Раздел 3: «Булева алгебра и логические схемы»

Лекция 7: «Логические элементы на основе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Арифметические устройства. Принципы работы интегральных микросхем ТТЛ серий. Эволюция реализации логических схем в компьютере»

План:

1. Электронные цифровые схемы.

2. Логические элементы на основе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

3. Разновидности ТТЛ-схем: Триггеры. Регистры сдвига. Счетчики. Шифраторы и дешифраторы.

4. Эволюция реализации логических схем в компьютере.

Литература:

1. Бильдюкевич Е.В., Гурачевский В.Л., Шушкевич С.С. ЭВМ и микропроцессор. – Мн., 1990. (3)

2. Блох А. Ш. Граф-схемы и их применение. Мн.: Выш. школа, 1975. (4)

3. Бордовский Г.А., Извозчиков В.А. и др. Информатика в понятиях и терминах. М., 1991. (5)

4. Гилмор Ч. Введение в микропроцессорную технику.– М., 1984. (8).

5. Гивоне Д., Россер Р. Микропроцессоры и микрокомпьютеры. – М., 1983.(11)

6. Жданович В.М., Луговский В.П., Русак И.М. Технические средства ЭВМ. Элементарная и конструктивная база. – Мн., 1991. – 637 с. (14).

7. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ: Практическое пособие для вузов. – М., 1990. (29)

8. Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. – М., 1988. – 392. (32)

9. Угрюмов У. Цифровая схемотехника. – СПб., 2000. (33)

10. Основы автоматики и вычислительной техники: Факультатив. курс: Учеб. пособие для 8–9-х кл. / А.Ш. Блох, С.Д.Зинчук, А.М. Качинский. – Мн., 1991.

11. Зінчук С.Дз., Міхайлік С.А., Пратасевіч І. М. Лабараторныя работы па фізічных асновах аўтаматыкі і вылічальнай тэхнікі: Вучэб.-метад. дапам. – Мн, 1999.

1. Электронные цифровые схемы

В 1907 г. была изобретена трехэлектродная электронная лампа и до середины ХХ века была единственным устройством, позволяющим усиливать электрические колебания различной частоты. В настоящее время самым распространенным активным элементом электронной техники остается транзистор.

В электронных цифровых схемах используют только одно его свойство: способность включать и выключать большой электрический ток при помощи малого тока управления.

Большинство электронных цифровых схем представляют собой электрические цепи из резисторов, диодов и транзисторов.

Резистор (рис. 1) – элемент, проводящий электрический ток. Он имеет два вывода и определенную величину электрического сопротивления R. Зависимость тока I, проходящего через резистор, от приложенного к нему напряжения U, подчиняется закону Ома: I= U/ R. Резистор относится к линейным элементам.

Рис. 1. Резистор и его вольтамперная характеристика (R3>R2>R1).

Диод (рис. 2) – нелинейный элемент, имеющий два вывода и проводящий электрический ток, если к его аноду приложен положительный, а к катоду – отрицательный полюса источника питания электрического напряжения. В этом случае говорят, что диод смещен в прямом направлении. Напряжение обратной полярности (плюс – к катоду, минус – к аноду) не вызывает тока через диод (диод пропускает очень малый ток и в обратном направлении, но он настолько мал, что его не учитывают). Включенный таким образом диод считается смещенным в обратном направлении.

Рис. 2. Диод и его вольтамперная характеристика: 1 – диод Шоттки, 2 – германиевый, 3 – кремниевый.

Транзистор (рис. 3) – нелинейный элемент, имеющий три внешние вывода: эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). Он изготавливается из полупроводникового материала (чаще из кремния). Наиболее быстродействующие транзисторы делаются из арсенида галлия, но они встречаются сравнительно редко.

Рис. 3. Транзистор.

В схемах, в которых эмиттер присоединен к общему проводу («земле»), или в схемах с общим эмиттером ток базы усиливается в цепи коллектора до значения I_к=ß*I_б, где ß=100–250. Нулевое и отрицательное напряжение на базе соответствуют режиму отсечки, при котором I_к=0. Начиная с некоторого значения тока базы I_б^нас, ток коллектора достигает насыщения, и дальнейший рост тока базы не влияет на величину тока коллектора.

Действие диодов и транзисторов основано на свойствах полупроводниковых материалов (например, кремний).

Существуют полупроводники двух типов – электронных (n-типа – отрицательный: появляются «лишние» электроны, которые становятся свободными носителями заряда) и дырочные (p-типа – положительный: появление «лишних связей», что эквивалентно потере электрона нейтральным атомом и образовавшаяся «дырка» обладает положительным зарядом.).

Если в одном кристалле создать граничащие между собой области проводимости p- и n-типа, то переход между ними (p–n-переход) обладает способностью проводить электрический ток только в одном направлении. На основе p–n-переходов изготавливаются полупроводниковые диоды, причем вывод от p-области называется анодом, а n-области – катодом.

Выше приведенный транзистор называется биполярным, т. е. использующим носители заряда обоих знаков. Его действие основано как на токе основных носителей (дырок в p-области или электронов в n-области), так и на токах не основных носителей (дырок в n-области или электронов в p-области).

Биполярный транзистор представляет собой два близко расположенных p–n-перехода (рис. 4). Толщина центральной области (базы) составляет 1–2 микрометра и даже менее.

Рис. 4. Структура и обозначение биполярных транзисторов.

Проанализируем работу транзистора типа n-p-n.

Основными носителями в эмиттерной и коллекторной областях являются электроны, а базовой – дырки. При отключенном коллекторе переход база–эмиттер представляет собой обычный диод и при положительном напряжении на базе через этот диод протекает электрический ток. Если же при этом подать на коллектор значительно большее положительное напряжение, то электроны эмиттера, попавшие в базу и продвинувшиеся на некоторое расстояние в сторону коллектора, окажутся в зоне действия сильного электрического поля коллектора. В реальных транзисторах из-за очень малой толщины базы большинство этих электронов будет собрано коллектором и лишь незначительная их часть (менее 1%) нейтрализуется, объединяясь (рекомбинируя) с основными носителями базы – дырками. Именно эта малая часть электронов образует ток базы, а пропорциональная этому току, но значительно большая часть электронов, беспрепятственно преодолевающих область базы, образуют ток коллектора.

Первый транзистор был изобретен в 1948 г. Через 20 лет электронная промышленность стала выпускать в год сотни миллионов транзисторов различных типов. Наиболее надежными, экономичными и компактными получаются устройства, в которых на одной полупроводниковой пластинке формируется много транзисторов, диодов и резисторов, а перемычки между ними получают путем металлизации, например методом вакуумного напыления металлических проводников через маску нужной конфигурации.

Устройства такого типа, заключенный в герметичный корпус с внешними выводами, называются интегральными схемами (ИС).

Материалом для большинства ИС служат кремний, подвергнутый тщательной очистке. Монокристалл кремния разрезаются на очень тонкие пластины, которые шлифуются и полируются до зеркального блеска. На 1 мм² такой пластины получают более тысячи транзисторных структур. Некоторые ИС (БИС) на кристаллах размерами 5х6 мм² содержат более 100000 активных элементов и представляют собой целые универсальные ЭВМ.