УДК 621.38
ББК 32.973я73
Ф76
Автор:
Фомин Д.В., начальник отдела информационных технологий,
доцент кафедры прикладной информатики и математики
БФ НОУ ВПО МосАП, к.ф.- м. н.
Рецензенты:
Гетман А.Н. зав. кафедрой прикладной информатики и математики
БФ НОУ ВПО МосАП, к. т. н.
Семочкин А.Н., доцент кафедры информатики БГПУ, к.ф.- м. н. кафедра
прикладной информатики и математики БФ НОУ ВПО МосАП.
Фомин, Д. В.
Ф76
Основы компьютерной электроники : учебное пособие /
Д. В. Фомин. — Изд. 2-е, стер. — Москва ; Берлин :
Директ-Медиа, 2019. — 108 с.
ISBN 978-5-4499-0152-1
Учебное пособие содержит весь необходимый материал по
дисциплине Основы компьютерной электроники, который будет полезен
также при изучении ряда других дисциплин, связанных с информатикой.
Пособие рассчитано как на студентов направления «Прикладная
информатика» и специальности «Прикладная информатика (в экономике)», так
и других специальностей в области вычислительных и информационных
технологий.
УДК 621.38
ББК 32.973я73
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Понятие о сигнале
1.1. Виды сигналов
1.2. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы
1.3. Элементы цифрового сигнала
Глава 2. Системы счисления
2.1. Кодирование
2.2. Перевод из одной системы счисления в другую
5
6
6
η
9
11
11
ц
2.3. Арифметические операции над двоичными числами
2.4. Единицы измерения компьютерной информации
Глава 3. Булева алгебра
3.1. Понятия алгебры логики
3.2. Основные функции
3.3. Базисы
3.4. Эффект «гонок» в цифровой электронике, способы борьбы
Глава 4. Транзисторы
4.1. Изобретение транзистора
4.2. Типы транзисторов
4.3. Ключевые схемы работы транзисторов
4.4. Современные транзисторы
4.5. Нанотехнологии
Глава 5. Интегральные микросхемы
5.1. Появление интегральных микросхем
5.2. Типы интегральных микросхем
5.3. Изготовление интегральных микросхем
Глава 6. Интегральные микросхемы последовательностного
и комбинационного типов
6.1. Триггеры
6.2. Регистры
6.3. Счетчики
6.4. Шифраторы и дешифраторы
6.5. Мультиплексоры и демультиплексоры
6.6. Сумматоры и вычитатели
Глава 7.Генераторы импульсов
7.1. Ждущий мультивибратор
7.2. Несимметричный мультивибратор
7.3. Генераторы линейно изменяющего напряжения
Глава 8. Операционные усилители, компараторы, АЦП, ЦАП
8.1. Операционные усилители
8.2. Компараторы
8.3. Аналого-цифровые преобразователи
8.4. Цифро-аналоговые преобразователи
Глава 9. Запоминающие устройства
9.1. Ячейка памяти
9.2. Оперативные запоминающие устройства
9.3. Статические оперативные запоминающие устройства
9.4. Динамические оперативные запоминающие устройства
9.5. Постоянные запоминающие устройства
9.6. Информационная емкость ИМС ЗУ
86
86
87
87
88
89
92
Глава 10. Введение в микропроцессоры
10.1 Классификация микропроцессоров
10.2 Архитектура микропроцессоров
10.3 Основные характеристики микропроцессоров
94
94
97
юз
Список литературы
Интернет ссылки
105
107
5
Введение
За прошедшие десятилетия электронно-вычислительные машины, или подругому, что наиболее привычно для уха современного человека компьютеры, претерпели серьезные изменения в сторону уменьшения своих
размеров, увеличения производительности и функциональности
в работе,
охвате все более широкого круга, решаемых задач. Однако основы построения
компьютеров - математические алгоритмы, способы обработки сигналов,
элементная база и многое другое не сильно изменились за прошедшее время.
Данное учебное пособие посвящено изучению, как основ построения
вычислительной техники, так и освещению ближайших перспектив связанных с
дальнейшим прогрессом в области компьютеростроения.
Данное учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной
форм обучения по направлению Прикладная информатика, изучающих предмет
Основы компьютерной электроники.
Цель данного учебного пособия - сформировать у студентов
представление не только об отдельных элементах, технологиях и
математических методах используемых при создании компьютеров, но и дать
четкое представление об их тесной и неразрывной взаимосвязи. Поэтому в
учебном пособии рассматривается большой спектр материала, связанного с
компьютером, предложенный в сжатом виде, но вполне достаточный для
понимания роли каждого из рассматриваемых объектов, в системе построения
вычислительной цифровой техники.
Особое внимание уделяется вопросам, связанным с будущим развитием
компьютерной электроники, проблемам, которые стоят перед ней в настоящий
момент, и перспективам по их разрешению.
Данное учебное пособие можно рассматривать и как план для более
углубленного изучения, каждой из освещаемых тем, касающихся основ
компьютерной электроники.
В конце каждой главы предлагаются вопросы для самопроверки,
призванные закрепить знания обучаемого и еще раз подчеркнуть наиболее
важные моменты пройденного материала.
Учебное пособие может быть полезно не только студентам, но и
школьникам, проходящим обучение в профильных классах информационной
направленности.
5
Глава 1. Понятие о сигнале
Составной частью всех электронновычислительных
машин (ЭВМ),
различных модулей автоматизированных систем управления являются
цифровые устройства, которые выполняют обработку, хранение и передачу
информации.
Информация - это отражение окружающего нас реального мира. Более
специфичное определение информации дает наука информатика
совокупность фактов, явлений и событий, представляющих интерес и
подлежащих регистрации и обработке.
Восприятие информации происходит посредством ее носителей - речи,
текста, цифр и т.п.; которые сами по себе не являются информацией, аслужат
лишь элементами для ее переноса.
В электронике информацию, воплощенную и зафиксированную в
некоторой материальной форме, называют сообщением и передают с помощью
сигналов.
При передаче сообщений используют различные физические процессы
(электрический ток, световой поток и др.), которые могут существовать сами по
себе или использоваться для других целей, как, например, для передачи
энергии. И л и ш ь в случае, когда какая-либо физическая величина этих
процессов несет в себе информацию, говорят, что такой процесс является
сигналом. Именно в этом смысле используются понятия: электрический сигнал,
световой сигнал и т . д . Итак, электрический сигнал - не просто электрический
ток, аток, величина которого несет в себе определенную информацию.
1.1. Виды сигналов
Среди множества сигналов можно выделить два основных типа,
используемых для передачи, обработки и хранения информации
это
аналоговый и дискретный сигналы (рисунок 1.1).
Аналоговый или непрерывный сигнал представляет собой определенный
для любого
момента времени и по амплитуде процесс, а п о с к о л ь к у
порождающие такие сигналы физические процессы, обычно сами являются
непрерывными, этим объясняется, почему сигналы такого типа и называются
еще аналоговыми, т.е. аналогичные порождающим их процессам.
*(0л
Аналоговый сигнал всегда является функцией времени x(t). Причем эта
функция может принимать любые вещественные значения в диапазоне
изменения аргумента /.
Дискретным
называют сигнал, определенный только в отдельные
(дискретные) моменты времени, например, через одну миллисекунду. Каждое
значение дискретного сигнала может быть представлено числом любой
приемлемой системы счисления. В цифровых системах представление
дискретных значений сигнала числом, называют кодированием.
1.2. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы
Любой аналоговый сигнал можно привести к дискретной, азатем, после
кодирования к цифровой форме. Это широко используется в компьютерной
электронике, которая построена на использовании в основном цифровых
устройств и поэтому оперирует дискретными значениями. Помимо этого
информацию в цифровом виде легче хранить, а также передавать практически
без потерь по современным линиям связи.
Преобразование аналогового сигнала в дискретный состоит из двух
этапов: дискретизации по времени и квантовании по амплитуде (рисунок 1.2).
Дискретизация по времени означает, что сигнал представляется рядом
своих отсчётов (дискретов) непрерывных по амплитуде и взятых через равные
промежутки времени Δ t = t - t
(хотя в некоторых специальных случаях
может применяться и неравномерная по времени дискретизация, например при
оцифровке узкополосных сигналов).
n
n - 1
Рисунок 1.2. - Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой.
При квантованиипоамплитуде
происходит замена возможных значений
сигнала X , X ... x , когда каждому x(t) сопоставляется ближайшее число из
набора фиксированных величин, называемых уровнями
квантования.
1
2
n
7
По сути, процесс квантования это та же дискретизация, поскольку шкала
квантования состоит из дискретных отсчетов, и значения присваиваются не
непрерывно, а с интервалом, т.е. дискретно. Тем не менее, впрактику вошло
называть этот процесс - квантованием. Шаг квантования определяют как:
Δ x(t) = x(n Δ t)/ K , где
n - количество отсчетов за единицу
времени;
At период времени между двумя отсчетами ( Δ t = t - t );
K - десятичный эквивалент количества шагов квантования.
На рисунке 1.3 представлены два варианта преобразование одного и того
же аналогового сигнала в дискретный. Не трудно заметить, что вариант на
рисунке 1.3, б предпочтительней, так как цифровой сигнал более точно
описывает изначальный аналоговый. Это произошло благодаря тому, что
период времени между двумя отсчетами на рисунке 1.3, б меньше, чем на
рисунке 1.3, a: A t e < A t , другими словами частота дискретизации по
времени (обратная
величина периоду времени Δ 1) во втором случае была
задана выше, чем в первом.
11
n
n - 1
n
a
x(t)
x(t)
t
Δ
t
0
Δ te
а)
б)
Рисунок 1.3. -Варианты преобразования одного и того же аналогового
сигнала в цифровой. Вариант б точнее, т.к. A t e < A t .
a
a
Возникает закономерный вопрос: какой должна быть оптимальная
частота дискретизации по времени? Ответ на него дал Гарри Найквист (1889¬
1976), американский физик-электрик и изобретатель, встатье "Certain Topics in
Telegraph Transmission Theory" ("Некоторые вопросы теории телеграфной
передачи") в 1928 году, в которой он изложил принципы осуществления
выборки непрерывных сигналов для преобразования их в цифровой вид.
Спустя 5 лет тот же самый результат независимо от американского
коллеги был получен в СССР В. А. Котельниковым, который изложил
результаты своих изысканий в работе "О пропускной способности "эфира" и
проволоки в электросвязи" в 1933 году. Поэтому в России соответствующие
положения чаще называют теоремой Котельникова.
Согласно предложенной теореме, чтобы аналоговый (непрерывный)
8
сигнал можно было абсолютно точно восстановить по его отсчётам, частота
дискретизации должна быть в два раза выше максимальной частоты сигнала:
f = 2î
(Гц), или, отсчёты сигнала должны браться не реже чем
через : At = l/(2i max) секунды.
c
max
с
1.3. Элементы цифрового сигнала
Как выглядит цифровой сигнал на экране осциллографа (прибор для
изучения параметров электрических сигналов непосредственно на экране)
можно увидеть на рисунке 1.4.
а)
б)
Рисунок 1.4. - Цифровой сигнал на экране осциллографа: а - одиночный,
б - множественный.
Необходимо уяснить, что при всей внешней простоте формы цифрового
сигнала - его отдельные элементы играют важное значение при проектировании
электронной техники. На рисунке 1.5 показаны положительный и
отрицательный
сигналы, имеющие прямопротивоположные пассивный и
активный уровни (например, у положительного сигнала пассивным является
уровень соответствующий логическому «0», а активный - «1»), а т а к ж е
обладающие передним и задним фронтами.
передний
(положительный)
фронт
задний
(отрицательный)
фронт
«1»
передний
(отрицательный)
фронт
«1»
\
задний
(положительный)
фронт
а)
б)
Рисунок 1.5. - Элементы положительного (а) и отрицательного (б) цифровых
сигналов.
