книги / Схемотехника
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
С.Ф. Тюрин
СХЕМОТЕХНИКА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
УДК 681.32 Т89
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент Ю.А. Аляев (Пермский военный институт войск национальной гвардии); кандидат технических наук, доцент Э.С. Заневский (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Тюрин, С.Ф.
Т89 Схемотехника : учеб. пособие / C.Ф. Тюрин. – Пермь : Изд-воПерм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017. – 170 с.
ISBN 978-5-398-01702-1
Изложен дополнительный материал лекций, практических и лабораторных занятий отсутствующий в учебном пособии «Вычислительная техника и информационные технологии. Цифровая схемотехника» издания 2008 года.
Предназначено для студентов бакалавриата и специалитетета, изучающих дисциплину «Схемотехника».
УДК 621.399
ISBN 978-5-398-01702-1 |
© ПНИПУ, 2017 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.......................................................................................................... |
5 |
1. Электрорадиоизделия – ЭРИ и электрорадиоаппаратура – ЭРА........ |
33 |
2. Логические схемы на КМОП-транзисторах.......................................... |
48 |
2.1. Инвертор на КМОП-транзисторах.................................................. |
49 |
2.2. Логический элемент 2И-НЕ на КМОП-транзисторах................... |
51 |
2.3. Логический элемент 2ИЛИ-НЕ на КМОП-транзисторах............. |
54 |
2.4. Логические элементы 2ИЛИ-2И-НЕ, 2И-2ИЛИ-НЕ, 4И-НЕ |
|
на КМОП-транзисторах .......................................................................... |
57 |
3. Синтез логических схем в базисе ИМС малой степени интеграции...... |
59 |
4. Элементы памяти...................................................................................... |
65 |
4.1. Триггер типа SR с инверсными входами........................................ |
65 |
4.2. Моделирование триггера типа SR с инверсными входами.......... |
66 |
4.3. Элемент И-НЕ на основе инвертора с монтажным И по входу...... |
67 |
4.4. SR триггер с инверсными входами на основе двух |
|
инверторов с монтажным И по входам. ................................................ |
69 |
4.5. Шеститранзисторная ячейка оперативной памяти SRAM ........... |
70 |
5. Схемотехнические особенности логической ячейки LUT ПЛИС |
|
типа FPGA ..................................................................................................... |
73 |
5.1. Моделирование ЛЭ LUT1................................................................ |
73 |
5.2. Моделирование ЛЭ LUT2................................................................ |
75 |
5.3. Логические элементы LUT3, LUT4. ............................................... |
78 |
5.4. LUT ПЛИС FPGA для n > 4 ............................................................. |
79 |
5.5. Отказоустойчивые LUT1, LUT2...................................................... |
81 |
6. Отказоустойчивая SRAM DICE ............................................................. |
82 |
6.1. Моделирование отказов оперативной памяти SRAM................... |
82 |
6.2. Структура радиационно-стойкой ячейки DICE – SRAM ............. |
87 |
6.3. Моделирование радиационно-стойкой ячейки DICE – SRAM .... |
89 |
6.4. Моделирование отказов в радиационно-стойкой |
|
ячейке DICE – SRAM .............................................................................. |
91 |
7. Отказоустойчивая ячейка – QSRAM...................................................... |
96 |
7.1. Моделирование ячейки QSRAM ..................................................... |
96 |
7.2. Моделирование ошибок (отказов) в ячейке – QSRAM................. |
99 |
3
7.3. Сравнение ячейки – QSRAM с троированными |
|
вариантами – TMR SRAM .................................................................... |
103 |
8. Логический элемент для реализации систем логических |
|
функций в ПЛИС – FPGA – на основе дешифратора DC – LUT .......... |
108 |
8.1. Моделирование логического элемента для реализации |
|
систем логических функций в ПЛИС – FPGA – |
|
дешифратора DC – LUT2...................................................................... |
111 |
9. ДНФ-LUT................................................................................................ |
115 |
9.1. Структура блоков конъюнкций и функций ДНФ-LUT .............. |
116 |
9.2. Сравнительная оценка сложности ДНФ-LUT ............................. |
118 |
9.3. Моделирование логического элемента ДНФ-LUT. .................... |
121 |
9.3.1. Моделирование блока конъюнкций ДНФ-LUT................ |
121 |
9.3.2. Моделирование блока функций ДНФ-LUT ...................... |
122 |
10. Логические элементы с контролем ChLUT ....................................... |
124 |
LUT с рабочим контролем................................................................... |
125 |
11. «Быстрое» диагностирование логического элемента LUT .............. |
131 |
Моделирование «быстрого» диагностирования |
|
логического элемента LUT1................................................................ |
132 |
12. Синтезавтомата-распознавателясповторяющимися символами......... |
135 |
12.1. Блочный синтез автомата-распознавателя |
|
с повторяющимися символами ............................................................ |
135 |
12.2. Абстрактный синтез автомата-распознавателя |
|
с повторяющимися символами ............................................................ |
137 |
12.3. Структурный синтез автомата-распознавателя |
|
с повторяющимися символами............................................................ |
139 |
12.4. Тестирование автомата-распознавателя |
|
с повторяющимися символами ............................................................ |
142 |
Библиографический список...................................................................... |
145 |
Приложение 1. Адаптивные логические блоки ПЛИС Stratix III.......... |
152 |
Приложение 2. Автомат-распознаватель с изменяемой |
|
последовательностью ................................................................................ |
152 |
Приложение 3. Автомат-формирователь последовательностей. .......... |
157 |
Приложение 4. Снятие временных диаграмм работы инвертора.......... |
164 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Схемотехника – научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств. Но в принципе имеется и схемотехника оптическая – уже выпускаются фотонные микросхемы. Можно говорить и о схемотехнике пневматической, гидравлической… Но мы прежде всего имеемввиду электричествои электрические схемы.
