Основы цифровой схемотехники #0⁠⁠

Предисловие. Сижу я, значит, листаю пикабу, и понимаю, что завтра экзамен, а я мало того, что не готовился, так еще и всю ночь не спал. А уходить отсюда как-то и не хочется. Ну и вот решил я совместить приятное с полезным- написать пост по теме экзамена. На новизну и актуальность не претендую, пост этот скорее для меня, но вдруг кому-то будет интересно. Например, следующим поколениям в ночь перед экзаменом :)

Итак, сегодня речь пойдет о цифровой схемотехнике. Что вообще значит "цифровая"? Разберемся с базовыми понятиями.

Сигнал-это любая физическая величина, изменяющаяся во времени. Именно благодаря изменениям во времени сигнал несет в себе какую-либо информацию.

Электрический сигнал, соответственно,- электрическая величина(напряжение, ток, мощность), изменяющаяся во времени. Вся электроника работает именно с этими сигналами (хотя уже кое-где применяются световые сигналы, но это выходит за рамки поста)

Электрические сигналы, в свою очередь, делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговый сигнал может принимать любое значение в определенных пределах, и это значение обычно меняется достаточно плавно. Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми.

Цифровой сигнал может принимать только несколько значений (обычно два- логический 0 и логическая 1). Причем для каждого из этих значений допустимо некоторое отклонение (ну неидеальный у нас мир). 

Так в чем же преимущество цифровых сигналов? Давайте посмотрим на картинку.

А теперь пару слов о помехах. Они могут быть вызваны как внутри элементов (шумы являются внутренними хаотическими сигналами элементов, и полностью от них избавиться невозможно), так и извне (всякие наводки от трансформаторов, передатчиков..). Смотрим следующую картинку.

Теперь мы явно видим преимущества цифровых сигналов, да? Не видим? Ладно, поясню. Аналоговый сигнал очень сложно очистить от шумов- а значит, качество передаваемой информации падает (Помните, как слушали радио? А эти шипящие звуки? Вот они- и есть пример искажения сигнала).

В случае же с "цифрой" все проще- небольшие шумы вообще не играют роли, так как существуют допустимые отклонения сигналов от эталона. Но расплачиваться за это приходится количеством переданной информации в единицу времени. Ведь чтобы зарегистрировать изменение, скажем, "0" на "1", должно пройти какое-то время, тогда как непрерывный сигнал может изменяться в бесконечно малом промежутке. Опять же, у непрерывного сигнала бесконечность разных значений, а у цифрового- всего-то два. Не очень честно получается :) Но ничего, мы этот минус скоро превратим в огромный плюс.

Теперь поговорим немного о цифровых микросхемах. Они определенным образом преобразуют последовательность входных логических сигналов в последовательность выходных. Давайте определимся точнее с логическими сигналами. Они имеют два разрешенных уровня напряжения- логическая единица(чаще всего соответствует высокому напряжению) и логический ноль(низкий уровень напряжения). В этом случае говорят о "положительной логике". В случае же, когда логической единице соответствует низкое напряжение, а нулю-высокое, говорят об "отрицательной логике" (но этот случай встречается редко, и мы о нем много говорить не будем).

Все цифровые микросхемы имеют:

-выводы питания-общий(земля) и напряжения питания(обычно +3.3В или +5В)

-выводы для входных сигналов("входы")

-выводы для выходных сигналов("выходы")

Для простоты на схемах выводы питания иногда можно не указывать.

Существуют три уровня представления работы цифровых устройств:

1. Логическая модель

2. Модель с временными задержками

3. Электрическая модель(с учетом электрических эффектов)

Рассмотрим на примере инвертора.

Инвертор- простейший логический элемент, изменяющий логический уровень входного сигнала на противоположный.

На картинке мы видим сверху обозначение элемента на схеме, а также наблюдаем, что он делает с входным сигналом на разных уровнях представления. Немного поясню картинку.

1- чисто логически меняем все 1 на 0, а 0 на 1.

2- все из пункта 1, но с задержкой(т.к. на обработку сигнала микросхеме требуется время)

3- все из пункта 2, но с учетом того, что невозможно мгновенно поменять напряжение- в реальности у сигнала неизбежно появятся фронты (процесс перехода от одного напряжения к другому имеет длительность наносекунд, но иногда и этим временем пренебрегать не получается).

Сразу поясню, что tзад- это температура задницы время задержки :)

Думаю, настолько высокую математику объяснять не нужно. Пойдем дальше.

Порог срабатывания- напряжение на входе, выше которого сигнал расценивается как 1, а ниже- как 0. (Для ТТЛ микросхем эта цифра составляет порядка 1.3 В)

Помехозащищенность характеризует велинину напряжения помехи, которая не в состоянии изменить состояние выходных сигналов. (Разница напряжений любого логического уровня и порога срабатывания)

Нагрузочная способность- параметр, показывающий максимальную величину выходного тока, при котором микросхема все еще не сгорела работает без ошибок.

Все эти параметры зависят от технологии и внутренней схемотехники микросхем. Рассмотрим две самые популярные технологии.

ТТЛ - биполярная транзисторно-транзисторная логика (ТТЛШ- ТТЛ с диодами Шоттки);

КМОП - комплементарные МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторы.

О различиях биполярных и полевых транзисторов я тут писать не буду, это отдельная тема :)

Но стоит отметить, что КМОП микросхемы потребляют гораздо меньшие токи в статическом режиме или на невысоких частотах, чем ТТЛ.

Теперь о типах выводов. Сначала картинка:

2C (2S, TTL)- стандартный выход "2 состояния". Может быть подключен только с Ucc(питание) или GND(земля)

ОК (OC) - вывод с открытым коллектором (фактически, он или подключен к земле, или как бы отключен от схемы вообще, и чтоб использовать это состояние, как 1, нужно подтянуть вывод к питанию резистором R в несколько сотен Ом)

3С- это как 2С, но на этаж повыше с дополнительным высокоимпедансным Z-состоянием(когда вывод вообще полностью отключается от схемы). Для перевода в это состояние есть отдельный упраляющий вход Enable Z-state.

Зачем нам такой зоопарк типов выводов? А вот зачем.

Выводы 2С нескольких микросхем опасно объединять из-за возможного короткого замыкания. Зато при ОК "козы" быть в принципе не может. А вообще объединение выводов- штука удобная, и сейчас мы остановимся тут поподробнее. Сравните:

В первом случае у нас все линии связи независимы, но их дохрена довольно много, во втором же случае мы используем одни и те же линии (шину) для передачи сигналов с разных устройств (такой способ называется шинной организацией связи, и достигается временным мультиплексированием, т.е передачей сигналов с разных устройств в разные отрезки времени). Ну это как, например, когда звоните вы Лёхе чтоб позвать побухать, а трубку берет его девушка Катя. А вы ей сказали, что вам срочно нужно побухать поговорить с другом, и просите передать трубку. Она передает, и вы доносите свою мысль до Лёхи. И вот вроде телефонная линия одна, а поговорить вы можете все друг с другом по очереди. Ну так вот тут примерно та ж самая идея.

А на этом эту часть я, пожалуй, закончу :) А то Лёха звонит, видать, что-то важное хочет сообщить :)