Цифровые схемы – Цифровые схемы Википедия

Цифровые схемы Википедия

Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, IC (англ.)), микросхе́ма, м/сх, чип (англ. chip «тонкая пластинка»: первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового, в случае вхождения в состав микросборки[1].

Бо́льшая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

История[ | ]

7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер (англ. Geoffrey Dummer) впервые выдвинул идею объединения множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника. Осуществление этих предложений в те годы не могло состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип объединения, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного производства. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом (англ. P–n junction isolation)). Роберт Нойс из

ru-wiki.ru

Электронная схема — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 июня 2016;
проверки требуют 15 правок.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 июня 2016;
проверки требуют 15 правок.

Электронная схема — изделие, сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, соединённых между собой, для выполнения каких либо задач или схема (рисунок) с условными знаками.

Различные комбинации компонентов позволяют выполнять множество как простых, так и сложных операций, таких как усиление сигналов, обработка и передача информации и так далее[1]
Электронные схемы строятся на базе дискретных компонентов, а также интегральных схем, которые могут объединять множество различных компонентов на одном полупроводниковом кристалле.

Соединения между элементами могут осуществляться посредством проводов, однако в настоящее время чаще применяются печатные платы, когда на изолирующей основе различными методами (например, фотолитографией) создаются проводящие дорожки и контактные площадки, к которым припаиваются компоненты[2].

Для

ru.wikipedia.org

Глава1 Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем

Введение

Вся
современная схемотехника разделяется
на две большие области: аналоговую и
цифровую. Аналоговая схемотехника
характеризуется максимальным
быстродействием, малым потреблением
энергии и малой стабильностью параметров.
Цифровая схемотехника обладает прекрасной
повторяемостью параметров. Это привело
к её развитию в последние годы. В
результате в ряде устройств потребление
цифровых модулей оказалось сравнимым
и даже меньше потребления аналоговых
схем, реализующих те же функции. Основные
направления развития цифровых микросхем
в настоящее время приведены на рисунке 1.1

 
Рисунок 1.1
Классификация видов цифровых микросхем

Для
того, чтобы лучше понимать особенности
работы цифровых микросхем в данном
курсе мы кратко повторим особенности
основных технологий производства
цифровых микросхем, применяемых в
настоящее время: ТТЛ,
и КМОП,

По
мере развития цифровых микросхем их
быстродействие достигло впечатляющих
результатов. Наиболее быстрые из цифровых
микросхем обладают скоростью переключения
порядка 3..5 нс. (серия микросхем 74ALS), а
внутри кристалла микросхемы, где нет
больших ёмкостей нагрузки время
переключения измеряется пикосекундами.
Таким быстродействием обладают
программируемые логические схемы и
заказные БИС. В этих микросхемах алгоритм
решаемой задачи заключён в их принципиальной
схеме.

Часто
для решаемой задачи не требуется такого
быстродействия, каким обладают современные
цифровые микросхемы. Однако за
быстродействие приходится платить:

  1. Быстродействующие
    микросхемы потребляют значительный
    ток.

  2. Для
    решения задачи приходится использовать
    много микросхем, это выливается в
    стоимость и габариты устройства.

Первую
задачу решает применение технологии
КМОП цифровых микросхем (например
микросхемы серий 1564, 74HC, 74AHC). Потребляемый
ими ток зависит от скорости переключения
логических вентилей. Именно поэтому в
настоящее время подавляющее большинство
микросхем выпускается именно по этой
технологии.

Вторую
задачу решают несколькими способами.
Для жёсткой логики это
разработка специализированных
БИС
.
Использование специализированных БИС
позволяет уменьшить габариты устройства,
но стоимость его снижается только при
крупносерийном производстве. Для
среднего и малого объёмов производства
такое решение неприемлемо.

Ещё
одним решением уменьшения габаритов и
стоимости устройства является применение
программируемых логических схем (ПЛИС).
Это направление активно развивается в
настоящее время.

Глава 2 Области применения цифровых микросхем

Цифровые
микросхемы первоначально разрабатывались
для построения электронно-вычислительных
машин, получивших в дальнейшем название
компьютеры. То есть первое их предназначение
было заменить человека при выполнении
рутинной работы. Сейчас, наверное, никто
и не вспомнит, что слово калькулятор
ещё каких-нибудь шестьдесят лет назад
обозначало не маленький карманный
прибор, а профессию большого числа
людей, которые занимались расчётами по
конкретным математическим формулам.

