излучения, биологических или химических зондов и т. п.).

Однако входной сигнал по своей природе может быть и чисто дискретным, например импульсы в детекторе частиц или «биты» информации, поступающие от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобных случаях естественно и удобно использовать цифровую электронику, т. е. схемы, которые имеют дело с информацией, представленной в виде «единиц» или «нулей». Кроме того, для того чтобы непрерывную (аналоговую) информацию можно было обрабатывать на ЭВМ или хранить в виде чисел, ее необходимо преобразовать в цифровую форму и наоборот при помощи цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Характерным примером может служить ситуация, в которой микропроцессор или ЭВМ воспринимает сигналы от экспериментальной или промышленной установки, на основе полученных данных управляет параметрами эксперимента и хранит полученные результаты для последующего использования в процессе эксперимента.

Другим интересным примером, демонстрирующим возможности цифровых методов, является передача аналоговых сигналов без искажений, связанных с воздействием помех. Так, например, звуковые и видеосигналы, передаваемые по кабелю или с помощью радиоволн, воспринимают «шум», который потом нельзя отделить от полезного сигнала.

Если же передаваемый сигнал преобразовать в ряд чисел, определяющих его амплитуду в последовательные моменты времени, а затем эти числа передавать в виде цифровых сигналов, то аналоговый сигнал, восстановленный на приемной стороне (с помощью ЦАП), не будет содержать ошибок. Если, конечно, уровень шума в канале связи не настолько высок, чтобы помешать правильному распознаванию "единиц" и "нулей".

Этот метод, известный под названием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), особенно эффективен в том случае, когда сигнал должен проходить через ряд ретрансляторов, как, например, при межконтинентальной телефонной связи. Это связано с тем, что восстановление цифрового сигнала в каждом пункте ретрансляции гарантирует помехоустойчивую передачу. С помощью ИКМ космические зонды передают на землю данные и изображения.

Возможности цифровой аппаратуры настолько велики, что задачи, предназначенные зачастую только для аналоговых методов, зачастую гораздо лучше решаются цифровым путем. Например, в аналоговом измерителе температуры можно установить микропроцессор и память и в результате этого повысить точность измерений за счет компенсации нелинейности прибора. Подобные применения микропроцессоров ввиду их широкой доступности стали обычным делом. Однако вместо того, чтобы пытаться перечислить все случаи, где может применяться цифровая электроника, перейдем лучше к ее изучению, в процессе которого примеры будут возникать сами собой.

Под цифровой электроникой понимаются такие схемы, для каждой точки которых можно определить, как правило, только два состояния. Например, транзистор может быть либо заперт, либо насыщен. Обычно в качестве параметра выбирают не ток, а напряжение, уровень которого может быть ВЫСОКИМ или НИЗКИМ.

Эти два состояния могут представлять различные "биты" (binary digits - двоичные разряды) информации. Например, следующим образом: один бит числа: ключ замкнут или разомкнут, сигнал присутствует или отсутствует, уровень аналогового сигнала выше или ниже заданного предела, некоторое событие произошло или не произошло, требуется или не требуется выполнять некоторые действия и т.д.

Состояния ВЫСОКОГО и НИЗКОГО уровней некоторым заданным образом определяют «истинные» и «ложные» значения в булевой алгебре. Если в какой-либо точке схемы истинное значение определяет ВЫСОКИЙ уровень, то говорят, что эта сигнальная линия использует «положительную логику» и наоборот.

Значения напряжений, соответствующих ВЫСОКИМ и НИЗКИМ уровням, могут колебаться в некотором диапазоне. Например, для ТТЛ состояние НИЗКОГО уровня может быть представлено любым значением напряжения от -0,5 до 0,4 В (типичное значение составляет величину порядка 1/3 В выше уровня земли, что соответствует сигналу на выходе насыщенного n-p-n- транзистора с заземленным эмиттером), и ВЫСОКИЙ уровень – любым значением напряжения в пределах от +2,4 до +5,5 В (типовая величина составляет приблизительно 3,4 В).

Такие широкие диапазоны выбраны для того, чтобы изготовитель микросхем имел в своем распоряжении определенный допуск, в пределах которого параметры схемы могут колебаться за счет изменения температуры, нагрузки, напряжения питания, а также под воздействием шумов, т. е. разнообразных паразитных сигналов, которые добавляются к рабочему сигналу при его прохождении через схему (за счет емкостных связей, внешних наводок и т. п.).

Получив сигнал, схема определяет, каков его уровень (ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ), и действует соответствующим образом. Если помеха не превращает 1 в 0 или наоборот, то все прекрасно и любые помехи отсеиваются на каждой ступени, поскольку на выходе схемы восстанавливаются «чистые» значения 1 или 0. В этом смысле цифровая электроника не подвержена влиянию помех и является идеальной.

В течение последних 30 лет стандартным напряжением питания цифровых схем оставалось напряжение 5 В. Такое значение напряжения использовалось для обеспечения нормального режима работы биполярного транзистора. Однако в конце 80-х стандартной технологией при проектировании ИС стала технология КМОП. Для микросхем КМОП не является обязательным использование того же напряжения, что и для микросхем, выполненных по технологии ТТЛ, но для обеспечения совместимости со старыми системами промышленность адаптировала уровни логических сигналов к уровням сигналов ТТЛ.