9
Цифровые устройства могут работать с дискретными сигналами как в
статическом режиме (когда на входе устройства уже присутствует сигнал
определенного уровня), так и в динамическом режиме, когда уровень сигнала
меняется, как это показано на рисунке 1.5. В последнем случае возможны три
варианта срабатывания цифрового устройства (рассмотрим их на примере
положительного цифрового сигнала, представленного на рисунке 1.5, а):
при переходе из нулевого уровня сигнала в единичный (или говорят: по
переднему фронту);
при переходе из единичного уровня сигнала в нулевой (по заднему
фронту);
поочередно вначале по переднему, а затем по заднему фронту.
Так, современная оперативная память компьютера за один тактовый
импульс, срабатывает по двум фронтам и успевает выполнить сразу две
операции, например, чтения информации или ее записи.
Подводя итог первой главе, нужно еще раз уделить внимание
преимуществам цифрового сигнала перед аналоговым, поскольку именно
благодаря этими преимуществами существует современная тенденция
перехода различных информационных каналов на цифровой формат:
информацию в цифровом виде можно длительно хранить, причем без
потерь;
информацию
в цифровом виде можно многократно копировать
(перезаписывать) без искажений;
цифровые сигналы это качественная и скоростная передача
информации на большие расстояния;
устройства, работающие с цифровыми сигналами проще проектировать
(всегда можно точно рассчитать и предсказать их «поведение»);
устройства, работающие с цифровыми сигналами легче тестировать и
ремонтировать, нежели чем аналоговые устройства.
Вопросы
для
самопроверки:
1.
2.
3.
4.
5.
Что такое информация?
Дайте определение сообщению.
Что подразумевают под понятием сигнала?
Какие виды сигналов существуют и чем отличаются друг от друга?
Как в цифровых системах называют представление дискретных значений
сигнала числом?
6. Из каких этапов состоит преобразование аналогового сигнала в
цифровой?
7. Как определяют шаг квантования?
8. О чем гласит теорема НайквистаКотельникова?
9. Какие основные элементы цифрового сигнала Вы знаете?
10. Какое
значение
имеет
срабатывание
цифрового
устройства
одновременно по двум фронтам управляющего сигала?
11. Какими преимуществами обладает цифровой сигнал перед аналоговым
сигналом?
10
Глава 2. Системы счисления
2.1. Кодирование
Поскольку дискретность это случай, когда объект или явление имеет
конечное (счетное) число вариаций, то, для того чтобы выделить конкретное из
всего возможного, нужно каждому конкретному дать оригинальное имя
(другими словами перечислить). Эти имена и будут нести в себе информацию
об объектах, явлениях и т. п. В качестве имен часто используют целые числа 0,
1, 2..., т.е. применяют кодирование.
Именно такая цифровая
форма
представления информации используется в ЭВМ.
Код, в котором использованы специальные символы для обозначения
количества каких либо объектов называют системой
счисления.
Количество символов в системе счисления носит название его основания.
Например, самая известная десятичная система имеет символы
0,1,2,3,4,5,6,7,8 и 9 всего их 10, поэтому её называют системой счисления с
основанием 10. Двоичная система счисления имеет только 2 символа 0 и 1,
поэтому
её называют
системой
счисления
с основанием
2. В
шестнадцатеричной
системе
используется
16
символов:
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F и т . д .
Чем меньше основание системы счисления, тем больше разрядов
требуется для представления одного и того же количества объектов, как это
видно из таблицы 2.1.
Таблица 2.1. Сопоставление чисел разных систем счисления
Десятичное
число
Двоичное
число
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
10
11
100
101
110
111
1000
1001
Выше приведенный пример также служит иллюстрацией к тому, что
символы одной системы счисления могут быть представлены символами
другой системы счисления.
2.2. Перевод из одной системы счисления в другую
Рассмотрим число 758 в десятичной системе его записывают еще так:
Вэтомчисле :
Цифра 7 обозначает 700, так как она занимают 3 разряд слева от
десятичной точки,
Цифра 5 обозначает 50, так как она занимает второй разряд от
десятичной точки,
Цифра 8 представляет число 8, поскольку она находится в первом
разряде слева от десятичной точки, таким образом, всё число есть сумма:
758=700+50+8=7· 10 +5· 10 +8· 10 .
758 .
10
2
1
0
11
Рассмотренный пример иллюстрирует понятие веса разряда.
Аналогичное понятие вес разряда используется и в других системах
счисления, например в двоичной, так для числа 1011 =2 1+2 0+2 1+2 1
Вес следующего разряда всегда равен весу предыдущего
разряда
умноженному на основание системы счисления.
Учитывая это правило, запишем веса десяти первых разрядов двоичной
системы счисления:
2
3
0
1
2
Таблица 2.2. Веса десяти первых разрядов двоичной системы счисления.
9
2
512
8
2
256
2'
128
6
2
64
5
4
2
32
3
2
16
2
8
2
2
4
1
2
2
0
2
1
Используя понятие весов легко преобразовывать числа одной системы
счисления в числа другой системы счисления, например двоичное число
110001 необходимо преобразовать в десятичное:
Искомое десятичное
число
будет равно сумме
произведений
соответствующих разрядов двоичного числа и их весов из таблицы 2.3:
110001=321+161+80+40+20+1 1=49 .
10
Таблица 2.3. Веса десяти первых разрядов двоичной системы счисления и
заданное двоичное число.
9
2
512
8
2
256
2'
128
6
2
64
5
2
32
1
4
3
2
16
1
2
8
0
2
2
4
0
1
2
2
0
0
2
1
1
Рассмотрим обратный случай преобразование числа десятичной
системы счисления в число двоичной системы счисления.
Например, нужно перевести в двоичную систему счисления число 1 1 .
Это можно осуществить делением числа 1 1 , на основание системы счисления
в которую переходим, в целых числах с выписыванием остатков деления, по
следующей схеме:
10
10
11:2 = 5
5 :2 =2
2 :2 = 1
1 :2 = 0
остаток 1
остаток 1
остаток 0
остаток 1
это разряд весом 1
это разряд весом 2
это разряд весом 4
это разряд весом 8
Процесс перехода заканчивается
в тот момент, когда очередной
результат деления даст ноль (0) целых.
Помня о том, что самый младший разряд всегда занимает крайнее правое
место в записанном числе в любой системе счисления, записываем результат:
Н ю = 10112.
Таким образом, остатки, от деления, выписанные в соответствии с
весами разрядов, дают искомое число.
12
Легко проверить полученный результат по таблице 2.4:
Таблица 2.4. Веса десяти первых разрядов двоичной системы счисления
и искомое двоичное число.
9
2
512
8
2
256
7
6
2
128
2
64
5
2
32
4
3
2
16
2
2
8
1
Проверяем, подстановкой из таблицы 2.4:
3
2
4
0
1
1
0
2
2
1
2
1
1
0
2 +2 +2 + = 8+2+1 = 1 1 .
10
Если говорить о шестнадцатеричной
системе счисления, то согласно
определению, в ее составе должно быть 16 различных символов, это
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A, B, C, D, E, F. Здесь буква A обозначает число 10, B
обозначает число 11 ит.д.
Таблица 2.5 Сопоставление чисел разных систем счисления.
Десятичное
Двоичное
Шестнадцатеричное
число
0
число
0000
число
0
1
0001
1
2
0010
2
3
0011
3
4
0100
4
5
0101
5
6
0110
6
7
0111
7
8
1000
8
9
1001
9
10
1010
A
11
1011
B
12
1100
C
13
1101
D
14
1110
E
15
1111
F
Преимущество шестнадцатеричной системы в отличие от десятичной
состоит в том, что она позволяет реализовать переход от шестнадцатеричной к
двоичной системе счисления достаточно просто, используя тетрады («tetra» в
переводе с греческого означает четыре) двоичных символов (таблица 2.5.).
13
2.3. Арифметические операции над двоичными числами
При выполнении
различных операций
в современных ЭВМ,
базирующихся на цифровых (дискретных) устройствах, информация обычно
представляется
(кодируется) числами двоичной системы счисления. Это
связано с тем, что можно использовать электронные устройства всего с двумя
электрическими состояниями ( " 1 " и "0" ), что значительно упрощает как
изготовление самих устройств, так и представление информации в цифровом
виде.
Общепринято, что символ " 1 " представляется некоторым стандартным
уровнем напряжения или тока, а "0" нулевым или близким к нулю уровнем
напряжения или тока (так, например, для ТТЛлогики логической
единице
соответствует напряжение в 4,5 вольта, а логическому нулю соответствует
напряжение в 0,8 вольт).
Сложение двоичных чисел выглядит следующим образом:
0+0= 0
0+1 = 1
1+0= 1
1 + 1=10
т.к. единица получившаяся в результате сложения двух
единиц младших разрядов переносится в старший разряд, в о т в е т е п о к а з а н ы
10 десятичной системы
у ж е д в а разрядадвоичного числа, а н е цифра
счисления. Еще один пример с переносом единицы в старший разряд:
2
10
1 + 1 + 1 = 112
Теперь рассмотрим более сложные примеры:
+ 1000011 = 6710
0101010 = 4210
61
+ 0111101 = 10
0110101 = 5310
или
1101101 = 10910
1110010 = 11410
В двоичной системе счисления для представления знака числа
используется дополнительный знаковый разряд (иногда несколько разрядов),
Для
который
располагается
перед
старшим
числовым
разрядом.
положительных чисел значение знакового разряда равно
0 (нулю), для
отрицательного 1 (единице).
Двоичный код со знаком называют также прямым кодом. В к а ч е с т в е
примера рассмотрим положительное и отрицательное числа, десятичный
эквивалент которых равен 153.
010011001 код положительного числа 153 ;
110011001 код отрицательного числа 153
10
10
14
Обратный код получается путем замены (инвертирования) всех "0" на
" 1 " и всех " 1 " на "0" прямого кода. Причем, знаковый разряд при этом остается
неизменным.
010011001 код положительного числа 153 ;
001100110 обратный код положительного числа 153
10
10
Обратный код, дополненный единицей в младшем разряде, называется
дополнительным
кодом. Так для рассмотренного числа §10011001,
дополнительный код будет выглядеть как: 001100111.
Вычитание двоичных чисел происходит так:
102 1 = 1
10=1
1 1 =0
0 0=0
Проверим первую строку выше записанного:
102 1 = 1
Для этого переведём левую и правую части этого равенства в десятичную
систему:
1
0
0
1 *2 +0 *2 1*2 = 1*2
0
получаем в десятичной системе:
2+0 1=1
Более сложный пример: вычтем из числа 100 число 10 . Вычитать будем
«столбиком», как и в десятичной системе счисления:
2
2
1 00
1 0
10
Вначале из правого нуля в 100 вычли ноль, а з а т е м , чтоб из среднего
нуля в 100 вычесть 1, занимают 1 из третьей позиции. Всё как в десятичной
системе, но только с 0 и 1.
Еще один пример: вычтем из числа 1001 число 10 :
2
2
2
1 001
10
1 1 1
15
2
Следующий пример: вычтем из числа 1000 число 1 :
2
2
1 000
1
1 1 1
Операция вычитания в цифровых системах нередко реализуется с
помощью операции сложения. Вычитаемое при этом представляется в
дополнительном коде (если расчет не требует высокой точности вобратном
коде).
Например, из числа 67
необходимо вычесть число 4 2 Вначале
вычитающее представляется в дополнительном коде со знаком «минус»:
10
10
42 = 00101010 > 01010101 > 01010110
10
Затем выполняется операция сложения:
+ 01000011 = 6710
11010110 = 42 (в дополнительном коде)
10
00011001 = 25
10
Теперь от числа 42 отнимем число 6 7
дополнительном коде со знаком «минус»:
10
11100111 поскольку результат отрицательное число его необходимо
перевести в прямой код:
10011000 инвертируем, и после добавления единицы получаем:
10011001 =
25
10
Перейдем к умножению и делению двоичных чисел. Для умножения
двоичных чисел действуют правила, которые полностью совпадают с
аналогичными, применяемыми к десятичным числам: при умножении на нуль
получается нуль; при умножении единицы на единицу получается единица.
16
Допустим, необходимо перемножить двоичные числа 1001 и 101.