Однако
вскоре после начала массового производства
цифровых микросхем выяснилось, что они
оказались очень удобны для управления
какими либо объектами. При этом управляемая
схема может обычно находиться в двух
состояниях. Например: схема может быть
либо включена, либо выключена, светодиод
может либо гореть, либо не гореть,
соединение в телефонной станции может
быть или не быть, радиостанция может
находиться в режиме передачи или в
режиме приёма. В результате цифровые
микросхемы практически полностью
вытеснили применявшиеся ещё с
девятнадцатого века для управления
приборами  электромагнитные реле и
перфокарты.

При
выполнении задачи управления для
описания состояния объекта достаточно
двух значений: напряжение высокое или
низкое (положительное или отрицательное)
ток протекает или не протекает. Это
позволило избавиться от многих неприятных
моментов аналоговых схем. Например,
ошибка при прохождении через схему не
увеличивается (в отличие от шумов), а в
ряде случаев даже может быть скомпенсирована.
Сами цифровые схемы при правильном
использовании не вносят ошибок. Эти
свойства цифровых микросхем привели к
бурному развитию цифровой техники.

Приведённые
преимущества привели к тому, что в
дальнейшем цифровая техника стала
использоваться и для решения других
задач. Например для формирования
высокостабильных колебаний для
радиотехнических изделий или для
использования в качестве эталонных
интервалов времени в часах. Здесь тоже
нет необходимости формировать различные
уровни напряжения генерируемого сигнала.
Достаточно только, чтобы частота
генерируемого колебания была стабильной.

Затем
стали разрабатываться методы и теория
применения цифровых микросхем для
формирования аналоговых сигналов. И
здесь тоже основным фактором была
возможность заранее прогнозировать
уровень шумов. При этом уровень шума
зависит только от сложности схемы, и не
зависит (ну, или почти не зависит) от
количества схем, через которые проходит
сигнал. Это приводит к возможности
передавать сигнал на любое расстояние
(или производить любое количество копий
сигнала).

Особенности
цифровых устройств

Изучение
цифровой техники начнем с самых
элементарных вопросов: из каких элементов
строятся цифровые схемы и как они
устроены? Затем научимся реализовывать
на основе этих простейших элементов
цифровые устройства любой сложности.
Для этого нам потребуется изучить основы
алгебры логики и методы запоминания
цифровых сигналов. Мы научимся отображать
цифровую информацию и вводить ее в
цифровые микросхемы.

Прежде
всего отметим, что уровни логических
сигналов не уменьшаются при распространении
по цифровой схеме. Это означает, что
цифровые микросхемы принципиально
должны обладать усилением.

В
то же самое время логические уровни на
выходе цифрового устройства точно такие
же как и на входе, то есть они не возрастают
при прохождении через логический
элемент. Это обеспечивается тем, что на
выходе цифровой микросхемы происходит
ограничение сигнала.

То
есть цифровые микросхемы работают в
ключевом режиме: транзистор может быть
только открыт или закрыт. В результате
на идеальном транзисторе рассеивания
энергии не происходит и это означает,
что в цифровых микросхемах можно достичь
к.п.д близкого к 100%.

Виды
цифровых микросхем.

В
настоящее время используется несколько
видов логических элементов:

  • диодно-транзисторная
    логика 
    (ДТЛ)

  • транзисторно-транзисторная
    логика
     (ТТЛ,
    TTL)

  • логика
    на основе комплементарных МОП транзисторов
    (КМОП, CMOS)

  • логика
    на основе сочетания комплементарных
    МОП и биполярных транзисторов (BiCMOS)

Первоначально
получили распространение цифровые
микросхемы, построенные на основе ТТЛ
технологии. Поэтому до сих пор существует
огромное количество микросхем, построенных
по этой технологии или совместимые с
этими микросхемами по напряжению
питания, логическим уровням и цоколёвке.

studfiles.net

ОСНОВНЫЕ ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ

Главной особенностью цифровой схемотехники является использование двухуровневых сигналов. В аналоговой схемотехнике сигнал может принимать любое значение в пределах от минимального до максимального значения. В цифровых схемах он должен принимать одно из двух нормированных значений. Оба значения сигнала имеют одинаковую полярность, при этом одно значение близко к нулю вольт, а второе имеет значение порядка единиц вольт (по модулю). Малый сигнал принято называть сигналом (уровнем) логического нуля и обозначать U0 (это отнюдь не означает, что U показатель степени, равный нулю!). Большой сигнал называют сигналом (уровнем) логической единицы и обозначают U1. Нормированные значения U0 и U1 для разных типов выпускаемых промышленностью микросхем приведены ниже, в табл. 11.4 – легко увидеть, что они различаются не только количественно, но и полярностью.

