Разробка двухступенчатого запоминания информации

                                              Содержание

      Введение

      1.Анализ литературных  источников по  построению,по технологии различних логик.

           1.1Транзисторно-транзистоная  логика

          1.2  Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник

      2.Вибор схеми JK-Триггера.

            2.1 Триггери на логических елементах

            2.2Асинхронные триггеры, построенные по принципу двухступенчатого запоминания информации.

      3. Принцып работи  Jk-триггера

     4. Выбор ИМС JK-Триггера и опредиление основных параметров.

           4.1 Теоретические  свединия

          4.2 В данном случае мы опишем интегральную микросхему КР1533ТВ6.

       Заключение

     Список использованной литературы 
 
 
 
 

                                      Введение

  Научно-технический прогресс не возможен без элекрофикации всех отраслей народного хозяйства.  Потребности народного хозяйства в электрической энергии непрерывно растут, что приводит к увеличению ее производства.

  Современный этап научно-технического прогресса характеризуется широким внедрением достижений микро электротехники в создание изделий культурно-бытового и хозяйственного назначения.

  Наука стала непосредственной производительной силой, а научные достижения оказались в существеннейшей степени зависящими от уровня развития и возможностей современных технологий.

  Электронные приборы составляют основу важнейших средств современной связи, автоматики, измерительной техники. Они помогают проникнуть в тайны микромира и космоса, измерить электрические потенциалы живой клетки и атомарные шероховатости обрабатываемой поверхности. Эти приборы преобразуют солнечное излучение в электрическую энергию, питающую спутники. На основе электроники реален переход к полностью автоматизированному производству. Уже сейчас применяются станки с числовым программным управлением и промышленные роботы.

  Качественным скачком в развитии электроники было создание в последнее два десятилетия микросхем с последовательно и быстро увеличивающейся степенью интеграции электронных элементов ИС, БИС, СБИС.

  Ускоренно развивается производство технически сложной бытовой аппаратуры длительного пользования с улучшенными потребительскими и эстетическими свойствами, полученными благодаря использованию современных компонентов и, в первую очередь, интегральных микросхем.

 Применение современной элементной базы позволило не только усовершенствовать старые, но и создать новые методы проектирования, конструирования и производства бытовой радиоаппаратуры, улучшить ее технические и эксплуатационные характеристики. Малые габариты, масса, потребляемая мощность, высокая надежность, долговечность, многообразное функциональное значение дали возможность создать такие устройства, как персональный микрокасетный проигрыватель, видеомагнитофон и др.

  А сейчас расскажем о тригетах. Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

  Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

   При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно биполярные и полевые транзисторы), в прошлом — электромагнитные реле, электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Используются, в основном, в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: регистров, счётчиков, процессоров, ОЗУ.

       1.Анализ литературных источников по построению,по технологии различних логик.

   Все цифровые микросхемы работают с цифровыми сигналами. Цифровые сигналы – это сигналы, имеющие два стабильных уровня – уровень логического нуля и уровень логической единицы. У микросхем, выполненных по различным технологиям, логические уровни могут отличаться друг от друга. В настоящее время наиболее широко распространены две технологии: ТТЛ и КМОП.              ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика;  
КМОП – Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник.

 У ТТЛ уровень нуля равен 0,4 В, уровень единицы – 2,4 В.  
У логики КМОП, уровень нуля очень близок к нулю вольт, уровень единицы – примерно равен напряжению питания. По-всякому, единица – когда напряжение высокое, ноль – когда низкое.

     1.1Транзисторно-транзистоная логика

    Транзисторно-транзисторная  логика (ТТЛ, TTL) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики).

  Простейший базовый элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ, в принципе повторяет структуру ДТЛ микросхем и в то же время за счёт использования многоэмиттерного транзистора, объединяет свойства диода и транзисторного усилителя что позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы.

  ТТЛ получила широкое распространение в компьютерах, электронных музыкальных инструментах, а также в КИАиА (контрольно-измерительной аппаратуре и автоматике). Благодаря широкому распространению ТТЛ входные и выходные цепи электронного оборудования часто выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Максимальное напряжение в схемах с ТТЛ может достигать 24В, однако это приводит к большому уровню паразитного сигнала. Достаточно малый уровень паразитного сигнала при сохранении достаточной эффективности достигается при напряжении 5В, поэтому данная цифра и вошла в технический регламент ТТЛ.