Решение будет выглядеть следующим образом:
χ 100 1
101
1 00 1
1 00 1
(первый множитель)
(второй множитель)
(результат умножения единицы числа 101 на 1011)
(результат умножения единицы числа 101 на 1011)
1 0 1 10 1
(произведение)
Проверим вычисления:
10012 = 910,
1012 = 510,
910 · 510 = 4510 = 1011012
П р и з а п и с и ч и с е л " в с т о л б и к " необходимо, как и с десятичными,
выровнять их так, чтобы крайние правые ненулевые цифры оказались друг под
другом. Например, необходимо найти произведение чисел 110 и 101000 .
2
χ
1 10
1 0 100
+
11
1 1
2
(первый множитель)
(второй множитель)
(результат умножения единицы числа 101000 на 11)
(результат умножения единицы числа 101000 на 11)
1 11 100 0
(произведение)
Проверим вычисления:
1102 = 610,
101002 = 2010,
610 · 2010= 12010 = 11110002
При умножении дробных чисел необходимо вычислить результат, не
обращая внимания на двоичные запятые, и затем в произведении определить
столько знаков после запятой, сколько их имеется в обоих числах вместе. После
этого можно удалить крайние правые нули дробной части, если они есть.
Прежде чем показать, как перемножаются дробные числа, небольшое
отступление, связанное с тем как осуществляется перевод простой десятичной
дроби в двоичную систему счисления.
При переводе правильной десятичной дроби в систему счисления с
основанием 2 необходимо сначала саму дробь, а затем дробные части всех
последующих произведений последовательно умножать на 2, отделяя после
каждого умножения целую часть произведения. Число в новой системе
счисления записывается как последовательность полученных целых частей
произведения. Умножение производится до тех пор, пока дробная часть
произведения не станет равной нулю. Это значит, что сделан точный перевод. В
противном случае перевод осуществляется до заданной точности.
17
Допустим необходимо перевести число 0,35 из десятичной системы в
двоичную.
χ
0, 35
2
χ
0 70
2
χ
1 40
2
χ
0 80
2
χ
1 60
2
1 20
Итак, получаем: 0,35 = 0,01011
10
2
Обратный процесс преобразования представлен ниже:
1
2
3
4
5
0, 010112 = 2" 0+2" 1+2" 0+2" 1+2" 1 = 0+0,25+0+0,0625+0,03125 = 0,34375
Правило округления двоичных чисел до целого значения состоит в
следующем: если в старшем разряде дробной части числа имеется нуль, то
дробная часть этого числа просто отсекается, аеслиединица, то к целой части
числа следует прибавить единицу. Аналогично производится округление с
другой точностью.
Чтобы выполнить умножение дробных двоичных чисел, например 11,1 и
10,101, запишем числа друг под другом, выровненные по правому краю и без
двоичных запятых:
χ
11 1
101 0 1
(первый множитель)
(второй множитель)
+
1 1 1
11 1
11 1
100 1 001 1
(результат умножения единицы числа 10011 на 111)
(результат умножения единицы числа 10011 на 111)
(результат умножения единицы числа 10011 на 111)
(произведение)
18
Поскольку в двух исходных числах справа от запятых находятся в
совокупности 4 знака, то и в произведении нужно отделить 4 знака после
двоичной запятой. Таким образом, реальным результатом умножения двух
исходных двоичных чисел является
11,1 · 10,101 = 1001,0011
Проверим вычисления:
11,12 = 3,510,
10,1012 = 2,62510,
3,5ю 2,625ю = 9,1875ю = 1001,00112
Деление двоичных чисел, как и десятичных, выполняется при записи
чисел "углом". Для выполнения действия необходимо в делимом выбрать
первую часть числа, которая совпадает с делителем по количеству знаков, —
если число, образованное этими знаками, не меньше делителя. В п р о т и в н о м
случае выбирается такая первая часть числа, в которой знаков на один больше,
чем в делителе.
В обоих случаях первая цифра частного равна единице, но не тогда, когда
делимое меньше делителя: лишь в этом случае первой цифрой частного будет
0, и э т о означает, что частное содержит нуль целых. Далее деление
производится так же, как и в десятичной системе. Не стоит забывать, что
цифры частного — это лишь 1 или 0.
Ниже представлен пример
обычного деления двоичных чисел без
остатка. Допустим, необходимо разделить число 1110 на 111 .
2
111 0
1 1 1
2
1 1 1
10
Проверим вычисления:
11102 = 1410,
1112 = 710,
102 = 210,
1410 : 710 = 210 = 102
Вот другой пример: найти частное от деления двоичных чисел 1001011
на 101 .
2
Таким образом, на основании рассмотренных примеров было показано,
как выполняются арифметические операции над двоичными числами.
2.4. Е д и н и ц ы измерения компьютерной информации
Как уже упоминалось, в современных ЭВМ используется двоичная
система счисления, поэтому всего двумя цифрами ( " 1 " или "0") может быть
представлена минимальная единица компьютерной информации, название
которой и происходит от английского:
binary digit (двоичное число) сокращенно bit (бит).
Однако наиболее часто употребляется
информации byte (байт):
1 байт = 8 бит
другая
единица
измерения
Сколько различных значений может принимать один байт информации?
Учитывая, что речь идет о системе счисления с основанием два, и, принимая во
внимание, что байт состоит из восьми бит, получаем 2 или 256 целых чисел.
Этого вполне достаточно чтобы дать уникальное 8ми битовое кодовое
обозначение каждой заглавной и строчной букве любого алфавита, всем
цифрам, знакам препинания и другим необходимым символам. Такой способ
кодирования ( с п о м о щ ь ю 256 знаков) применен в ASCII (American Standard
Coding for Information Interchange).
К битам и байтам применяются приставки кило, мега, гига и т . д . . В
соответствии с международными соглашениями по системам измерения (СИ)
они означают соответственно приставки 10 , 10 , 10 ит.д. Однако, учитывая,
8
3
20
6
9
что речь идет о двоичной системе счисления, то, например 1 килобайт, не будет
равен 1000 байт, как это было бы в десятичной системе счисления.
Вот как выглядят более крупные единицы измерения компьютерной
информации:
10
Считается, что 1 байт, как правило, соответствует одному печатному
знаку (букве, цифре, символу). Стандартная страница машинописного текста с
двумя интервалами между строк содержит приблизительно 2000 байт, или два
килобайта 2 Кб.
Обычный лазерный DVDдиск вместимостью 4.7 Гб позволит записать
порядка 2.5 миллионов страниц или 5 тысяч томов книг объемом по 500
страниц каждый.
Вопросы
для
самопроверки:
1. Что называют системой счисления, ее основанием?
2. Какая связь между дискретными (цифровыми) сигналами,
в компьютерной электронике, и системами счисления?
3. Как вы понимаете выражение вес разряда?
4. Для чего используют прямой код?
5. Для чего используют дополнительный код?
6. Какие системы счисления используют в ЭВМ?
7. Что такое bit?
8. Сколько бит в одном байте?
9. Сколько значений может принимать один byte?
10.Чему равен один килобайт ипочему?
21
используемым
Глава 3. Булева алгебра
3.1. Понятия алгебры логики
Основоположником алгебры логики является великий немецкий
математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646 1716 гг.). Он сделал попытку
построить универсальный язык, с помощью которого споры между людьми
можно было бы разрешать посредством вычислений. На заложенном
Лейбницем фундаменте ирландский математик Джордж Буль (18151864 гг.) в
середине X I X века построил здание новой науки алгебры логики, которая в
отличие от обычной алгебры оперирует не числами, а высказываниями.
Высказывание это любое утверждение,
относительно
которого
можно
сказать
истинно
оно или ложно,
т.е. соответствует оно
действительности или нет.
Буль произвел революцию в науке, о которой сам не подозревал. Его
разработки много позже, чем они появились, были взяты за основу построения
электронновычислительных устройств. Поэтому алгебру логики также
называют булевой алгеброй. В с а м о м деле, поскольку в булевой алгебре
используются всего два значения истина и ложь, то, присвоив им код " 1 " и
"0" соответственно, получили отличный математический инструмент синтеза и
анализа различных цифровых устройств.
3.2. Основные функции
Алгебра логики базируется на трёх функциях, определяющих три
основные логические операции. Реализуют функции алгебры логики с
помощью логических элементов (ЛЭ), которые используются для построения
преобразователей
цифровых
сигналов
комбинационного
типа.
В
комбинационных устройствах отсутствует внутренняя память. Сигналы на их
выходах в любой момент однозначно определяются сочетаниями сигналов на
входах и не зависят от предыдущих состояний схемы. Характерной
особенностью комбинационных устройств является отсутствие петель обратной
связи.
1. Функция логического умножения (конъюнкции). Функция логического
умножения записывается в виде: f = X X (символы логического умножения:
«&», «Λ», «· », «X»), и читается как: f есть (эквивалентна) X и X , поскольку
функция истинна тогда, когда истинны 1й и 2йаргументы (переменные).
Конъюнкцию называют функцией И, а логический элемент, реализующий эту
функцию, элементом И (рисунок 3.1).
Необходимо отметить, что входов у логического элемента может быть и
один, а может быть и несколько, поэтому при обозначении ЛЭ всегда
указывается их количество, т.е. в представленном примере (показано на
рисунке 3.1) элемент, строго говоря, должен называться 2И.
Количество переменных (аргументов), участвующих в одной конъюнкции,
соответствует количеству входов элемента И.
1
2
1
22
2
Таблица истинности элемента И
X l X2 f
0
0
0
l
0
0
0
l
0
l
l
l
Рисунок 3.l Так изображается на функциональных и принципиальных
схемах элемент И.
2. Функция логического сложения (дизъюнкция). Функция логического
сложения записывается в виде: f = X l + X2 (символы логического сложения
«+», «V»), и читается как: f есть X l или Х2, поскольку функция истинна, когда
истинна одна или другая переменная (хотя бы одна), поэтому функцию
дизъюнкции часто называют функцией ИЛИ (рисунок 3.2).
Таблица истинности элемента
ИЛИ
Xl
0
l
0
l
X2
0
0
l
l
f
0
l
l
l
Рисунок 3.2 Так изображается на функциональных и принципиальных
схемах элемент ИЛИ
3. Функция отрицания (инверсии). Записывается в виде: f = X, и
читается, как f есть (эквивалентна) не X. Элемент, реализующий функцию НЕ,
называется инвертором (рисунок 3.3).
Таблица истинности элемента
НЕ
X
0
l
f
l
0
Рисунок 3.3 Так изображается на функциональных и принципиальных
схемах элемент НЕ
Существуют разные способы задания функций алгебры логики. Два из
них были продемонстрированы выше это табличный, когда функция задается
в в и д е таблицы истинности, представляющей собой совокупность всех
наборов переменных и
23
соответствующих им значений функции, и, аналитический способ, при котором
функция задается в виде аналитического выражения, например, f = X l + X2.
Кроме этих способов существуют еще цифровой способ, когда функция
задается в виде десятичных эквивалентов номеров наборов аргументов, при
которых функция принимает единичное значение, и, координатный, когда для
задания функций применяют карты состояния цифрового устройства,
известные еще под названием карт Карно.
В таблице 3.l
приведены основные законы алгебры логики. Они
позволяют проводить эквивалентные преобразования функций, записанных с
помощью операций И, ИЛИ, НЕ, приводить их к удобному виду для
дальнейшего использования и упрощать имеющиеся записи. Также из таблицы
6 видно, что булевой алгебре свойственен принцип двойственности
(исключение п.6 закон двойного отрицания).
Таблица 3.L Основные законы алгебры логики
I часть
II часть
l
0= 1
1=о
2
X + 0= X
X · 1=X
3
X+ 1= 1
X · 0= 0
4
X+X=X
X · X=X
5
χ+X = ι
X · X=0
6
[ χ ]=X
7
X+X · Y= X
X · [X+Y]=X
Закон поглощения
8
X+Y=Y+X
X · Y=Y · X
Закон
коммутативности
9
[X+Y]=X · Y
[X · Y]=X+Y
l0
[X+Y]+Z=X+Y+Z
[X · Y ] · Z =X · Y+X · Z
Закон
ll
X+YZ = [X+Y] · [X+ Z]
X · [Y + Z] = X · Y + X · Z
Закон
дистрибутивности
п. п.
Наименование
Аксиомы
(тождества)
Закон двойного
отрицания
24
Правило де Моргана
(закон дуальности)
ассоциативности
3.3. Базисы
Очень важным понятием в алгебре логике является понятие о базисе.
