Układy cyfrowe

UKŁAD CYFROWY - ODMIANA UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH

Układy cyfrowe to rodzaj układów elektronicznych w których sygnały napięciowe przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przypisywane są wartości liczbowe. Najczęściej (choć nie zawsze) liczba poziomów napięć jest równa dwa, a poziomom przypisywane są cyfry 0 i 1, wówczas układy cyfrowe realizują operacje zgodnie z algebrą Boola i z tego powodu nazywane są też układami logicznymi. Układy cyfrowe są w praktyce realizowane różnymi technikami. W prostych urządzeniach automatyki powszechnie stosowane są układy elektryczne, wykorzystujące przekaźniki jako podstawowe elementy przełączające. Są stosowane również cyfrowe układy pneumatyczne i hydrauliczne. Złożoność logiczna i szybkość działania takich układów jest jednak relatywnie niewielka, natomiast ich rozmiary, ciężar, pobór mocy i koszt są duże. Najpowszechniej stosowane układy cyfrowe wytwarzane są technologią mikoroelektroniczną jako układy scalone.

Układ scalony (ang. integrated circuit - IC) stanowi fizycznie wykonany mikrominiaturowy układ elektroniczny, którego część lub wszystkie elementy i ich połączenia są wytworzone we wspólnym procesie technologicznym, wewnątrz lub na powierzchni wspólnego podłoża. W czasie procesu technologicznego wytwarza się jednocześnie wiele takich struktur układowych w postaci kostek (płatków, ang. chip) półprzewodnikowych, najczęściej krzemowych, które po przetestowaniu umieszcza się w odpowiednich obudowach (znacznie większych od struktur). Obudowy te chronią struktury od szkodliwych wpływów otoczenia i ułatwiają realizację połączeń zewnętrznych. Do celów aplikacyjnych układem(modułem) scalonym nazywa się półprzewodnikową strukturę układową, umieszczoną w obudowie, z wyprowadzonymi końcówkami. Cyfrowe układy scalone są wytwarzane wyłącznie jako układy monolityczne. Cyfrowe układy scalone, które jako elementy czynne wykorzystują tranzystory bipolarne (npn lubpnp),nazywasię bipolarnymi.Podobnie układy z tranzystorami unipolarnymi określa się jako unipolarne. Niżej wymienione jest siedem klas cyfrowych ukladów scalonych, z których pierwsze cztery osiągnęły wysoki poziom technologiczny i znaczne upowszechnienie rynkowe oraz w dalszym ciągu są ulepszane jakościowo i rozszerzane asortymentowo. Nazewnictwo klas wywodzi się z terminologii angielskiej, związanej z charakterystycznymi cechami konfiguracji elektronicznej podsawowego funktora logicznego lub z użytą technologią.
Są to następujące klasy:

TTL (ang. Transistor-Transistor Logic ) - układy TTL

ECL (ang. Emitter - Coupled Logic) - układy o sprężeniu emiterowym

MOS (ang. Metal-Oxide-Semiconductor) - układy MOS

CMOS (ang. Complementary MOS) - układy komplementarne MOS

I2 L (ang. Integrated Injection Logic) - układy iniekcyjne

CTD (ang. Charge Transfer Device) - układy o sprzężeniu ładunkowym

GaAs MESFET (ang. Gallium Arsenide Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor) - układy GaAs