  ТТЛ стала популярной среди разработчиков электронных систем после того, как в 1965 году фирма Texas Instruments представила серию интегральных микросхем 74. Данная серия микросхем стала промышленным стандартом, но ТТЛ-микросхемы производятся и другими компаниями. Более того, фирма Texas Instruments не была первой, кто начал выпуск ТТЛ микросхем, несколько ранее его начали фирмы Sylvania и Transitron. Тем не менее промышленным стандартом стала именно серия 74 фирмы Texas Instruments, что в значительной мере объясняется большими производственными мощностями фирмы Texas Instruments, а также её усилиями по продвижению серии 74. Поскольку биполярные интегральные ИМС серии 74 фирмы Texas Instruments стали наиболее распространёнными, их функционально и параметрически повторяет продукция других фирм (Advanced Micro Devices, серия 90/9N/9L/9H/9S Fairchild, Harris, Intel, Intersil, Motorola, National и т.д).

Важность ТТЛ  заключается в том, что ТТЛ-микросхемы оказались более пригодны для  массового производства и при  этом превосходили по параметрам ранее  выпускавшиеся серии микросхем (резисторно-транзисторная и диодно-транзисторная логика).

                      Принцип работы ТТЛ с простым инвертором:

  Биполярные транзисторы могут работать в четырех режимах: отсечки, нормально активный, инверсно активный и насыщения. В инверсно активном режиме эмиттерный переход закрыт, а коллекторный переход открыт. В инверсном режиме коэффициент усиления транзистора значительно меньше, чем в нормальном режиме, из-за несимметричного конструктивного исполнения переходов база-коллектор и база-эмиттер. 
При нулевом уровне на любом входе многоэмиттерного транзистора VT1 (на упрощённой схеме — слева) он работает в нормальном режиме и формирует на базе VT2 потенциал близкий к нулю. В этом состоянии неосновные носители из базы VT2 рассасываются не только через коллектор, но и через открытый VT1.

  Если ноль подаётся на один из входов VT1, то наблюдается максимальный входной ток I=(E-0,7)/R1. В этом случае через другие эмиттерные переходы может наблюдаться паразитный ток. Чтобы он не был слишком велик неиспользуемые входы элемента присоединяются к источнику питания +5В, −5В через резистор с сопротивлением 1кОм, который может работать на 10 входов ТТЛ. Если свободные входы не подключаются ни к чему, то логика работы схемы сохраняется но паразитная ёмкость входных цепей будет уменьшать быстродействие цепи из расчёта 2 нс на 1 вход. Свободные входы могут воспринимать сигнал помехи, который может привести к сбою в работе схемы. 
Если на все входы поступает уровень логической единицы, то VT1 окажется инверсно-включенным, ток R1 течёт через коллектор VT1 в базу VT2, на выходе формируется нуль.                                                                                                                                            

            Рис 1.Упрощённая схема элемента И-НЕ

   ТТЛ-логика (как и ТТЛШ) является прямым  наследником ДТЛ и использует тот же принцип действия. Входной ТТЛ-транзистор (в отличие от обычного) имеет несколько, обычно от 2 до 8, эмиттеров. Эти эмиттеры выполняют роль входных диодов (если сравнивать с ДТЛ). Многоэмиттерный транзистор по сравнению с применявшейся в схемах ДТЛ сборкой из отдельных диодов занимает меньше места на кристалле и обеспечивает более высокое быстродействие. Следует отметить, что в микросхемах ТТЛШ, начиная с серии 74LS, вместо многэмиттерного транзистора используется сборка диодов Шоттки (серия 74LS) или PNP транзисторы в сочетании с диодами Шоттки (серии 74AS, 74ALS), так что фактически произошёл возврат к ДТЛ. Название ТТЛ заслуженно носят лишь серии 74, 74H, 74L, 74S, содержащие многоэмиттерный транзистор. Все более поздние серии многоэмиттерного транзистора не содержат, фактически являются ДТЛ и носят название ТТЛШ (ТТЛ Шоттки) лишь «по традиции», будучи развитием именно ДТЛ.

     Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)

В ТТЛШ используются транзисторы Шоттки, в которых барьер Шоттки не позволяет транзистору войти в режим насыщения в результате чего диффузионная ёмкость мала и задержки переключения малы, а быстродействие высокое.