Совокупность элементарных функций, с помощью которых можно записать
любую, сколь угодно сложную функцию, называют базисом.
Функционально полными в алгебре логики являются три базиса:
1. ИНЕ базис Шеффера (рисунок 3.4).
2. ИЛИНЕ базис Пирса или функция Вебба (рисунок 3.5).
3. ИИЛИНЕ базис конъюнкции, дизъюнкции, инверсии (рисунок
3.6).
Таблица истинности элемента
ИНЕ
Xl
&
Xl
0
1
0
1
f = X1X2
X2
X2
0
0
1
1
f
1
1
1
0
Рисунок 3.4. Так изображается на функциональных и
принципиальных схемах элемент ИНЕ
Таблица истинности элемента
ИЛИНЕ
X1 X2
0
0
1
0
0
1
1
1
f
1
0
0
0
Рисунок 3.5. Так изображается на функциональных и
принципиальных схемах элемент ИЛИНЕ
Ч т о б ы п о н я т и е о базисе б ы л о л е г ч е у с в о и т ь , р а с с м о т р и м п р и м е р
р е а л и з а ц и и ф у н к ц и и ИЛИ в р а з л и ч н ы х базисах: ИНЕ и ИЛИНЕ ( р и с у н о к
3.7).
&
X1
X1
а
&
1
1
f = [X1+X2] =
= X1+X2
_ = = [X1X2]
= X1+ X2
X2
б)
а)
Р и с у н о к 3.7. Р е а л и з а ц и и ф у н к ц и и ИЛИ в: a) б а з и с е ИНЕ, б)
б а з и с е ИЛИНЕ.
В заключение обзора функций алгебры логики, подчеркнув
рассмотренных невырожденных функций двух переменных:
важность
1. f ( X1,X2) = X 1 X 2 к о н ъ ю н к ц и я ,
2. f ( X1,X2) = X1+X2 д и з ъ ю н к ц и я ,
3. f ( X1,X2) = X 1 X 2 ф у н к ц и я ИНЕ,
4. f ( X1,X2) = X1+X2 ф у н к ц и я ИЛИНЕ.
Н е о б х о д и м о у д е л и т ь в н и м а н и е е щ е о д н о й сумме по модулю два ( д р у г о е
н а з в а н и е ф у н к ц и и исключающее ИЛИ), п р е д с т а в л е н н о й н а р и с у н к е 3.8.
Таблица истинности элемента
исключающее ИЛИ
X1
=1
f = X1®C2
X2
X1
X2
f
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
Р и с у н о к 3.8. Так и з о б р а ж а е т с я н а ф у н к ц и о н а л ь н ы х и п р и н ц и п и а л ь н ы х
с х е м а х э л е м е н т исключающее ИЛИ.
26
3.4. Эффект «гонок» в цифровой электронике, способы борьбы.
Как уже упоминалось, логические элементы, используются для
построения преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа.
Представить комбинационное устройство (КУ), можно как устройство,
состоящее из конечного числа логических элементов с k входами и m
выходами (рисунок 3.9).
ЭЛрі
ЭЛр2
ЭЛр з
&
ki
^
&
Н
Т
ЭЛр
a
&
К
п
&
]
ЭЛгц
а
&
mi
k2
1
^
1
1
ЭЛді
~
ΰ
ЭЛд[2
b
ЭЛдп
:
Рисунок 3.9. Пример комбинационного устройства.
Если КУ выполнено на базе идеальных безинерционных элементов, то
сигналы на его выходах в любой момент однозначно определяются
сочетаниями сигналов на его входах. Но это в идеале, а н а самом делеизза
существующей инерционности логических элементов, различий в их
конструктивном исполнении и других причин, происходит задержка
распространения сигналов. Таким образом, сигналы н а в ы х о д е К У , которые
должны соответствовать новому состоянию сигналов на входе, появляются не
сразу, а с некоторым запозданием. При этом в переходный период возможно
появление на выходах устройства некоторых промежуточных значений, не
соответствующих заданному состоянию устройства. Такое явление получило
название состязаний или гонок.
Обычно, вырабатываемые узлами КУ промежуточные
значения
сигналов, представляют собой импульсы очень малой длительности, однако
являющиеся помехой для всей цифровой системы, вносящей сбой в работу
дискретных устройств.
На временных диаграммах (рисунок 3.10) приведен пример получения
сигнала на выходе КУ без ошибки в идеальном случае, и с ошибкой в
реальном случае (где T это период существования помехи).
Для борьбы с эффектом гонок применяют различные способы:
тактирование;
построение протиеогоночных схем;
учет минимального времени задержкираспространения
сигнала.
n
27
x(t)
x(t)
"1"
"1"
a
a
"0"
t
t
"і"
b
b
"0"
"0"
t
t
"1"
"1"
mi „
mi
"0"
t
tl
t
t2
6)
a)
Рисунок 3.10. Временные диаграммы сигналов в цепях КУ: а) в
идеальном случае; б) в реальном случае ( T длительность помехи).
n
Здесь необходимо сделать отступление: рассматривая далее, в качестве
примера, тактирование, как один из самых эффективных способов борьбы с
гонками (рисунок 3.11), необходимо усвоить, что при обсуждении
характеристик любой ЭВМ, когда упоминается тактовая частота, упоминают
способ борьбы с гонками в этом сложном цифровом устройстве.
ЭЛр1
ι
k
1
r
ЭЛр2
ЭЛр'3
:
ЭЛрп
&
I &
I 1&
I 1&
T
Τί|·
Рисунок 3.11 Представлен пример принципиальной схемы, в которой
для реализации борьбы с эффектом гонок применено тактирование.
28
Как видно из временных диаграмм на рисунке 3.12, при использовании
тактирования как способа для борьбы с эффектом гонок,
на выходе
комбинационного устройства m (рисунок 3.11), сигнал не содержит помехи,
как на диаграмме рисунка 3.10, б.
1
X(t)
"1"
a
і
—
1
"0"
г
"1"
I
b
ти
1
L
"0"
"1"
mi
"0"
'<
>
T
1
ти
Рисунок 3.12 .13ременные диаграммы сигналов в цепях КУ при
использовании тактирования для борьбы с эффектом гонок.
Вопросы
для
самопроверки:
1. Кто является основоположником алгебры логики?
2. Какая существует взаимосвязь между алгеброй логики и двоичной
системой счисления?
3. На каких трех функциях базируется алгебра логики?
4. Какие известны способы задания функций алгебры логики?
5. Чем характеризуются устройства комбинационного типа?
6. Всем ли законам алгебры логики свойственен принцип двойственности?
7. Дайте определение базису.
8. Какие базисывызнаете?
9. Что называют эффектом гонок в комбинационных устройствах?
10. Какие способы борьбы с гонками существуют?
29
Глава 4. Транзисторы
4.1. Изобретение транзистора
В предыдущей главе рассматривались логические элементы, с помощью
которых строятся цифровые устройства комбинационного типа. Но не
рассматривался вопрос о том, как устроены сами ЛЭ.
В настоящее время, основой построения логических элементов и других
более сложных устройств микроэлектроники
(например, таких как
микропроцессоры) являются полупроводниковые
транзисторы. Само слово
транзистор (transistor) произошло от англ. transfer и resistor, что дословно
означает трансформируемое
сопротивление.
Именно благодаря появлению транзисторов электроника перестала быть
громоздкой.
Размеры
электронных
устройств
стали уменьшатся, а
качественные показатели увеличиваться, ведь до этого
основными
компонентами ЭВМ, были электронные лампы с ограниченным сроком
службы и не высокой надежностью в работе.
Первый транзистор был создан 23 декабря 1947 года Джоном Бардином
(John Bardeen), Уолтером Браттейном (Walter Brattain) и У и л ь я м о м Ш о к л и
(William Shockley), за что в 1956 году они были удостоены Нобелевской премии
по физике.
Справедливости ради, нужно отметить, что полупроводниковые приборы
использовались и ранее, только это были не транзисторы, адвухэлектродные
диоды, которые нашли применение в радиоэлектронике для детектирования и
генерирования сигналов, после того как в 1922 году под руководством Михаила
Александровича БончБруевича в Нижегородской радиолаборатории советский
ученый Олег Владимирович Лосев создал свой знаменитый детекторный
приемник (кристадин) на кристалле цинкита (окись цинка), который явился
прообразом полупроводникового диода.
И все же именно благодаря появлению полупроводникового транзистора
цифровая электроника обязана своему бурному развитию.
Кполупроводникам, из которых изготовляют транзисторы, относятся
при комнатной
температуре
имеют
удельное
материалы,
которые
электрическое сопротивление от 10 до 10 Ѳ м*см, таким образом по удельной
проводимости они являются промежуточным звеном между проводниковыми и
диэлектрическими материалами. Отличительным свойством полупроводников
является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида
примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних
энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.). В
электронике широко используют следующие полупроводники: кремний,
германий, арсенид гелия и селен.
Часть электронов в полупроводниках под действием внешнего
энергетического воздействия приобретает энергию, позволяющую им перейти в
зону проводимости и стать свободными, в результате полупроводник, до этого
не проводящий электрический ток, становится электропроводным отсюда и
название вещества полупроводник, так как в одном случае это диэлектрик, а
при определенных условиях проводник электрического тока.
5
10
30
Уход электрона с внешней незаполненной оболочки (валентной зоны)
атома полупроводника приводит к образованию в ней незаполненного
энергетического уровня дырки. Валентные электроны соседних атомов (с
таких же внешних незаполненных оболочек) могут переходить на эти
свободные уровни, создавая "дырки" вдругих атомах.
Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов,
называют электронной,
области с такой проводимостью (где электроны
являются
основными
носителями
заряда)
называют
nобластями.
Электропроводность, обусловленную движением дырок, называют дырочной, а
области где дырки являются основными носителями заряда /іобластями.
4.2. Типы транзисторов
В зависимости от принципа действия и конструктивных особенностей
транзисторы делятся на два больших класса: биполярные и полевые.
рпр
прп
Рисунок 4.1. а) реальная структура биполярного прп транзистора (здесь:
Э эмиттер, Б база, К коллектор); б) одномерная модель биполярного
транзистора включенного по схеме с общей базой; в) промышленное
исполнение транзисторов; г) условное обозначение биполярных транзисторов
структуры рпр и прп соответственно.
31
Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с
двумя или несколькими взаимодействующими электрическими рппереходами
и тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены
явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
Поскольку принцип работы рассматриваемых транзисторов основан на
взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный
заряд (дырок), так и отрицательный
(электронов), это нашло отражение
собственно в названии биполярные транзисторы.
Наиболее широко используются биполярные транзисторы с двумя пр
переходами (рисунок 4.1, а). В зависимости от типа электропроводности
наружных слоев различают транзисторы рпр и прптипов (рисунок 4.1, г).
При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного
транзистора (рисунок 4.1,6) оказывается, что к одному переходу приложено
прямое напряжение, к д р у г о м у обратное. При этом переход, к которому
приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, и соответствующий
наружный (меньший по размерам) слой эмиттером (Э); средний слой базой
(Б); переход, к которому приложено обратное напряжение коллекторным, а
самый большой по размерам наружный слой соответственно коллектором (К)
(рисунок 4.1, а).
Эмиттерная область предназначена для создания сильного потока
основных носителей заряда (для случая на Рисунок 4.1,а электронов),
проходящих все слои транзистора, поэтому эмиттер характеризуется очень
высокой степенью легирования (т.е. большой концентрацией атомов примеси).
Другая крайняя область коллектор, предназначена для принятия потока
носителей, испускаемых эмиттером. Коллектор имеет наибольшие размеры
среди других областей транзистора, а легируется намного слабее эмиттера.
Промежуточная область (база) предназначена для управления потоком
носителей, движущихся из эмиттера в коллектор. Для уменьшения потерь
электронов на рекомбинацию сдырками в б а з е е е ш и р и н а (область синего цвета
на рисунок4.1,а) делается очень маленькой (меньше диффузионной длины
неосновных носителей заряда), степень легирования на 3...4 порядка ниже, чем
у эмиттера. С учетом резкой асимметрии эмиттерного перехода он
характеризуется односторонним направлением движения потока электронов
из эмиттера в базу, и значительно превосходит встречный поток дырок из базы
в эмиттер.
