III. Integrované obvody

16.09.2007 13:36 | Ripxter

Integrované obvody (IO) sa v dnešnej dobe využívajú všade tam, kde sa používa akékoľvek elektronické zariadenie.
Čo je to vlastne IO ? V podstate to je funkčný celok vytvorený na jednom chipe. Obsahuje viacero prvkov predovšetkým tranzistory (pri microprocesoroch sú to desiatky až stovky miliónov), diódy, rezistory a kondenzátory.

IO rozdelujeme podľa toho s akým druhom signálu pracujú:
Spojité = analógové IO,pracujú s spojitým signálom a ich predstavitelom je operačný zosilnovač.
Číslicové (nespojité) = digitálne IO, pracujú s digitálnym signálom a ich predstavitelom sú logické obvody.
Logické obvody sa delia na dve velké skupiny. Kombinačné a Sekvenčné. Najväčší rozdiel spočíva v tom, že sekvenčné LO majú pamäť.

Ďalej môžeme kombinačné LO rozdeliť na:
1.Základné: AND, OR, NOR, NAND, NOT

AND:
Je logický obvod, ktorý modeluje logický súčin. Máme výroky A a B. Výrok A a B je pravdivý iba vtedy ak sú obidva pravdivé.

OR:
Je logický obvod, ktorý modeluje logický súčet. Výrok A alebo B je pravdivý práve vtedy, ak aspoň jeden z výrokov A a B je pravdivý.

NOR:
Je logický obvod, ktorý modeluje logický súčet a potom ho zneguje. Výrok A NOR B je pravdivý práve vtedy keď je výrok A OR B nepravdivý

NAND:
Je logický obvod, ktorý modeluje logický súčin a potom ho zneguje. Výrok A NAND B je pravdivý práve vtedy keď je výrok A AND B nepravdivý

NOT:
Je logický obvod, ktorý modeluje logickú negáciu. Negácia výroku A je výrok, ktorý je pravdivý práve vtedy, keď je výrok A nepravdivý a naopak.

EXCLUSIVE-OR (neekvivalencia):
Výrok A xor B je pravdivý práve vtedy, keď je práve jeden z výrokov A, B pravdivý.

EKVIVALENCIA <=>:
Výrok A <=> B je pravdivý práve vtedy, keď sú oba výroky A, B pravdivé alebo sú oba nepravdivé.

2.Zložené: kóder-dekóder, hradlo, multiplexor, demultiplexor, sčítačka-modul2 a pod....

Sekvenčné rozdelujeme na:
1.Asynchrónne = neriadené
2.Synchrónne = riadené

Technológie číslicových IO:
Popisujú vnútorné zapojenia logických členov.
DTL (diode transistor logic)
ECL (emitor coupled logic)
IIL (integrated injection logic)
TTL(transistor-transistor logic)

1.DTL:

GND = spločná zem t.j. spoločná pre napájanie aj pre spracovávaný signál.
Na vstupe má obvod diódy D1 , D2 , D3 , ktoré vykonávajú logický súčin.Tranzistor je v zapojení SE. Rezistor R3 nadstavuje Ic tranzistora a diódy D4 a D5 sú tzv. posúvacie diódy.
Napájacie napätie Ucc = 12 až 15V a vďaka tomu sú logická 0 a 1 napäťovo vzdialenejšie. V praxi to znamená, že DTL je odolnejšia proti vonkajším poruchovým signálom. Je to preto, lebo vonkajšia porucha by musela byť skutočne veľká, aby sa stav L zmenil na stav H alebo opačne. Práve toto je vekou prednosťou tohto obvodu. Ďalej musí byť udávaná veľkosť šumovej rezervy. Šumová rezerva je napätie, ktoré možno priviesť ako poruchový signál na niektorý vstup, pričom sa neporuší logická funkcia obvodu. DTL má šumovú rezervu 5V. V porovnaní s TTL je DTL odolnejšia voči vonkajším poruchovým signálom, ktorých je vela hlavne v priemyselnom prostredí.

2. ECL:

ECL je obvod viazaný v emitoroch (všetky tranzistory sú pospájané v emitoroch). Jeho dôležitou vlastnosťou je vysoká pracovná rýchlosť.
Ucc = -5.2V . Záporné napätie je jeho nevýhodou pretože potrebuje špeciálny zdroj. Tento obvod má nízku šumovú rezervu a používa sa len v klimatizovaných prostrediach.

3. TTL:

Charakteristickým znakom je použitie viacemitorového vstupného tranzistora.
T1 = vstupný tranzistor
T2 + R2 + R4 = simetrizačný zosilňovač, ktorý vytvára U vstupné pre T3 a T4. TTL je stredne rýchly obvod cca 10 až 20ns. Jeho rýchlosť je obmedzená spínacou rýchlosťou tranzistorov. Keď sú tranzistory vo vodivom stave je ich báza presýtená nosičmi náboja, aby boli, čo najdokonalejšie privedené do vodivého stavu. Pri prechode do nevodivého stavu t.j. pri prepínaní stavov vstupov alebo výstupu je činnosť tranzistorov pomalá, lebo z presýtenej bázy najprv treba odviesť náboj, čo trvá určitý čas. Činnosť by bolo možné urýchliť, keby tranzistory neboli presýtené. Možno to dosiahnuť zapojením dódy medzi B a C. Aby mohlo napätie klesnúť pod úroveň napätia bázy, dióda sa otvorí a prebytočný prúd nepotečie do bázy, ale do colektora. Takto sa báza nikdy nepresýti. Treba však použiť diódu s malým spínacím napätím a tomu zodpovedá Schotkyho dióda. Takto upravený TTL obvod označujeme ako STTL. STTL patrí medzi najrýchlejšie obvody cca 1 až 4ns.