Нынешняя революция в снижении напряжения питания микросхем происходит по причине роста требований к скорости и компактности интегральных микросхем при минимальной стоимости. Эти растущие требования привели к уменьшению размеров топологии кристалла с 2 мкм (в начале 80-х) до 0.25 мкм и менее; такая топология используется при разработке современных микропроцессоров и ИС. Благодаря тому, что эти размеры стали значительно меньше, напряжение, необходимое для оптимальной работы устройства, также упало ниже уровня в 5 В. Это видно на примере микропроцессоров для компьютеров, где оптимальное значение напряжения для питания ядра процессора определяется с помощью выводов идентификации напряжения питания и может снижаться вплоть до уровня 1.3 В.

Этот процесс будет продолжаться, так как огромный и постоянно растущий рынок портативных устройств потребляет процессоры, которые обладают всеми чертами низковольтных цифровых схем. С одной стороны, низковольтные ИС работают при малой потребляемой мощности, имеют меньшие размеры и более высокие скорости. С другой стороны, низковольтные ИС часто должны работать совместно с ИС, которым необходимо большее напряжение питания, из-за чего возникают проблемы совместимости. Хотя низкое рабочее напряжение означает уменьшение размаха сигнала, и, следовательно, шум переключения становится меньше, но для микросхем с низким напряжением питания уменьшается допустимый для нормальной работы устройства уровень шума (запас помехоустойчивости).

Сводка существующих логических стандартов с использованием диаграмм-«столбиков» показана на рис. 18.1. Здесь приведены минимальные и максимальные требуемые уровни входного и выходного напряжения, достоверно обеспечивающие высокий или низкий логические уровни. На диаграмме-"столбике", соответствующем входу, имеется три части. Нижняя часть показывает диапазон входного сигнала, который воспринимается как низкий логический уровень. В случае с ТТЛ-логикой с напряжением питания 5 В, этот диапазон будет соответствовать значению напряжения от 0 В до 0.8 В. Средняя часть показывает диапазон входного напряжения, в котором уровень сигнала не воспринимается гарантированно как низкий или высокий. Верхняя часть соответствует входному сигналу, который воспринимается как высокий логический уровень. В случае 5-вольтовой ТТЛ-логики, этот сигнал будет иметь напряжение от 2 до 5 В.

Аналогичным образом, на "столбике", соответствующем выходу, имеется три части. Нижняя часть показывает возможное напряжение низкого логического уровня на выходе. Для микросхем ТТЛ с напряжением питания 5 В это напряжение составляет от 0 В до 0.4 В. Средняя часть диаграммы показывает некорректный уровень выходного напряжения – устройство не должно выдавать сигнал такого уровня, за исключением момента перехода с одного логического уровня на другой. Верхняя часть "столбика" показывает допустимый диапазон напряжения для высокого логического уровня на выходе. Для 5-вольтовой ТТЛ- логики это напряжение находится между значениями 2.4 В и 5 В. Диаграммы не отражают 10% выбросы или провалы, которые также допустимы на входах в соответствии со стандартом.

Входные пороги обычной КМОП-логики, определяются как 0.3 U _ПИТ и 0.7 U _ПИТ.·Однако большинство изготовленных по технологии КМОП логических микросхем, которые используются сегодня, совместимы по логическим порогам с микросхемами ТТЛ и LVTTL; эти пороги также доминируют среди стандартов для цифровых схем, работающих при напряжении питания 3.3 В и 5 В. Обратите внимание, что для 5 В ТТЛ-логики и 3.3 В LVTTL -логики пороги входного и выходного напряжения одинаковы. Разница только в верхней границе допустимого диапазона для сигнала высокого уровня.

Рис.18.1. Уровни входных и выходных сигналов логических элементов

С помощью приведенной диаграммы можно проиллюстрировать некоторые возможные проблемы, возникающие при соединении двух ИС, работающих в различных стандартах. Например, соединение 5-вольтовой микросхемы КМОП с микросхемой LVTTL, работающей при напряжении U _ПИТ=3.3В. Высокий логический уровень на выходе 5-вольтовой КМОП слишком высок (>3.3 В), чтобы подавать этот сигнал на вход ИС LVTTL. Это может привести к необратимому повреждению микросхемы LVTTL. Возможна другая проблема: пусть микросхема типа JEDEC с напряжением питания 2.5 В управляет устройством КМОП с U _ПИТ = 5 В. Высокий логический уровень на выходе 2.5-вольтового устройства недостаточно высок для того, чтобы восприниматься как "высокий" входом микросхемы КМОП с напряжением питания 5 В (U_{ВХ МИН} = 3.5 В). Эти примеры показывают два возможных типа несовместимости логических семейств: либо устройство управляется слишком высоким напряжением, либо устройство не обеспечивает достаточно высокое напряжение, которое достоверно распознавалось бы принимающей ИС как сигнал высокого логического уровня.