Для того чтобы понять, как работает биполярный транзистор, рассмотрим
его одномерную модель в статическом состоянии (рисунок 4.1,6).
На переходы транзистора от внешних источников питания подаются
постоянные напряжения U И U , при этом U 0, что обеспечивает
открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного
перехода это соответствует активному режиму работы транзистора. Через
открытый эмиттерный переход протекают (инжектируются)
основные
носители заряда электроны. Величина этого потока зависит от напряжения на
эмиттерном переходе U , экспоненциально возрастая с увеличением I U
I .
3E
KE
3E
3E
KE
3E
32
Инжектированные в базу электроны оказываются в ней избыточными
неосновными носителями заряда. Вследствие диффузии они движутся через
базу к коллекторному переходу, частично занимая дырки базы (рекомбинируя) ,
но потери не велики изза малой ширины базы, как уже упоминалось.
Достигшие коллекторного перехода электроны переносятся полем закрытого
коллекторного перехода в коллектор. Этот поток практически не зависит от
напряжения на коллекторном переходе U , так как в коллекторном переходе
отсутствует потенциальный
барьер для движущихся из базы в коллектор
электронов.
Таким образом, в активном режиме транзистора от эмиттера до
коллектора течет мощный поток электронов, создающий во внешних цепях
эмиттера и коллектора токи I и I (направленные навстречу движению
электронов).
С помощью входного напряжения U
ПОТОК электронов
и,
соответственно, ток коллектора I , ЯВЛЯЮЩИЙСЯ ВЫХОДНЫМ ТОКОМ транзистора,
эффективно меняется в ту или иную сторону. Управление выходным током с
помощью входного напряжения и составляет основу принципа работы
биполярного транзистора, что позволяет использовать его для усиления
электрических сигналов.
Полевыми
транзисторами
(рисунок
4.2,
а)
называют
полупроводниковые приборы, работа которых основана на изменении
сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим
полем.
В отличие от биполярных, работа полевых транзисторов построена на
использовании основных носителей заряда в полупроводнике, и в создании
электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (или
электроны, или дырки). Движение носителей заряда происходит вдоль
электроннодырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном
транзисторе) и является второй характерной особенностью полевого
транзистора.
Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют
истоком (И); электрод, через который из канала уходят носители заряда,
стоком (С); электрод, служащий для регулирования ширины поперечного
сечения канала, затвором (3).
По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые
транзисторы можно разделить на два типа:
• с управляющим
pnпереходом;
• с изолированным затвором.
KE
3
K
3E
K
Рассмотрим полевой транзистор с управляющим
рппереходом и
каналом птипа (рисунок 4.2, а). При подключении к истоку отрицательного, а к
стоку положительного напряжения (рисунок 4.2, б) в канале возникает
электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку.
Электрическое поле, создаваемое между затвором и каналом, изменяет
плотность носителей заряда в канале, таким образом, регулирует величину
протекающего тока.
33
Так как управление происходит через обратно смещенный рппереход,
сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а
потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно мала.
Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных
колебаний, как по мощности, так по току и напряжению.
ι
Tl
п
рзатвор
в)
1
затвор
г)
Рисунок 4.2 а) структура полевого транзистора с рппереходом; б)
схема включения полевого транзистора с рппереходом и каналом птипа;
в) условное графическое обозначение полевого транзистора с рппереходом и
каналом птипа; г) условное графическое обозначение полевого транзистора с
рппереходом и каналом ртипа;
Полевые транзисторы с изолированным затвором еще называют МДП
транзисторами или МОПтранзисторами, это связанно с тем, что у таких
транзисторов поверхность полупроводника (рисунок 4.3, а) между истоком и
стоком покрыта тонким слоем диэлектрика, а на слой диэлектрика нанесен
металлический электрод затвор. Получается структура, состоящая из металла,
диэлектрика и полупроводника, сокращенно МДП.
МДПтранзисторы с диэлектриком из диоксида кремния SiO называют
также МОП транзисторами (металл оксид полупроводник).
Полевые транзисторы с изолированным
затвором делятся на две
категории:
с индуцированными каналами (рисунок 4.3, а)
со встроенным каналом (рисунок 4.3, б)
2
34
исток
исток
затвор
сток
JTILL
исток
затвор
затвор
выборки
сток
и к с у *
il
плавающий
сток
L
I
ш
P
а)
б)
в)
и
π
3
3
г)
с
Д)
Рисунок 4.3 а) МДПтранзистор с индуцированным nканалом; б) МДП
транзистор со встроенным pканалом; в) МДПтранзистор с плавающим
затвором; г) условное графическое обозначение МДПтранзистора с
индуцированным nканалом; д) условное графическое обозначение МДП
транзистора со встроенным pканалом.
Транзисторы первого типа могут работать как в режиме обеднения канала
носителями заряда, так и в режиме обогащения. Транзисторы второго типа
можно использовать только в режиме обогащения.
УМДПтранзисторов помимо затвора имеется дополнительный вывод от
кристаллической пластины, называемый подложкой. Управляющее напряжение
можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на
подложку и затвор. В транзисторе с индуцированным каналом (рисунок 4.3, а)
под
влиянием
образующего
электрического
поля
у
поверхности
полупроводника появляется канал nтипа (в рассматриваемом случае) за счет
отталкивания дырок от поверхности вглубь полупроводника. В транзисторе со
встроенным каналом (рисунок 4.3, б) происходит расширение или сужение
имеющегося канала под действием управляющего напряжения.
Существует еще один вид полевых транзисторов с плавающим затвором
(рисунок 4.3, в). Плавающий затвор представляет собой область поликремния,
35
окруженную со всех сторон диэлектриком, он электрически не связан с
другими
электродами
и его потенциал
"плавает".
Толщина
нижнего
диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном
электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор сквозь
п о т е н ц и а л ь н ы й б а р ь е р SiSiO п у т е м к в а н т о в о м е х а н и ч е с к о г о т у н н е л и р о в а н и я .
Такие транзисторы нашли применение в И М С памяти.
2
4.3. Ключевые схемы работы транзисторов
биполярных и полевых
Р а з л и ч а ю т т р и о с н о в н ы х режима работы
т р а н з и с т о р о в : активный, отсечки и насыщения. П о с л е д н и е д в а п о з в о л я ю т
реализовать алгоритм работы транзистора, как простейшего
логического
элемента, д л я э т о г о и с п о л ь з у е т с я , т а к н а з ы в а е м а я , ключевая схема.
Простейшая
ключевая
схема,
предназначенная
для
коммутации
( п е р е к л ю ч е н и я ) т о к а в н а г р у з к е , с о д е р ж и т и с т о ч н и к п и т а н и я (U ), н а г р у з к у
( р е з и с т о р R) и к л ю ч ( К л ) ( р и с у н о к 4.4, а).
n
U
BbK
а)
б)
0
U
BbK
1
в)
Р и с у н о к 4.4. а ) п р о с т е й ш а я к л ю ч е в а я с х е м а ; б) н а г р у з о ч н а я п р я м а я
и д е а л ь н о г о к л ю ч а ; в) н а г р у з о ч н а я п р я м а я н е и д е а л ь н о г о к л ю ч а .
Е с л и к л ю ч идеален, т о е г о с о п р о т и в л е н и е в р а з о м к н у т о м с о с т о я н и и
бесконечно велико, а в з а м к н у т о м равно нулю, при этом ток в цепи при при
з а м к н у т о м к л ю ч е I= U /R (согласно закона Ома), а р а з о м к н у т о м I=O .
Выходное напряжение (U
) э т о н а п р я ж е н и е м е ж д у « н у л е м » (землей) и
точкой
X. П р и р а з о м к н у т о м
ключе, когда
падение
напряжения на
сопротивлении R отсутствует, потенциал точки X будет равен потенциалу
источника питания: U
= U . Когда же ключ замкнут, потенциал точки X
р а в е н п о т е н ц и а л у земли, п р и н я т о м у з а н у л е в о й
уровень,
следовательно,
n
BbIX
l u x
n
36
На нагрузочной прямой (рисунок 4.4,6), построенной по точкам U
И
U / R вкоординатах U и I (вольтамперные координаты), видно, что точка A
определяет состояние схемы при замкнутом, а т о ч к а В при разомкнутом
состояниях ключа (Кл). При этом коэффициент использования напряжения
питания для идеального ключа равен единице: KU=(U U )/
U = 1.
В случае если ключ неидеальный, т.е. когда в замкнутом состоянии он
обладает хоть небольшим, но внутренним сопротивлением R , авразомкнутом
хоть и большим, но конкретным сопротивлением изоляции R , то точки A и
В
на
нагрузочной
прямой
при
пересечении
с
вольтамперными
характеристиками ключа сместятся в сторону от оси абсцисс и ординат
(рисунок 4 . 4 , в), что приведет к уменьшению диапазона изменения выходного
напряжение A U , и в этом случае коэффициент использования напряжения
питания станет меньше единицы.
На рисунке 4.5,а приведена ключевая схема включения биполярного
транзистора. Здесь управление состоянием ключа осуществляется входным
напряжением, так, при U = 0 ток базы I тоже равен нулю, поэтому состояние
схемы определяется точкой В пересечения нагрузочной прямой с выходной
вольтамперной характеристикой транзистора (рисунок 4.5, б). В э т о м случае
говорят, что транзистор находится в состоянии отсечки, что равносильно
разомкнутому ключу, а выходное напряжение, определяемое потенциалом
точки X , равно U , которое меньше чем напряжение питания схемы.
BUX
N
B
N
A
m
u3
6
B X
O T C
ύ
+ U
N
б)
а)
Рисунок 4.5. а) ключевая схема включения биполярного транзистора; б)
выходная вольтамперная характеристика
(BAX) биполярного транзистора
(отношение I К U ) , сточками: насыщения А и отсечки B (вообще еще
существуют входная и проходная вольтамперные характеристики транзистора).
K
K 3
37
При U , достаточном для создания базового тока Тбнас, переводящего
транзистор в режим насыщения, состояние схемы определяется точкой А
(рисунок 4.5, б), что равносильно замкнутому ключу, и выходное напряжение
, которое выше нулевого уровня. Таким образом, транзистор ведет
равно U
себя как неидеальный ключ, и
коэффициент использования напряжения
меньше единицы.
Дополнительной особенностью ключевой схемы включения биполярного
транзистора является то, что она инвертирует уровень входного сигнала, т.е.
если на входе низкий потенциал, то в это же время на выходе U
имеет
высокий потенциал, и н а о б о р о т (рисунок 4.6.). Таким образом, простейшая
ключевая схема на транзисторе с нагрузкой в цепи коллектора, с которого
снимается выходное напряжение, является инвертором, реализующим функцию
НЕ алгебры логики.
B X
k 3 Hac
B b r x
І6
0
i
K
0
U
K 3
0
U
K3 H
Рисунок 4.6. Диаграммы работы ключевой схемы на биполярном транзисторе.
38
+ U
n
U
c n
Рисунок 4.7. а) ключевая схема на полевом транзисторе; б) вольт
амперная характеристика полевого транзистора с точками: насыщения А и
отсечки B.
Полевые транзисторы не менее широко используются в ключевых схемах
(рисунок 4.7), и представляют больший интерес, чем схемы на биполярных
транзисторах, так как имеют ряд важных преимуществ:
малое остаточное напряжение на ключе в замкнутом состоянии;
высокое сопротивление в разомкнутом состоянии;
малую мощность энергопотребления.
Все это позволяет полевым транзисторам вплотную приблизится к
параметрам идеального ключа в соответствующих схемах. И именно по этому
в цифровой технике полевые транзисторы занимают лидирующие позиции.
4.4. Современные транзисторы
На основе полевых транзисторов строятся самые важные элементы
компьютера интегральные микросхемы (ИМС) памяти и
процессоры
(подробнее об ИМС в следующей главе). Транзисторы составляющие ИМС,
выращиваются
на кристаллах кремния и имеют очень малые размеры,
например, величина таких транзисторов, составляет всего несколько десятков
нанометров (1 нм = 10 м).