Схемотехника электрическая делится на цифровую и аналоговую (рис. В.1).
В природе электричество связано с грозой – грозным явлением природы. Молния всегда вызывала страх у древнего человека, да и сейчас с ней шутки плохи. Впервые на электрический заряд, создаваемый человеком, обратил внимание Фалес Милетский
(греч. Θαλῆς ὁ Μιλήσιος, 640 – 545 до н.э.).
Рис. В.1. Классификация схемотехники электрической
5
Фалес Милетский (640–545 г. до н.э.)
Фалес утверждал, что грозы происходят не из-за гнева богов, а вследствие законов природы. Он обнаружил, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойство притягивать мелкие предметы. Этот эффект долгое время оставался на уровне фокусов. И только всего около 300 лет назад начались исследования
сцелью практического применения электричества.
ВXVIII в. Б. Франклин (американский политический деятель, дипломат, изобретатель, писатель, один из авторов американской конституции) установил электрическую природу молнии и предложилгромоотвод(молниеотвод). Это онввёлобозначения«+» и«–»!
Природой молнии и вообще теорией электричества практи-
чески параллельно с Франклином занимался наш выдающийся ученый Михаил Васильевич Ломоносов.
При проведении эксперимента по изучению грозового электричества от удара молнии погиб коллега Ломоносова – Г.В. Рихман. Осталась незаконченная рукопись М.В. Ломоносова «Теория электричества, изложенная математически».
В XVIII и начале XIX в. электричество изучал Шарль Огюс-
тен де Кулон (фр. Charles-Augustin de Coulomb).
Его именем названы единица электрического заряда Кулон (Кл) и закон взаимодействия электрических зарядов.
6
БенджаминФранклин |
МихаилВасильевичЛомоносов |
(англ. Benjamin Franklin; 1706–1790) |
(1711–1765) |
Шарль Огюстен де Кулон
(1736–1806)
7
Фамилий наших соотечественников в ряду выдающихся исследователей электричества сравнительно немного, но они есть! Василий Владимирович Петров (1761–1834) – русский фи- зик-экспериментатор, электротехник-самоучка, академик Петербургской АН обнаружил ещё в 1802 г. электрический эффект – дугу, впоследствии названную не петровой, а вольтовой.
Василий Владимирович Петров
(1761–1834)
Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule) известный английский физик открыл названный его именем закон, дающий зависимость между силой тока и выделенным этим током в проводнике теплом (Закон Джоуля – Ленца).
Эмилий Христианович (Генрих Фридрих Эмиль) Ленц (нем. Heinrich Friedrich Emil Lenz) российский физик немецкого происхождения (из балтийских немцев) был профессором, а в последние годы и ректором Санкт-Петербургского университета.
8
ДжеймсПрескоттДжоуль |
ГенрихФридрих Эмиль Ленц |
(1818–1889) |
(1804–1865) |
Единица сопротивления электрическому току при прохождении его по проводнику– Ом. Георг Симон Ом (нем. Georg Simon Ohm) – знаменитый немецкий физик изучал вопросы прохождения электрическоготока, чтоипривелокзнаменитому«законуОма».
Георг Симон Ом (1787–1854)
9
Напряжение мы измеряем в вольтах. Александр Вольт (итал. Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta) – итальянский физик,
химик и физиолог поместил пластины из цинка и меди в кислоту и обнаружил непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («вольтов столб»).
Александр Вольт (1745–1827)
Огромный вклад в исследования электричества внёс Майкл Фарадей – английский физик, химик и физико-химик, основоположник учения об электромагнитном поле, начинавший свою трудовую деятельность переплётчиком и ставший членом Лондонского королевского общества (1824).
Майкл Фарадей (1791–1867)
10