Применение двухуровневых сигналов позволяет существенно повысить надежность функционирования электронных схем. В аналоговых схемах любое отличие значения сигнала от требуемого является ошибкой, которая может привести к тяжелым последствиям. Напротив, в цифровых схемах небольшое отклонение сигнала от номинала ошибкой не является, если не перейден порог Uпор между нулем и единицей, как правило равный

Uпор = 0,5(U0 + U1).

Например, в цифровой схеме приняты номинальные значения U0= 0,5В, U1=4,5В;тогда Uпор = 2,5 В. Если уровень U1 по каким-то причинам понизился до 2,55 В, т. е. остался выше порога, то электронное устройство все равно сработает правильно. Использование двухуровневых сигналов дает и второе преимущество – функционирование цифровых схем можно описать с помощью так называемой «булевой» алгебры – алгебры двоичных чисел. Само по себе двоичное счисление проигрывает традиционному десятичному, так как требует огромного количества разрядов (например, трехразрядное десятичное число 129 в двоичном варианте имеет 8 разрядов). Однако возможность применения «булевой» алгебры существенно облегчает проектирование сложных электронных схем. От близости электронных схем к математическому аппарату пошло и их название – «цифровые».

Третье преимущество цифровой схемотехники перед аналоговой — малая номенклатура простейших схем, комбинацией которых являются все более сложные электронные устройства. Если рассмотрению модулей аналоговых схем в данном пособии посвящено девять глав, и при этом за рамками остались некоторые относительно редко используемые схемы, то в цифровой схемотехнике таких модулей – всего четыре: три логических схемы (И, ИЛИ и НЕ) и триггер. Впрочем, иногда триггер с раздельными входами и счетный триггер считают разными элементарными схемами – тогда число модулей доходит до пяти.

Следует отметить и недостатки цифровой схемотехники. Если в процессе работы значение сигнала преодолевает порог, то это может иметь катастрофические последствия, поэтому разработчики электронных изделий затрачивают массу усилий на то, чтобы корректировать такие ошибки. Малая номенклатура элементарных схем при ручном проектировании электронных устройств из-за «однообразия пейзажа» вызывает ошибки в соединении входов и выходов схем, для преодоления которых приходится разрабатывать тестовые сигналы. При проектировании следует также помнить, что уровни U0 и U1 для разных типов выпускаемых промышленностью микросхем различаются не только количественно, но и полярностью, поэтому создание электронных устройств на смешанной базе требует введения схем согласования уровней.

Похожие статьи:

poznayka.org

Цифровая схема Википедия

Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, IC (англ.)), микросхе́ма, м/сх, чип (англ. chip «тонкая пластинка»: первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового, в случае вхождения в состав микросборки[1].

Бо́льшая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

История[ | ]

7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер (англ. Geoffrey Dummer) впервые выдвинул идею объединения множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника. Осуществление этих предложений в те годы не могло состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип объединения, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного производства. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом (англ. 

ru-wiki.ru

Электронная схема — Википедия. Что такое Электронная схема

Электронная схема — это сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, соединённых между собой. Различные комбинации компонентов позволяют выполнять множество как простых, так и сложных операций, таких как усиление сигналов, обработка и передача информации и т. д.[1]
Электронные схемы строятся на базе дискретных компонентов, а также интегральных схем, которые могут объединять множество различных компонентов на одном полупроводниковом кристалле.
Соединения между элементами могут осуществляться посредством проводов, однако в настоящее время чаще применяются печатные платы, когда на изолирующей основе различными методами (например, фотолитографией) создаются проводящие дорожки и контактные площадки, к которым припаиваются компоненты[2].

Для разработки и тестирования электронных схем применяются макетные платы, позволяющие при необходимости быстро вносить изменения в электронную схему.

Раздел электроники, изучающий проектирование и создание электронных схем, называется схемотехника.

Обычно, при рассмотрении, электронные схемы классифицируются на аналоговые, цифровые, а также гибридные (смешанные).

Аналоговые схемы

В аналоговых электронных схемах напряжение и ток могут изменяться непрерывно во времени, отражая какую-либо информацию. В аналоговых схемах существуют два базовых понятия: последовательное и параллельное соединения. При последовательном соединении, примером которого может быть новогодняя гирлянда, через все компоненты в цепочке течёт один и тот же ток. При параллельном соединении на выводах всех компонентов создаётся одно и то же электрическое напряжение, но токи через компоненты различаются: суммарный ток делится в соответствии с сопротивлением компонентов.