  ТТЛШ-логика отличается от ТТЛ наличием диодов Шоттки в цепях база — коллектор, что исключает насыщение транзистора, а также наличием демпфирующих диодов Шоттки на входах (редко на выходах) для подавления импульсных помех, образующихся из-за отражений в длинных линиях связи (длинной считается линия, время распространения сигнала в которой больше длительности его фронта, для самых быстрых ТТЛШ микросхем линия становится длинной начиная с длины в несколько сантиметров).                                                                           

      Рис 2. Логический элемент И-НЕ в серии микросхем 74LS(К555)

         Разновидности микросхем  ТТЛ

    Серии ТТЛ-микросхем зарубежного производства

  В скобках указаны типовые значения времени задержки (Tpd) и потребляемой мощности (Pd) для каждой серии, взятые из документа SDAA010.PDF фирмы Texas Instruments, кроме 74F, для которой данные взяты из AN-661 фирмы Fairchild.

• 74 — базовая ТТЛ-серия. Несмотря на то, что была первой серией, выпускавшейся фирмой Texas Instruments, до сих пор находится в производстве (Tpd = 10 нс, Pd = 10 мВт);
• 74L — серия с пониженным энергопотреблением, заменена серией LS, а также КМОП-микросхемами, значительно превосходящими её по экономичности (Tpd = 33 нс, Pd = 1 мВт);
• 74H — повышенная скорость. Использовалась в 1960-е — начале 1970-х годов и была заменена S-серией (Tpd = 6 нс, Pd = 22 мВт);
• 74S — с диодами Шоттки (Schottky). Хотя устарела (её превосходят серии 74AS и 74F), до сих пор производится фирмой Texas Instruments (Tpd = 3 нс, Pd = 19 мВт);
• 74LS — с диодами Шоттки и пониженным энергопотреблением (Low Power Schottky) (Tpd = 9 нс, Pd = 2 мВт);
• 74AS — улучшенная с диодами Шоттки (Advanced Schottky) (Tpd = 1,7 нс, Pd = 8 мВт);
• 74ALS — улучшенная с диодами Шоттки и пониженным энергопотреблением (Advanced Low Power Schottky) (Tpd = 4 нс, Pd = 1,2 мВт);
• 74F — быстрая (Fast) с диодами Шоттки (Fast) (Tpd = 1,7 нс, Pd = 4 мВт, в действительности 74F несколько уступает по быстродействию 74AS);

Префикс серии  «74» обозначает коммерческий вариант микросхем, «54» — военный.

   Серии ТТЛ-микросхем отечественного производства

• 106 — ранняя серия ТТЛ микросхем, пониженной степени интеграции (не более 2 логических элементов в одном корпусе), предназначенная для тяжёлых условий эксплуатации (военная аппаратура, космос, и т. п.). Не имеет аналогов среди микросхем фирмы Texas Instruments.
• 133 и 155 соответствуют сериям 54 и 74;
• 130, 131 — сериям 54H и 74H;
• 134, КР134 — сериям 54L и 74L;
• 136 и 158 — близки к сериям 54L и 74L, но имеют вдвое большее энергопотребление при несколько большем быстродействии;
• 530 и 531 — сериям 54S и 74S;
• 533 и 555 — сериям 54LS и 74LS;
• 1530 — серии 74AS (приблизительное соответствие);
• 1531 — серии 74F;
• 1533 — серии 74ALS;

1.2 Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник

   КМОП (К-МОП; комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП^[1]; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе, процессоров, используют схемотехнику КМОП.

      Рис 3. Статический КМОП инвертор

    Схемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас (Frank Wanlass) из компании Fairchild Semiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были созданы в 1968. Долгое время КМОП рассматривалась как энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ, поэтому микросхемы КМОП нашли применение в электронных часах, калькуляторах и других устройствах с батарейным питанием, где энергопотребление было критичным.

    К 1990 году с повышением степени интеграции микросхем встала проблема рассеивания энергии на элементах. В результате технология КМОП оказалась в выигрышном положении. Со временем были достигнуты скорость переключения и плотность монтажа недостижимые в технологиях, основанных на биполярных транзисторах.Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы к электростатическим разрядам. Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий. Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний. 

   Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.

• Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с землёй.
• Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от земли.

  В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень мало. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).