На рисунке 4.8 представлен нанотранзистор первого поколения фирмы
Intel сшириной затвора 70 нм.
9
39
Уменьшение размеров транзисторов дает
прирост скорости их
срабатывания. Так, современный транзистор может включаться и выключаться
миллиарды раз в секунду, что положительно сказывается на быстродействии
всей, построенной на его основе, цифровой системе. Дополнительным
положительным фактором связанным с уменьшением транзисторов является
снижение их
энергопотребления. Однако существуют барьеры на пути
миниатюризации транзисторов. Это выделение тепла при их работе и утечка
электрического тока, таким образом, что, чем меньше транзистор, тем больше
тепловыделение и выше ток его утечки. Поэтому дальнейшее уменьшение
размеров полупроводниковых приборов связано в первую очередь с
преодолением указанных барьеров.
Все полевые МОПтранзисторы содержат специальный изолирующий
слой тонкую диэлектрическую пленку под затвором, а свойства диэлектрика
затвора оказывают решающее влияние на работу транзистора. Последние 30 лет
в качестве основного материала для диэлектрика затвора использовался
диоксид кремния (SiO2), что было обусловлено его технологичностью и
возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по
мере уменьшения их размеров. На сегодняшний день в транзисторах,
производимых современной промышленностью (рисунок 4.9), толщина слоя
диэлектрика затвора из диоксида кремния составляет всего 1,2 нанометра то
есть, сопоставима с пятью атомарными слоями. Фактически, это уже близко к
пределу для данного материала, поскольку в результате дальнейшего
уменьшения самого транзистора и, как следствие, утоньшения слоя диоксида
кремния ток утечки через диэлектрик затвора значительно возрастет, что
приведет к существенным потерям тока и избыточному тепловыделению.
Рисунок 4.8. МДП с индуцированным каналом нанотранзистор
первого поколения фирмы Intel с шириной затвора 70 нм;
40
Рисунок 4.9. Микрофотография МДПтранзистора нового поколения
с шириной затвора 50 нм.
Можно сделать вывод, что планарная технология достигла своего
предела, и
поэтому в ближайшей перспективе в качестве транзисторов
будущего рассматриваются варианты по созданию трехмерных транзисторов.
Так, компания Intel объявила о создании транзисторов с тройным затвором,
похожим по своему внешнему виду на приподнятую горизонтальную плоскость
с вертикальными стенками (рисунок 4.10). Поскольку площадь поверхности
затвора теперь многократно возросла (а при высоких частотах ток всегда
вытесняется из глубины проводника и распространяется преимущественно по
его поверхности), то величина удельной плотности тока значительно
сократилась, значит, уменьшились и паразитные утечки.
Изменения затронули и геометрию двух других электродов транзистора.
Для облегчения продвижения тока по поверхностям истока и стока их высота
была значительно увеличена. Следует отметить, что такая мера не только
снижает рассеиваемую транзистором тепловую мощность, но и уменьшает
минимально необходимый для работы транзистора ток.
Рисунок 4.10. Двухканальный трехмерный транзистор с тройным затвором
41
На более дальнюю перспективу, создания транзистора будущего,
ориентированны разработки первыми, в которых стали российские ученые из
Московского государственного университета Д.А. Аверин и К.К. Лихарев. Их
исследования позволят создать транзисторы нового поколения размерами всего
около 1 нм. Называется такое устройство одноэлектронный транзистор на
нанокластере. Информация в таком транзисторе будет представлена не в виде
привычных электрических импульсов, а в виде отдельных электронов.
Согласно основным принципам квантовой механики, микрочастицы (в
частности электроны) могут переходить через изолятор с одного проводника на
другой туннелировать. В отличие от обычного движения электронов в
проводнике, которое зависит лишь от их коллективных свойств, при
туннелировании проявляются индивидуальные характеристики
каждой
частицы. Электроны проходят через слой изолятора по отдельности, и э т о
позволяет зарегистрировать перемещение с проводника на проводник даже
одного из них. Когда один из электронов проходит сквозь изолятор
незаряженного перехода, на переходе сразу же появляется напряжение,
препятствующее движению следующих частиц, т.к. проскочивший электрон
своим зарядом отталкивает другие частицы. Это явление называют
кулоновской блокадой. Изза блокады очередной электрон пройдет через
изолятор только тогда, когда предыдущий удалится от перехода. Врезультате
частицы станут переходить с проводника на проводник через определенные
промежутки времени, а частота таких переходов одноэлектронных колебаний
будет равна величине тока, деленной на заряд электрона.
От заряда на центральном проводнике будет зависеть проницаемость
обоих переходов, меняя этот заряд, нетрудно управлять током через такую
систему. Таким образом, на одноэлектронных транзисторах можно будет
построить любую цифровую схему.
Рисунок 4.11. Микрофотография металлических полосок на тонкой подложке
нитрида кремния размером 10 нм (100 ангстрем), полученных учеными из
Новосибирского Академгородка. С помощью разрыва нанопроволки создана
структура использующая эффект кулоновской блокады.
42
4.5. Нанотехнологии
Следует отметить, что транзисторы будущего, это транзисторы,
построенные на основе новых материалов с использованием нанотехнологии.
Что такое кристаллическая решётка или структура химической молекулы всем
известно из школьного курса. От взаимного расположения и относительного
количества атомов зависят не только свойства, но и само полученное в
результате вещество. Например, одни и т е ж е а т о м ы углерода в о д н о й
структуре образуют графит, а в д р у г о й алмаз.
Появившиеся нанотехнологии дают возможность собирать под контролем
физических методов наблюдения кристаллы нужных свойств из отдельных
атомов, как из деталей конструктора. То есть видеть и перемещать отдельные
атомы размером в одну миллиардную долю метра. Отсюда и название
нанотехнологии.
Федеральное Агентство по науке и инновациям в «Концепции развития в
РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года», дает такое определение:
Нанотехнология совокупность методов и приёмов, обеспечивающих
возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты,
включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном
измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества,
позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие
системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает
также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.
Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является
атомносиловая микроскопия. С помощью атомносилового микроскопа (ACM)
можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно
воздействовать на них, в ч а с т н о с т и , перемещать атомы по поверхности.
Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности,
используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании
IBM,
последовательно
перемещая
атомы
ксенона
на
поверхности
монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить буквы логотипа
компании, используя 35 атомов ксенона.
При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических
трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума
(10
тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких
температур ( 4 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и
атомарно гладкой для чего применяются специальные методы её
приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения
поверхностной диффузии осаждаемых атомов.
Нанообъекты делятся на 3 основных класса:
трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным
синтезом, восстановлением тонких плёнок и т.д.,
двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного
наслаивания, осаждением веществ из газовой фазы по технологии Chemical
Vapour Deposition (CVD), по технологии атомнослоевого осаждения
Atomic Layer Deposition (ALD), методом ионного наслаивания и т.д,
10
10
43
одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом
молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические
микропоры и т. д.
Также существуют нанокомпозиты — материалы полученные введением
наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение
получил только метод микролитографии
(который будет рассмотрен в
следующей главе).
Если говорить о последних достижениях нанотехнологий в в области
компьютеростроения и микроэлектронике, то можно выделить:
Центральные процессоры компании Intel содержащие наименьший
структурный элемент размерами примерно 45 нм. В дальнейшем
компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм.
Основной конкурент Intel, компания A M D , также давно использует для
производства своих процессоров нанотехнологические
процессы,
разработанные совместно с компанией I B M . Характерным отличием от
разработок Intel является применение дополнительного изолирующего
слоя, препятствующего утечке тока за счет дополнительной изоляции
структур, формирующих транзистор. Уже существуют рабочие образцы
процессоров с транзисторами размером 45 нм и опытные образцы на 32
нм ;
Жесткие диски в 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили
Нобелевскую премию по физике за открытие
OMRэффекта,
позволяющего производить запись данных на жестких дисках с
атомарной плотностью информации;
Атомносиловой микроскоп сканирующий зондовый микроскоп
высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера
с поверхностью
исследуемого
образца.
Обычно под
(зонда)
взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера
от поверхности изза сил Вандер Ваальса. Но при использованиии
специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные
свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного
микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и
непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет
работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное
разрешение атомносилового микроскопа зависит от размера кантилевера
икривизныего острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали
и существенно превышает его по вертикали;
Антеннаосциллятор 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского
университета была получена антеннаосциллятор размерами порядка 1
мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно
осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее
помощью огромные объемы информации;
Плазмоны — коллективные колебания свободных электронов в металле.
Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так
называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале
X X века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для
44
сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400
нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за
границами дифракционного предела (длина волны излучения много
больше размеров частицы). В начале 2000го года, благодаря быстрому
прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан
толчок к развитию новой области нанотехнологии — наноплазмонике.
Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль
цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных
колебаний.
Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах с
размерами менее 100 нм, дали начало развитию новой области знаний, которая,
безусловно несет революционные изменения в технологии X X I века.
Общемировые затраты на нанотехнологические проекты сейчас
превышают 9 миллиардов долларов в год. На долю США приходится примерно
треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные инвесторы
на рынке нанотехнологий Европейский Союз и Япония. Прогнозы
показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей
нанотехнологической промышленности может дойти до 2 миллионов человек, а
суммарная
стоимость
товаров,
производимых
с
использованием
наноматериалов может приблизится к 1 триллиону долларов.
Вопросы
для
самопроверки:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Что такое транзистор?
Какими свойствами обладают полупроводники?
Какие типы транзисторов вы знаете?
Чем отличаются биполярные транзисторы от полевых?
Какие типы полевых транзисторов вы знаете?
Почему в цифровой электронике отдают предпочтение ключевой схеме
работы транзистора?
7. Почему в ключевых схемах предпочтение
отдается
полевым
транзисторам?
8. Каковы размеры современных полевых транзисторов?
9. Какие черты будут иметь транзисторы будущего?
10.Что означает термин нанотехнологии?
11.На какие три основные класса делятся нанообъекты?
45
Глава 5 . Интегральные микросхемы
5.1. Появление интегральных микросхем
Подводя итог двум последним главам, можно сказать, что на смену
проектирования цифровых устройств комбинационного типа на уровне
логических элементов, пришло осознание того, что это проектирование
на уровне транзисторов. И эта технология
сводится к проектированию
действительно имела место в 60е годы прошлого столетия. Но
просуществовала она не долго, так как использование однотипных по
функциональному назначению цифровых узлов, построенных на транзисторах,
привело к необходимости создания новых элементов микроэлектроники
интегральных микросхем (ИМС) или просто интегральных схем (ИС),
выполняющих каждая свои специализированные функции.
Идея создания ИМС, как это нередко бывает, пришла в голову сразу двум
разным людям. В 1959 году Роберт Нойс (19271990) инженер компании
Fairchild Camera и Instrument Corp. (а впоследствии глава компании Intel) создал
свой вариант первой интегральной микросхемы, которая представляла собой
набор транзисторов на одной кремниевой пластине, и ч т о о ч е н ь в а ж н о ,
содержала соединительные каналы между ними. Примерно в тоже время эта
идея, независимо от Р. Нойса, была воплощена в жизнь Джеком Килби (1923¬
2005), инженером компании Texas Instruments, который впоследствии дожил до
получения Нобелевской премии за эту разработку, присужденную в 2000г.
Сегодня микросхема представляет собой кристалл, на котором
располагается от сотен до нескольких сотен миллионов транзисторов вместес
и дополнительными
элементами
необходимыми
связями
(каналами)
(сопротивлениями, конденсаторами), позволяющими реализовать необходимые
функции ИС.
5.2. Типы интегральных микросхем.
Число элементов в микросхеме характеризует ее степень интеграции. По
этому параметру все микросхемы условно делятся на малые (МИС) до 10
элементов на кристалл, средние (СИС) до 10 , большие (БИС) до 10 ,
сверхбольшие (СБИС) до 10 , ультрабольшие (УБИС) до 10 игигабольшие
(ГБИС) более 10 элементов на кристалл.
По конструктивнотехнологическому исполнению микросхемы делятся
на полупроводниковые и гибриднопленочные.