Простая схема, содержащая батарею, резистор и соединительные провода, демонстрирует применение законов Ома и Кирхгофа для расчёта электрической цепи

Основными элементами для построения аналоговых устройств являются резисторы (сопротивления), конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, а также соединительные проводники. Обычно аналоговые схемы представляются в виде принципиальных электрических схем. За каждым элементом закреплено стандартное обозначение: например, проводники обозначаются линиями, резисторы — прямоугольниками и т. д.

Электрические цепи подчиняются законам Кирхгофа:

  • алгебраическая сумма токов в любом узле цепи равна нулю;
  • алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура. Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю.

При анализе реальных схем следует учитывать паразитные элементы: так, у реальных соединительных проводников существует сопротивление и индуктивность, несколько лежащих рядом проводников образуют ёмкость и т. д.

Цифровые схемы

В цифровых схемах сигнал может принимать только несколько различных дискретных состояний, которые обычно кодируют логические или числовые значения[3]. В подавляющем большинстве случаев используется бинарная (двоичная) логика, когда одному определённому уровню напряжения соответствует логическая единица, а другому — ноль. В цифровых схемах крайне широкое применение находят транзисторы, из которых строятся логические ячейки (вентили): И, ИЛИ, НЕ и их различные комбинации. Также, на базе транзисторов создаются триггеры — ячейки, которые могут находиться в одном из нескольких устойчивых состояний, и переключаться между ними при подаче внешнего сигнала. Последние могут быть использованы как элементы памяти: например, SRAM (статическая оперативная память с произвольным доступом) сделана на их основе. Другой тип памяти — DRAM — основан на способности конденсаторов запасать электрический заряд.

Цифровые схемы по сравнению с аналоговыми той же сложности значительно проще в разработке и анализе. Это связано с тем, что логические ячейки на выходе выдают только определённые уровни напряжений, и разработчику не надо заботиться об искажениях, усилении, смещении напряжения и прочих аспектах, которые необходимо учитывать при разработке аналоговых устройств. По этой причине, на основе логических элементов могут создаваться сверхсложные схемы с огромной степенью интеграции элементов, содержащие на одном кристалле миллиарды транзисторов, стоимость каждого из которых получается ничтожно малой. Именно это во многом и определило развитие современной электроники.

Гибридные схемы

Гибридные схемы объединяют элементы, относящиеся к аналоговой и цифровой схемотехнике. Среди прочих, к ним относятся компараторы, мультивибраторы, ФАПЧ, ЦАП, АЦП. Большинство современных радиоприборов и устройств связи используют гибридные схемы. К примеру, приёмник может состоять из аналоговых усилителя и преобразователя частот, после чего сигнал может быть преобразован в цифровую форму для дальнейшей обработки.

См. также

Примечания

  1. Charles Alexander and Matthew Sadiku (2004). «Fundamentals of Electric Circuits» (McGraw-Hill).
  2. Richard Jaeger (1997). «Microelectronic Circuit Design» (McGraw-Hill).
  3. John Hayes (1993). «Introduction to Digital Logic Design» (Addison Wesley).

Ссылки

wiki.sc

Электронная схема Википедия

Электронная схема — изделие, сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, соединённых между собой, для выполнения каких либо задач или схема (рисунок) с условными знаками.

Различные комбинации компонентов позволяют выполнять множество как простых, так и сложных операций, таких как усиление сигналов, обработка и передача информации и так далее[1]
Электронные схемы строятся на базе дискретных компонентов, а также интегральных схем, которые могут объединять множество различных компонентов на одном полупроводниковом кристалле.

Соединения между элементами могут осуществляться посредством проводов, однако в настоящее время чаще применяются печатные платы, когда на изолирующей основе различными методами (например, фотолитографией) создаются проводящие дорожки и контактные площадки, к которым припаиваются компоненты[2].

Для разработки и тестирования электронных схем применяются макетные платы, позволяющие при необходимости быстро вносить изменения в электронную схему.

Раздел электроники, изучающий проектирование и создание электронных схем, называется схемотехника.

Классификация[ | ]

Обычно, при рассмотрении, электронные схемы классифицируются на:

Аналоговые схемы[ | ]

В аналоговых электронных схемах напряжение и ток могут изменяться непрерывно во времени, отражая какую-либо информацию. В аналоговых схемах существуют два базовых понятия: последовательное и параллельное соединения. При последовательном соединении, примером которого может быть новогодняя гирлянда, через все компоненты в цепочке течёт один и тот же ток. При параллельном соединении на выводах всех компонентов создаётся одно и то же электрическое напряжение, но токи через компоненты различаются: суммарный ток делится в соответствии с

ru-wiki.ru