IIL:

T1 sú tranzistory typu PNP, ktoré injektujú do bázy pracovného T2 bázový prúd. Pracovné tranzistory T2 sú viackolektorové. Kolektory určitého T2 sú vodivé ak tečie prúd z injektora do bázy T2 alebo sú nevodivé, ak sa injekčný prúd odvedie cez vstup von. Takže IO tohto typu sa skladá z množstva viackolektorových tranzistorov z ktorých každý má v obvode bázy injekčný zdroj malého prúdu. Na zízkanie logických funkcií sa spájajú práve ich kolektory.
IIL má napájanie vlastne iba kvôly injektorom prúdu.Všetky injecktory si napájací prúd rozdelia rovnomerne. Všeobecne pri pracovnom prúde býva napätie na Ucc okolo 1.2V.
Typickými charakteristickými vlastnosťami tohto obvodu sú:
Velmi malá spotreba (50 až 250 microW na hradlo)
Mala plocha základnej štruktúry
Pracovná rýchlosť porovnatelná s TTL
Dá sa vynikajúco prepojiť s TTL obvodmi.

Tieto obvody sa nevyrábajú pre všeobecné použitie. Takže ak po ňom túžite musíte si ho objednať : ) Obvod na tomto princípe je napr.: MH101,čo je generátor kódu CRC na výpočet kontrolnej slabiky při prenášaní alebo archivácii číslicových záznamov ; )

    • Re: III. Integrované obvody 16.09.2007 | 17:51
      Avatar blackhole   Návštevník

      Pekny clanok, chcem sa este na nieco opytat:

      U ECL je ake to zaporne napatie? Neda sa ho docielit jednoduchou vymenou vodicov 0 a +5,2V? El. napatie je definovane ako rozdiel el. potencialov, takze by to malo fungovat.
      V LO neexistuje XOR, alebo to nepatri k zakladnym LO?
      Nieco mi hovori, ze je aj logicky obvod, ktory robi z 0 nulu a z 1 jednotku (nemeni to), ale neviem, aky ma vyznam a ani ako sa vola. Neviete niekto?

      Pri tom AND a OR sa mi zda dobra definicia, ale zda sa mi vymenene vymenene to vyrok A a/alebo B.

      • Re: III. Integrované obvody 16.09.2007 | 19:22
        Avatar blackhole   Návštevník

        To zaporne napatie tam vyzera byt preto aby mohli fungovat (otvorit sa) tranzisktory s tymi spojenymi emitormi. Nie som si isty, ale kazdy obvod potrebuje kladne a zaporne napajanie a tento je myslim ten typ ktory k tomu zapornemu (teda 0V) potrebuje napatie este zapornejsie tipujem ze by stacili o asi 2V zapornejsie napatie ako GND. Myslim ze je to prave kvoli tomu ze tranzistory ked maju byt otvorene na vstupe (baze) je 0V tak na emitore treba napatie o asi 0,65V nizsie + ubytok na odporoch medzi zapornym napajanim a emitormi. Takze aby sa otvoril Tranzistor NPN ked ma na baze 0V na emitore musi byt napatie o minimalne 0,65 V (0,6-0,7V) mensie.
        Mohol by ma doplnit autor clanku? Stale si nie som isty preco je to tak divno oznacene: hore GND (0V) dolu na schem -5V. To iste napatie (rozdiel potencialov) moze byt aj hore +5V dolu GND (0V).

        XOR aj XNOR existuje je to exkluzivny logicky sucet. Ale nie je uplne zakladna, mozno taka zakladna rozsirena funkcia :)

        Negacia teda NOT je ten log. clen ktory meni 1 na 0 a opacne. Prave pravidlo dvojitej negacie ked das dve negacie NOT za sebou urobi to ze sa nic nemeni z 0 po prvom NOT bude 1 a z 1 po druhom NOT bude opat 0. Takze dvojita negacia nemeni vysledok.

        Skutočne dobrý vedec dokáže každú vec vysvetlť aby ju aj blbec (nie úplný) pochopil.

        • Re: III. Integrované obvody 16.09.2007 | 19:54
          Avatar Ripxter   Používateľ

          Ano. S tym napätim mas v podstate pravdu. Niektori vyrobcovia napriklad volia ako referencnu svorku nulovy potencial a obvod je potom napajany kladnym +U1 aj zapornym -U2. V inych pripadoch je to U1=0 . Ostatne si uz napisal, tazke mas pravdu.
          --------------
          Chyby sú užitočné, musia byť však rýchlo objavené.

          Maynard Keynes

          ------------------------------------------ Predpoklad na úspech je v tom, že konáme to, čomu dobre rozumieme, nepomýšľajúc pritom na slávu --Henry Wadsworth Longfellow
    • Pravdivostne tabulky 16.09.2007 | 23:54
      Avatar blackhole   Návštevník

      Skutocne prehladny zapis logickych funkcii dokazu posktynut pravdivostne tabulky:
      napr. pre vyraz NAND (negovavany logicky sucin, agresivna je log. nula)
      AB|Y
      00|1
      01|1
      10|1
      11|0

      vid.
      http://en.wikipedia.org/wiki/Logic_gate
      -------------------------------------------------------------------------------------------------------
      Skutočne dobrý vedec dokáže každú vec vysvetliť aby ju aj blbec (nie úplný :) pochopil.