Полупроводниковые
микросхемы в своей основе имеют монокристалл
полупроводникового материала (обычно кремния), в поверхностном слое
создаются
которого методами литографии и избирательного легирования
транзисторы, диоды, резисторы и (иногда) конденсаторы, а соединения между
ними формируются по поверхности кристалла с помощью тонкоплёночной
технологии. Полупроводниковые микросхемы могут быть однокристальными
(монолитными)
и многокристальными
(микросборками).
Однокристальная
микросхема может иметь индивидуальный герметизированный корпус с
внешними выводами или быть бескорпусной и входить в состав микросборки.
2
3
6
4
9
9
46
Многокристальная микросхема микросборка представляет собой набор
бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате.
Гибридноплёночные микросхемы включают в себя плёночные пассивные
элементы (резисторы и конденсаторы), коммутационные
проводники,
нанесённые непосредственно на подложку из изоляционного материала, и
бескорпусные полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды, диодные
матрицы, несложные микросхемы), монтируемые на той же подложке.
В качестве активных элементов в полупроводниковых микросхемах
используются полевые (униполярные)
МДП (или МОП) и б и п о л я р н ы е
транзисторы. В соответствии с этим все полупроводниковые микросхемы
делятся на три основные вида: биполярные, униполярные (МДП или МОП) и
биполярнополевые.
Помимо этого ИМС разделяют по принципу построения, так если
микросхема построена на логических элементах
диоднотранзисторной
логики то это ДТЛ ИМС, резистивнотранзисторной
логики РТЛ,
эмиттерносвязанной логики ЭСЛ, и, транзисторнотранзисторной
ТТЛ.
5.3. Изготовление интегральных микросхем.
Методика разработки микросхем, начиная с появления первых из них, и
до настоящего времени мало изменилась и подразделяется на следующие
этапы: концептуальная проработка, проектирование логических элементов и
интегральных схем, аттестация, разработка компоновочной схемы и маски,
изготовление кремниевой подложки (укрупненный технологический процесс
изготовления полупроводниковых ИМС представлен на рисунке 5.1), отладка и
тестирование. Однако на этом все сходство и заканчивается, так как в прежние
времена проектирование, аттестация и тестирование выполнялись, главным
образом, вручную. Это, облегчалось тем, что микросхемы насчитывали не
сотни миллионов транзисторов, как сегодня, а "всего лишь" менее 30 000. В
настоящий момент все этапы автоматизированы.
Рассмотрим
подробнее
технологический
процесс
изготовления
полупроводниковых ИМС. Монокристаллы, служащие основанием ИМС,
изготавливаются, как правило, из самого распространенного
на Земле
материала кремния, который в обычном виде представляет собой кварцевый
песок. Для того чтобы получить кремний, необходимого качества, он проходит
ряд сложных стадий обработки и подразделяется на:
технический или металлургический кремний, который содержит примеси
на уровне сотых долей процента, не является полупроводниковым и
обладает металлическим типом проводимости, на нём невозможно
создать ни pn переходы, ни наноструктуры или гетеропереходы, он
годится только как добавка в металлургической промышленности и т. д.
поликремний, который получают из технического кремния и который
служит исходным сырьём для получения монокристаллического
кремния
полупроводникового качества.
монокремний (монокристаллический)
который и используется уже при
изготовлении ИМС.
47
Изготовление
комплекта
Фотошаблонов
Изготовление
монокристалла
Изготовление
корпусов ИМС
Резка
монокристалла
на пластины
Многократное оксидирование,
травление, легирование
Установка кристал.
в корпус, разварка
выводов
Металлизация
і
Выбраковка ПП
структур на
пластине
і
Герметизация
і
Резка пластин
лазером на
кристаллы
і
Контроль и
упаковка
Рисунок 5.1. Схема технологического
изготовления полупроводниковых ИМС.
процесса
Обычно монокристаллический
кремний выращивается по методу
Чохральского (стадии роста показаны на рисунке 5.2) вкварцевых тиглях при
высоких температурах. Идея метода получения кристаллов по методу
Чохральского заключается в росте монокристалла за счет перехода атомов из
жидкой или газообразной фазы вещества в твердую фазу на их границе раздела.
χ T
Направление роста монокристалла
кристалл
переходный
слой
расплав
t
Рисунок 5.2. Стадии роста монокристалла кремния.
48
Затравочный монокристалл высокого
поликремния (показано на рисунке 5.3,а).
вытягивание монокристалла из расплава. Его
атомов кремния из жидкой или газообразной
границе их раздела.
качества опускается в расплав
Затем происходит постепенное
ростпроисходитзасчетперехода
фазы вещества в твердую фазу на
6
в)
Рисунок 5.3. Схема установки для выращивания монокристаллов
способом Чохральского (а): 1 механизм вращения затравки, 2 затравка, 3
тигель с расплавом, 4 вакуумный насос, 5 устройство вращения и подъема
тигля, 6 источник питания. Установка Ника3 (б). Слитки монокремния (в).
49
Для получения монокристаллов кремния методом Чохральского
разработано
и
широко
используется
высокопроизводительное
автоматизированное
оборудование
(рисунок
5.3,6),
обеспечивающее
воспроизводимое получениебездислокационных монокристаллов диаметром
до 200— 300 мм. С увеличением загрузки и диаметра кристаллов стоимость их
получения уменьшается. Однако в расплавах большой массы {60—120 кг)
характер конвективных потоков усложняется, что создает дополнительные
трудности для обеспечения требуемых свойств материала. Кроме того, при
больших массах расплава снижение стоимости становится незначительным за
счет высокой стоимости кварцевого тигля и уменьшения скорости
выращивания кристаллов изза трудностей отвода скрытой теплоты
кристаллизации.
В связи с этим с целью дальнейшего повышения производительности
процесса и для уменьшения объема расплава, из которого производится
выращивание кристаллов, интенсивное развитие получили
установки
полунепрерывного
выращивания.
В
таких
установках
производится
дополнительная непрерывная или периодическая загрузка кремния в тигель без
охлаждения печи, например путем подпитки расплава жидкой фазой из другого
тигля, который, в с в о ю о ч е р е д ь , также может периодически или непрерывно
подпитываться твердой фазой. Такое усовершенствование метода Чохральского
позволяет снизить стоимость выращиваемых кристаллов на десятки процентов.
Кроме того, при этом можно проводить выращивание из расплавов небольшого
и постоянного объема. Это облегчает регулирование и оптимизацию
конвективных потоков в расплаве и устраняет сегрегационные неоднородности
кристалла, обусловленные изменением объема расплава в процессе его роста.
Для получения монокристаллов n или ртипа с требуемым удельным
сопротивлением
проводят
соответствующее
легирование
исходного
поликристаллического кремния или расплава. В загружаемый поликремний
вводят соответствующие элементы (Р, В, As, Sb и д р . ) или их сплавы с
кремнием, что повышает точность легирования.
В настоящий момент российскими учеными разработана технология
получения бестигельного
зонноплавленного
кремния, который выходит
рекордно чистым, потому что процесс получения кремния происходит в
вакууме или в атмосфере инертного газа (рисунок 5.4).
Выращивание кристаллов кремния методом бестигельной зонной плавки
осуществляют на основе одновиткового индуктора (типа «игольного ушка»),
внутренний
диаметр
которого
меньше
диаметра
исходного
поликристаллического стержня и кристалла. Во всех современных системах
зонной плавки используется стационарное положение индуктора, а
поликристаллический стержень и растущий монокристалл перемещаются.
Скорость выращивания кристаллов данным методом вдвое больше, чем по
методу Чохральского, благодаря более высоким градиентам температуры. Изза
технических трудностей выращиваемые методом бестигельной зонной плавки
кристаллы кремния (их диаметр доведен до 150 мм) уступают по диаметру
кристаллам, получаемым методом Чохральского.
50
а)
б)
Рисунок 5.4. а) установка для роста монокремния; б) через смотровое
окно установки виден исходный стержень поликремния, расплавленная зона
(область белого цвета) и слиток растущего монокремния
(температура
плавления кремния составляет 1412 градусов Цельсия).
При бестигельной зонной плавке легирование выращиваемого кристалла,
как правило, проводят из газовой фазы путем введения в газноситель (аргон)
газообразных соединений легирующих примесей.
При этом удельное сопротивление кристаллов может изменяться в
широких пределах, достигая 200 Ом см. При выращивании в вакууме получают
монокристаллы с очень высоким сопротивлением — до 3 10 Ом см. Для по
лучения такого материала во избежание загрязнений не применяют резку или
обдирку стержня поликристаллического кремния. Остаточные доноры,
кислород, углерод и тяжелые металлы удаляют из кремниевого стержня
пятикратной зонной очисткой в вакууме.
Монокристаллы кремния, получаемые методом бестигельной зонной
плавки,
составляют
около
10
%
общего
объема
производимого
монокристаллического кремния и идут в основном на изготовление дискретных
приборов.
Окончательная обработка кремния. Из установки извлекают кремниевый
слиток длиной до 3 метров. Для получения из него кремниевых пластин
заданной ориентации и толщиной в несколько десятых миллиметра производят
следующие технологические операции:
4
51
1. Механическая обработка слитка: отделение затравочной и хвостовой
части слитка ( з д е с ь и д а л е е р е ч ь и д е т о слитке, полученном по методу
Чохральского); обдирка боковой поверхности до нужной толщины;
шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей
ориентации
в
технологических
установках
и
для
определения
кристаллографической ориентации); резка алмазными пилами слитка на
пластины: (100) точно по плоскости (111) с разориентацией на несколько
градусов.
2. Травление. На абразивном материале SiC или Al2O3 удаляются
повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и
уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей
натрия производится травление поверхности Si.
3. Полирование получение зеркально гладкой поверхности. Используют
смесь полирующей суспензии (коллоидный раствор частиц SiO2 размером 10
нм) сводой.
В окончательном виде кремний представляет из себя пластину диаметром
15 40 см, толщиной 0.5 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.
Основная часть монокристаллов кремния, получаемых
методом
Чохральского, используется для производства интегральных микросхем;
незначительная часть (около 2 %) идет на изготовление солнечных элементов.
Метод является оптимальным для изготовления приборов, не требующих
высоких значений удельного сопротивления (до 25 Ом см) изза загрязнения
кислородом и другими примесями из материала тигля.
В дальнейшем
пластины покрываются слоем изолятора, а з а т е м и
защищаются механически (что немаловажно при дальнейшей обработке). Роль
слоя изолятора, как уже упоминалось, выполняет SiO двуокись кремния.
Чтобы нанести ее на поверхность используют специализированную печь, где и
происходит медленное обрастание пластины прочными стенками оксида
кремния.
Подготовленная
пластина
покрывается
светочувствительным
полимерным слоем, который в дальнейшем при воздействии ультрафиолета
через специальную маску, и применением органических растворителей (или
рентгена), помогает избавиться от слоя оксида кремния, и тем самым оголить в
нужных местах чистый кремний. Такой метод называется
литографией
(показано на рисунке 5.5).
Структура пластины изменяется таким способом несколько раз (с
использованием других масок), пока не будет получен необходимый рельеф
будущей ИМС.
Создание зон с проводниками pтипа и nтипа, производится вкраплением
нужного количества того или иного вещества в кремниевую заготовку. Чаще
всего для "наполнения" проводниками nтипа используют мышьяк или бор (т.к.
кремний содержит носители pтипа). Для этого заготовка разогревается до
температуры, при которых диффузия необходимых материалов становится
особенно быстрой, и в полученные ранее отверстия, в о к и с л е к р е м н и я ,
заносится строго определенное количество веществадонора дырок.
2
52
О
Н А Н ЕСЕН И Е М А ТЕРИ А Л О В
Кремниевая п о д^ о ж ю
Q
О ЕЛ Ѵ Ч ЕН И Е
Ѵ Л ЬТРАФИ ОЛ ETi j M
Q
П РО ЯВЛ ЕН И Е РЕЗИ СТА
Рисунок 5.5. Метод литографии.