  На рисунке с топологией микросхемы 2И-НЕ можно заметить, что в ней используются два двухзатворных полевых транзистора разных конструкций. Верхний двухзатворный полевой транзистор выполняет логическую функцию 2ИЛИ, а нижний двухзатворный полевой транзистор выполняет логическую функцию 2И.

                            Рис 4. Схема логического элемента выполняющего логическую функцию 2И-НЕ 

          2.Вибор схеми JK-Тригера.

   2.1 Тригери на логических елементах

  Триггер - логическое электронное устройство, которое имеет два устойчивых состояния. Причем в каждом из этих состояний триггер может находиться сколь угодно долго. При этом одно состояние называется единичным, а другое - нулевым. Т.о. триггер может служить для хранения 1 бит информации. Триггер обычно имеет 2 выхода - прямой и инверсный. Сигнал на прямом выходе характеризует текущее состояние триггера. Сигнал на инверсном выходе всегда противоположен сигналу на прямом выходе. Перевод триггера из одного состояния в другое может происходить под действием внешних сигналов, подаваемых на триггер. И этот переход может осуществляться в зависимости от текущего состояния триггера и от сочетания внешних информационных сигналов.  Триггеры могут строиться на различной электронной базе. На транзисторах, операционных усилителях, логических элементах. При этом элементы должны работать в ключевом режиме. Рассмотрим построение схем триггеров на логических элементах. При этом могут использоваться различные типы элементов.Простейший триггер можно построить на двух элементах “ИЛИ-НЕ”.Перекрестная положительная обратная связь обеспечивает поддержание триггера или в единичном или в нулевом состоянии.Рассмотрим входы первого элемента

Рис.5 .триггер на логических         элементах ИЛИ-НЕ

  На входе первого элемента два нуля , следовательно , на выходе будет 1 . Для второго элемента на входе будут 0 и 1 .на выходе будет 0 , и он соответствует инверсному выходу триггера.Т.е. нулевое состояние второго элемента поддерживает единичное состояние на выходе первого и наоборот.Если бы исходное состояние триггера было нулевым, то триггер тоже запоминал бы информацию. Т.е. в каком бы состоянии триггер не оказался, каждое из них само по себе является устойчивым.Рассмотрим, как с помощью внешних сигналов можно перевести триггер из одного состояния в другое.

      Рис.6.триггер на логических элементах ИЛИ-НЕ 

  Пусть триггер - в единичном состоянии. Подадим на вход первого элемента “1”. триггер из единичного состояния перейдет в нулевое. Теперь , если входной сигнал вернется в нулевой уровень, то состояние триггера при этом не изменится ( останется нулевым).Если снова подать сигнал уже при нулевом состоянии триггера , то ничего не изменится . Вход первого элемента может использоваться для сброса триггера.

Рис.7.триггер на логических элементах ИЛИ-НЕ

  Рассмотрим триггер в нулевом состоянии. При этом подаем на нижний вход “1”. Имеем , т.е. триггер установился в состояние “1”.Теперь триггер будет находиться в состоянии “1” независимо от состояния нижнего входа. , т.е. если вход второго элемента вновь станет нулевым, триггер будет продолжать оставаться в единичном состоянии. Если снова подать единицу на вход второго элемента, то триггер так и останется в единичном состоянии. Такой простейший триггер называют триггером R-S типа. Вход первого элемента R(reset) ,второго - S (set) .

                               Таблица. 1

Таким образом, с помощью сигналов , подаваемых на входы R и S, можно установить триггер в состояние “0” или “1”.

При построении логических схем факт запрещения подачи одновременно двух единиц на вход должен учитываться.

       2.2Асинхронные триггеры, построенные по принципу двухступенчатого запоминания информации

  Особенность триггеров с двухступенчатым запоминанием информации состоит в том, что они содержат две триггерные структуры: одна из них образует так называемый ведущий триггер а другая - ведомый (рис. 8) . Оба триггера функционируют как синхронные триггеры со статическим управлением. При значении на синхронизирующем входе С = 1 ведущий триггер устанавливается в состояние, соответствующее сигналам, поступающим на информационные входы. Ведомый триггер, имеющий инверсный синхронизирующий вход при этом невосприимчив к информации, поступающей на его вход с выхода ведущего триггера. Он продолжает находиться в состоянии, в которое был ранее установлен (в предыдущем тактовом периоде).