Klasy TTL, ECL, I2 L obejmują układy bipolarne, a pozostałe klasy dotyczą układów unipolarnych. Układy MOS dzielą się na dwie główne podklasy PMOS i NMOS, zależnie od typu przewodnictwa kanału użytych tranzystorów. W układach CMOS stosowane są tranzystory MOS w obydwu typach przewodnictwa (p i n). Elementy układów scalonych. Podstawowymi elementami aktywnymi układów scalonych są tranzystory. Ogólnie dzieli się tranzystory na: bipolarne i unipolarne (polowe). W cyfrowych układach scalonych jako elementy bierne stosuje się diody i rezystory, natomiast kondensatory w zasadzie nie są wykorzystywane. Wyjątek stanowią dynamiczne układy unipolarne, a w szczególności pamięci dynamiczne MOS. Rezystory układów scalonych są również elementami półprzewodnikowymi, gdyż są wykonywane w postaci pasków odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika. UKŁADY TTL Zależnie od stopnia scalenia układy TTL dzieli się na układy o małym stopniu scalenia (MSI) i dużym stopniu scalenia (LSI). Jednakże te ostatnie są często układami TTL tylko końcówkowo, natomiast ich struktura wewnętrzna wykorzystuje inne konfiguracje układowe, np. ECL lub ISL. W praktyce inżynierskej układy TTL są traktowane jako układy uniwersalne. Dzięki dużemu asortymentowi typów i wielu odmian serii układy TTL dominują w zastosowaniach sprzętowych, wykorzystujących układy SSI i MSI. Konkurensyjne do nich są układy CMOS, a zwłaszcza ich odmiany szybkie (HCMOS i ACL). UKŁADY ECL
Klasa układów ECL znanych w polskim nazewnictwie jako układy o sprzężeniu emiterowym, obejmuje kilka rodzin i serii układów scalonych. Ich najważniejszą i najbardziej charakterystyczną cechą systemową jest bardzo duża szybkość działania. Typowe czasy propagacji nowoczesnych układów z tej klasy wynoszą 0.7¸2 ns, a ich maksymalna częstotliwość pracy 150 Mhz¸1.5 Ghz. Interesujące jest porównanie układów ECL z układami TTL-S pod względem odporności na zakłócenia:

układy ECL nie generują zkłóceń wewnętrznych, wywołanych zmianami prądu zasilania przy przełączeniu (pod warunkiem symetrycznego, jednakowego obciążenia), natomiast układy TTL-S produkują takie zakłócenia,

odporność układów ECL na zakłócenia zewnętrzne jest znacznie mniejsza niż w układach TTL-S, gdyż impedancje wyjściowe układów obydwóch klas są podobne, a wartości marginesów zakłóceń różnią się znacznie na korzyść układów TTL-S,

odporność układów ECL i TTL-S na zakłócenia przesłuchowe są podobne, biorąc pod uwagę uwagę podobny stosunek marginesu zakłóceń do wielkości ampitudylogicznej,

niekompensowane układy ECL są bardziej wrażliwe na wpływ zmian temperatury i napięcia zasilającego.

UKŁADY MOS Zależnie od typu przewodnictwa kanału w strukturach polowych, układy MOS dzieli się na dwie podklasy: PMOS i NMOS. Technologia wytwarznia układów NMOS jest trudniejsza. Dlatego najpierw opracowano i upowszechniono układy PMOS. Dopiero po osiągnięciu wystarczjąco dobrego poziomu technologicznego, zaczęto produkować seryjnie układy NMOS, które zapewniają większą szybkość działania, większą gęstość integracji i kompatybiloności współpracy z układami TTL. W związku z tym nowoczesne układy MOS są niemal wyłącznie układami NMOS. Cyfrowe układy MOS są realizowane w dwojaki sposób: jako układy statyczne (stanowią pod względem budowy logicznej dość wierne odbicie analogicznych układów bipolarnych, wadami są: relatywnie duża moc strat i duża złożoność układowa) lub dynamiczne (umożliwiają redukcję tych wad, jednak wymagają odpowiedniej synchronizacji pracy). UKŁADY CMOS
Układy komplementarne CMOS stanowią specyficzną podklasę układów MOS. Wyróżniają się one charakterystyczną techniką układową, wykorzystującą komplementarne tranzystory PMOS i NMOS do budowy układów cyfrowych bez jakichkolwiek elementów rezystorowych. Asortyment układów CMOS jest bardzo szeroki i obejmuje wszystkie stopnie scalenia: SSI, MSI, LSI i VLSI. Układy te są szeroko stosowane zarówno w elektronice profesjonalnej, jak też w sprzęcie elektronicznym masowego użytku. Układy CMOS można podzielić na cztery główne kategorie:
1. Układy do zastosowań masowych, o niewielkiej szybkości działania. Układy te nie są objęte ogólnie przyjętą standaryzacją typów.
2. Uniwersalne układy cyfrowe SSI i MSI, stanowiace funkcjonalne odpowiedniki układów TTL. Są one wytwarzane w dużym asortymencie, w czterech zasadniczych rodzinach: 4000B, HCMOS, ACMOS (FACT) i ACL. Dominacja nowoczesnych układów CMOS nad układami TTL jest wyraźna, również w odniesieniu do zdolności sterownia dużych obciążeń.
3. Uniwersalne układy cyfrowe LSI i VLSI, głównie układy mikroproce- sorowe i pamięciowe. Napięcie zasilania tych ukladów było pierwotnie ustalane jako równe 5 V + /- 0.5 V, aby zapewnić pełną kompatybilność zasilania z układami TTL.
4. Układy specjalizowane (ASIC - ang. Application Specific Integrated Circuits), takie jak matryce bramkowe i komórkowe.
Zasadnicze parametry cyfrowych układów scalonych.
Z punktu widzenia projektanta wykorzystującego cyfrowe układy scalone, istotne są następujące parametry:

szybkość działania,

moc strat,

odporność na zakłócenia,

zgodność łączeniowa i obciążalność.

Pamięci półprzewodnikowe. Układy pamięci półprzewodnikowych generalnie są wykonywane w technologii bipolarnej i unipolarnej. Większość pamięci wytwarza się przy użyciu technologii MOS i CMOS, które zapewniają największe pojemności i najniższy koszt w przeliczeniu na bit. Pamięci bipolarne są tradycyjnie stosowane tam, gdzie wymagana jest możliwie największa szybkość dzialania, na przykład do budowy bloków pamięci buforowej (ang. cach) w szybkich komputerach. Łączne wykorzystanie technologii bipolarnej i CMOS (technologia Bi-CMOS) umożliwia osiągnięcie stopnia scalenia zbliżonego do układów MOS i jednocześnie zwiększenie szybkości działania do poziomu bliskiego układom bipolarnym. Dużą szybkość oferują również układy pamięciowe wytwarzane na bazie arsenku galu (GaAs), lecz duże trudności technologiczne i bardzo duży koszt ograniczają praktyczne zastosowanie tej technologii. Łączenie układów pamięci scalonych w bloki o różnych organizacjach. System cyfrowy składa się z odpowiedniej liczby połączonych ze sobą układów scalonych. Im większy i bardziej złożony jest system, tym większa jest liczba użytych układów scalonych, przy czym często ze względów technicznych i ekonomicznych należy ze sobą łączyć układy scalone z różnych serii i klas. Stąd zdolność bezpośredniej współpracy różnych rodzajów cyfrowych układów scalonych stanowi ich istotny parametr techniczny. Układy A są zgodne łączeniowo (kompatybilne) z układami B, jeśli zarówno bezpośrednie połączenie wyjścia układu A z wejściem układu B, jak i bezpośrednie połączenie wyjścia układu B z wejściem układu A zapewnia elektrycznie porawną współpracę obydwóch łączonych układów. Cyfrowe układy scalone są projektowane głównie do współpracy z układami z tej samej serii. Do szacowania ilościowego możliwości takiej współpracy jest wprowadzone pojęcie znormalizowanego obciążenia N. Obciążenie to jest miarą liczby wejść układów z tej samej serii, które są przyłączone jednocześnie do jednego wyjścia. Maksymalna wartość Nmax jest określana jako obciążalność wyjściowa lub po prostu obciążalność. W układach scalonych TTL jest ona standardowo równa 10, co wynika z ograniczeń wywołanych obciążeniem statycznym. W układach ECL, MOS i CMOS obciążalność statyczna jest znacznie większa, lecz praktycznie dopuszczalna liczba N zależy od wartości pojemności obciążenia, która ogranicza szybkość procesorów przełączania. Przy wzajemnym łączeniu układów scalonych z różnych serii, lecz w obrębie jednej klasy, należy uwzględnić odpowiednie poprawki, zwiększające lub zmniejszające wartośc Nmax. Przy łączeniu układów scalonych z różnych klas często występuje konieczność stosowania odpowiednich układów pośredniczących (translatorów) lub dodatkowych elementów, umożliwiających sprzężenie układów o różnym trybie pracy i różnych napięciach wejściowych i wyjściowych (zarówno na niskim, jak i na niskim poziomie logicznym). Najczęściej jest stosowane określenie zgodności łączeniowej z układami TTL, co się tłumaczy bardzo szerokim upowszechnieniem tej klasy. Zdolność bezpośredniej współpracy z układami TTL, co stanowi dużą zaletę, mają układy NMOS i CMOS (przy uwzględnieniu określonych katalogowo ograniczeń, dotyczących Nmax).