После получения окончательного образчика описанным методом,
добавляются зоны проводимости и непроводимости. Здесь решающими
веществами становятся поликристаллический кремний, а также различные
оксиды
и металлы. Полученные
электрические
соединения
между
транзисторами проверяются, и готовые ИМС на пластине (рисунок 5.6,а)
разрезаются.
53
Далее идет процесс
разварки
выводов и упаковки интегральных
микросхем в корпуса (рисунок 5.6,6).
Перед окончательным выпуском, полученных микросхем на рынок
электронных приборов,
выполняются типовые процедуры
отбраковки
микросхем. Пример таких процедур, принятых Европейским комитетом
электротехнических стандартов компонентов электронных схем (CECC),
представлен на рисунке 5.7.
С повышением функциональной сложности интегральных микросхем
резко возрастает трудоемкость и сложность операций контроля их параметров.
без
Практически
невозможно
проверить
интегральную
микросхему
автоматизированных контрольно измерительных систем. К о с н о в н ы м в и д а м
контрольных испытаний интегральных микросхем относятся:
параметрический контроль (включает в себя измерения основных
параметров ИМС на постоянном токе);
функциональный контроль (включает в себя проведение статистических
и динамических измерений на базе контрольной тестовой таблицы);
диагностический контроль (ведется с использованием специальных
информационных систем).
Целесообразность и эффективность применения различных видов
контроля зависит главным образом от сложности и степени интеграции
микросхем, типа логических элементов и целей контрольных испытаний.
Таким образом, в данной главе были рассмотрены принципы получения
интегральных микросхем, без которых в настоящее время немыслимо развитие
компьютерной электроники и электроники в целом.
Вопросы
для
самопроверки:
1. Почему появилась необходимость в создании интегральных микросхем?
2. Какие обязательные элементы присутствуют в интегральных
микросхемах, начиная с самой первой?
55
3. На основе какого материала, служащего подложкой, изготавливают
полупроводниковые микросхемы?
4. Каковы основные этапы разработки ИМС?
5. Для чего нужен поликремний?
6. Что вы знаете о методе Чохральского?
7. В чем преимущества метода бестигельной зонной плавки?
8. Что играет роль изолятора при изготовлении ИМС?
9. Как называют метод позволяющий получить необходимый рельеф
будущей ИМС?
10. В чем заключаются процедуры отбраковки ИМС?
56
Глава 6. Интегральные микросхемы последовательностного
и комбинационного типов
В данной главе будут рассмотрены наиболее распространенные узлы
ЭВМ, построенные на основе готовых интегральных микросхем, выполняющих
логические операции с двоичными переменными, а также обеспечивающие их
хранение и преобразование.
Прежде всего, необходимо ознакомиться с графическими обозначениями
элементов ИМС, как это показано на рисунке 6.1.
U
пит
ИС
Прямые входы
Прямые выходы
>
>
>
с
>
с
Инверсные входы
Входы, работающие по:
положительному
и отрицательному
фронтам
с
с
с
с
с
Инверсные выходы
Рисунок 6.1. Графические обозначения элементов ИМС, изображаемые
на функциональных и принципиальных схемах.
Из представленного Рисунок 6.1. видно, что входы ИМС всегда
изображаются слева, а выходы справа. Управляющие сигналы изображаются
также как и входы слева. Помимо окружностей, указывающих на инверсию (о
которой говорилось в главе 3), существуют и другие графические элементы,
несущие дополнительную
информацию, например, косая
черта
на
управляющем входе указывает по какому фронту срабатывает данный вход.
Более подробно изучить элементы ИМС можно с помощью ГОСТ 2.743¬
82, который устанавливает общие правила построения условных графических
обозначений
элементов
цифровой
техники
на
функциональных
и
принципиальных схемах.
57
6.1. Триггеры
Первым из рассматриваемых в данном разделе цифровых устройств,
будет триггер логический элемент, который обладает двумя устойчивыми
состояниями. Он способен хранить один бит информации и является
основополагающим звеном в построении более сложных узлов ЭВМ, например,
таких как регистры и счетчики.
В основе любого триггера находится кольцо из двух инверторов (рисунок
6.2, а).
В большинстве случаев в названии триггера присутствуют начальные
буквы, обозначающие его входа. Так RSтриггер, представленный на Рисунок
6.2,а содержит два созвучных его названию входа: R (от англ. "reset" сброс)
и S (от англ. "set" установка). Помимо этого триггер имеет два выхода:
прямой Q (от англ. "quit" выход) и инверсный Q.
Чтобы установить триггер в нулевое состояние (когда на прямом выходе
"0", а н а и н в е р с н о м "1") достаточно на вход R подать напряжение высокого
уровня. Если же высокий уровень подать на вход S, то это приведет к тому, что
триггер переключится в единичное состояние, т.е. на прямом выходе появится
логическая " 1 " , а н а и н в е р с н о м логический "0" (полная таблица состояния
RSтриггера
представлена на Рисунок 6.2,в).
Таким образом, данный
логический элемент обладает двумя устойчивыми состояниями.
1
R
Г
L
Q
с
S
0
0
0
0
1
1
1
1
1
с
S
Q
а)
б)
0
R Q
0 0
0 1
1 0
1 1
0 0
0 1
1 0
1 1
Q
0
1
0
0
1
1
z
z
в)
Рисунок 6.2. a) RS триггер в базисе ИЛИНЕ; б) так изображается RS
триггер на функциональных и принципиальных схемах; в)
таблица
состояний RSтриггера (Q состояние выхода триггера до поступления
входного сигнала, a Q после; z неопределенное состояние триггера).
0
58
Особенностью RSтриггера является то, что при подаче одновременно на
входы R и S сигнала, соответствующего логической " 1 " , состояние триггера
становится неопределенным,
так как в начале на обоих выходах Q H Q
установится уровень " 1 " , а после снятия с входов управляющих сигналов, в
силу случайных причин, триггер может установиться в состояние " 0 " либо " 1 " .
Очевидно, что для нормальной работы триггера необходимо исключать
указанное сочетание входных сигналов.
Изменение состояния, рассматриваемого триггера, происходит сразу
после изменения состояния на входах R H S , поэтому такой триггер еще
называют асинхронным.
Схема асинхронного RSтриггера не учитывает
эффекта гонок возникающих в цифровых устройствах, при необходимости
запомнить состояние логической схемы только в определённые моменты
времени после окончания всех переходных процессов. Д л я у с т р а н е н и я э т о г о
недостатка были созданы синхронные триггеры.
Схема синхронного RSтриггера приведена на рисунке 6.3, а. В т а к о м
триггере вводится дополнительный вход С, называемый тактовым или
синхронизирующим.
Изменение состояний триггера происходит при подаче
сигналов логической " 1 " на входы R и S с последующим воздействием на вход
Стактового (синхронизирующего) импульса. Если на тактовый вход импульс
не поступает, то и состояние триггера не меняется. Итак изменение состояния
триггера происходит только под действием синхроимпульса.
Триггер может переключаться как уровнем тактирующего импульса, так и
его фронтом.
&
R
<
Г"
J
с
г
ц&
С
L_ &
с
S
&
1
с
'T
Q
T
S
Q
1
Q
R
б)
а)
Рисунок 6.3. а) синхронный R S триггер в базисе ИНЕ; б) так
изображается
R S триггер (синхронизируемый задним фронтом
тактирующего импульса) на функциональных и принципиальных схемах.
Широкое применение в электронике нашел Dтриггер, который еще
называют информационным или триггером задержки (рисунок 6.4, а).
59
Dтриггер имеет два входа: D (от англ. "delay" задержка) Для
информационного сигнала и С для подачи синхроимпульсов, а также
стандартные для триггеров выходы: Q и Q .
0
D
Q
M
1
C
&
с
D C Q
0 1 0
0 1 1
1 1 0
1 1 1
Q
0
0
1
1
Q
в)
а)
T
D
D
T Q
Q
C
C
Q
Q
б)
г)
Рисунок 6.4. a) Dтриггер в базисе ИНЕ; б) так изображается D
триггер (синхронизируемый передним фронтом тактирующего импульса) на
функциональных и принципиальных схемах; в) таблица рабочего состояния
Dтриггера; г) Tтриггер построенный на основе Dтриггера.
Dтриггер хранит данные на своем выходе при нулевом уровне на входе
синхронизации. Если же на вход синхронизации С подать активный высокий
уровень, то сигнал на выходе Q триггера будет повторять сигнал, подаваемый в
этот момент на вход D (рисунок 6.4, в). Выходные данные "защелкиваются" в
тот момент когда на входе С вновь появляется "0".
Если вход D замкнуть с инверсным выходом Q (рисунок 6.4, г), ипосле
этого на оставшийся вход C подавать импульсы, триггер начнет переключаться
так, что если на выходе Q был "0" то появится " 1 " , а при следующем импульсе
логическая единица на выходе Q сменится логическим нулем. Таким образом,
триггер будет осуществлять деление частоты входных импульсов на 2,
благодаря тому, что уровень сигналанавыходебудет меняется в д в а раза реже,
чем на входе. В таком случае Dтриггер называют счетным или Ттриггером.
Режим работы, при котором происходит деление частоты, используется в
цифровых счетчиках.
60
Существуют и другие типы триггеров, например JKтриггер (показано на
рисунке 6.5), который может работать как синхронный RSтриггер (если на его
вход J подана " 1 " , а н а вход К "0", инаоборот) и л и к а к счетныйТтриггер
(если на оба входа J и К триггера поданы уровни логической единицы).
L
J
&
,
Г
C
с
Рисунок 6.5. Функциональная схема JKтриггера.
Втаблицу 6.1 включена таблица истинности JK триггера. Где C это
вход синхронизации, K и J информационные входы, Q состояние прямого
выхода триггера до поступления входного сигнала, a Q состояние этого же
выхода после изменений сигналов на входе.
0
s
s
Таблица 6.1. Таблица истинности JKтриггера.
С
0
0
K
x
x
0
0
0
0
1
1
1
1
J
x
x
0
0
1
1
0
0
1
1
Q
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
s
Qs
0
1
0
1
1
1
0
0
1
0
Пояснения
Режим хранения информации
Режим хранения информации
Режим установки единицы J=1
Режим записи нуля K=1
K=J=1 счетный режим триггера
Особо место в ряду триггеров занимает триггер Шмидта (рисунок 6.6),
имеющий всего один вход и один выход. Переход из одного устойчивого
состояния в другое осуществляется в таком триггере при определенных
уровнях входного напряжения, называемых пороговыми уровнями.
61
Вход
R1
&
Выход
&
Cо
II
Рисунок 6.6. Триггер Шмидта в базисе ИНЕ
В отличие от других триггеров, он не обладает памятью и используется
для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной
формы. Такой триггер также называют нессиметричным.
Триггеры входят в состав счетчиков электрических импульсов, регистров,
запоминающих устройств.
6.2. Регистры
Регистры (от англ. "to register" регистрировать) строятся на основе
последовательного или параллельного соединения триггеров (обычно D
триггеров). Соответственно различают регистры последовательного
и
параллельно типов.
T
D0
——
Q0
D
Q
C
Q '
Г
T
D1
Q1
Q
D
C
D0
Q '
RG
T
D2
D
Q2
Q
C
Q
—
Q0
—
Dl
Ql
—
D2
Q2
—
D3
Q3
—
1
1
T
D3
D
Q
с
C
Q '
C
Q3
б)
а)
Рисунок 6.7. а) схема параллельного регистра на Dтриггерах; б)
обозначение параллельного регистра на принципиальных схемах.
62
Параллельный
регистр служит для запоминания многоразрядного
двоичного слова, количество разрядов зависит от количества триггеров
используемых
в
регистре.
На
рисунке
6.7
представлена
схема
четырёхразрядного параллельного регистра.
Каждый триггер предназначен для хранения одного разряда двоичного
числа. При записи информации в параллельный регистр все биты записываются
одновременно, по сигналу высокого уровня, поступающему на вход С. Часто в
схему такого регистра добавляется еще один вход R, который служит для
установки триггеров устройства в начальное состояние.
Последовательный
регистр (регистр сдвига) обычно служит для
преобразования последовательного кода в параллельный и наоборот. Схема
регистра, осуществляющего преобразование последовательного кода в
параллельный, приведена на рисунке 6.8.
D0
