Файл: 1. Основные параметры и характеристики логических элементов.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 320
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
При подаче на управляющий затвор и сток транзистора типа ЛИЗМОП положительных напряжений относительно большой величины в обратно смещенных p-n-переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщается свободными электронами. Часть электронов, имеющих энергию достаточную для преодоления потенциального барьера диэлектрической области, проникает в плавающий затвор. Снятие высокого программирующего напряжения восстанавливает непроводящее состояние диэлектрических областей транзистора и запирает электроны в плавающем затворе, где они могут находиться длительное время (десятки лет). Заряженный электронами плавающий затвор увеличивает пороговое напряжение транзистора настолько, что в диапазоне рабочих напряжений проводящий канал в транзисторе не создается.
Стирание информации в транзисторах с плавающим затвором может производится двумя способами – ультрафиолетовым облучением или электрическими сигналами.
В первом случае (в памяти типа EPROM) корпус интегральной схемы имеет специальное прозрачное окошко для облучения кристалла. Двуокись кремния и поликремний прозрачны для ультрафиолетовых лучей. Эти лучи вызывают в областях транзистора фототоки и тепловые токи, что делает области прибора проводящими и позволяет заряду покинуть плавающий затвор. После стирания информации окошко в корпусе заклеивают, чтобы избежать воздействия света на поверхность кристалла. Операция стирания информации этим способом занимает десятки минут, информация стирается сразу во всем кристалле. В схемах с УФ-стиранием число циклов перепрограммирования ограничено (10–1000 циклов у приборов разного качества), т.к. под действием УФ лучей свойства материалов постепенно изменяются.
Электрическое стирание информации осуществляется в транзисторах типа FLOTOX. Конструктивно эти транзисторы отличаются от предшественников более тонким слоем подзатворного диэлектрика (10 нм или меньше). При приложении к тонкому слою диэлектрика напряжений порядка 10В электроны проходят через диэлектрик в том или ином направлении в зависимости от знака напряжения. Электрическое стирание имеет преимущества – можно стирать информацию не со всего кристалла, а выборочно (в приборах типа EEPROM индивидуально для каждого адреса). Длительность процесса «стирание–запись» значительно меньше, сильно ослабляются ограничения на число циклов перепрограммирования (104–106). Кроме того, перепрограммировать ЗУ можно, не извлекая микросхему из устройства, в котором оно работает. В то же время схемы с электрическим стиранием занимают больше места на кристалле, в связи с чем их уровень интеграции меньше, а стоимость выше. Однако эти недостатки быстро преодолеваются и ЭС-стирание вытесняет УФ-стирание.
На рис. 6.6. приведены примеры условных графических обозначений микросхем ПЗУ.
Рис. 6.6. Условные обозначения микросхем ПЗУ
65.Способы увеличения объема памяти запоминающих устройств
На практике приходится иметь дело со стандартным рядом интегральных схем запоминающих устройств, организация и объем памяти которых заданы. Как правило, эти показатели не совпадают с требованиями конкретной аппаратуры, и встает задача построения на интегральных схемах ЗУ заданной организации ЗУ с требуемой организацией.
Для этой цели используются два технических решения: наращивание разрядности хранимых слов; наращивание числа хранимых слов. Используя одновременно оба этих метода, можно увеличить как разрядность, так и количество хранимой информации.
Увеличить разрядность хранимых в памяти слов можно параллельным включением нескольких одинаковых интегральных схем. На рис. 6.7, а показано построение ЗУ с организацией 1К×4 бит на основе интегральных схем с организацией 1К×1. Для этого один и тот же адрес необходимо подать одновременно на адресные входы четырех интегральных схем. С выхода каждой интегральной схемы по указанному адресу будет считан 1 бит информации. Следовательно, подключив выходы интегральных схем к соответствующим разрядам 4-разрядной шины, с последней можно считать 4-разрядное слово. Таким образом, наращивание разрядности хранимых информационных слов не требует применения дополнительных технических средств и может быть выполнено простым соединением имеющихся интегральных схем.
Практическая задача увеличения количества хранимых слов решается с использованием дополнительного дешифратора, предназначенного для формирования сигнала разрешения работы нескольким параллельно включенным по выходам интегральных схем. Данное решение иллюстрируется рис. 6.7, б на котором показано выполнение памяти 4К×1 на основе интегральных схем с собственной организацией 1К×1. Для обращения к объему памяти в 4К необходимо 12-разрядное адресное слово. Интегральная схема заданного типа управляется 10-разрядным адресным словом. Два старших разряда адреса и подаются на адресные входы дополнительного дешифратора, выходы которого подсоединены к входам соответствующих интегральных схем. Поэтому при подаче адреса дешифратор старших разрядов из четырех интегральных схем выберет только ту, в которой хранится нужная информация. Выходы остальных интегральных схем будут отключены от выходной шины данных, с которой будет считана только соответствующая поданному адресу информация.
Рис. 6.7. Организация ЗУ при наращивании разрядности выходного слова (а) и
числа хранимых слов (б)
66. ЦАП и АЦП
В электронных системах одинаково широко используется обработка информации, представленной в аналоговой и цифровой формах. Объясняется это тем, что первичная, исходная информация о различных физических величинах и процессах носит аналоговый характер. Обработку же этой информации удобнее вести в цифровой форме. Использование полученных после цифровой обработки результатов также в большинстве случаев требует их аналогового представления. Следовательно, любая система, использующая цифровые методы обработки информации, должна содержать устройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Роль таких устройств выполняют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).
Аналого-цифровой преобразователь – устройство, предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов.
Цифро-аналоговый преобразователь – устройство, предназначенное для преобразования входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины.
Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнения следующих операций:
– выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные дискретные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала по времени;
– квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;
– кодирование – замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами.
Проиллюстрируем эту последовательность действий с помощью рис. 7.1. Пусть задана некоторая аналоговая зависимость . Для получения ее дискретного эквивалента необходимо провести выборку ее значений в дискретные моменты времени , где целое число. Постоянная величина носит название периода выборки или периода дискретизации, а сам процесс замены исходной аналоговой функции некоторой дискретной функцией называется дискретизацией сигнала во времени.
Рис. 7.1. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование
Операция квантования по уровню дискретной функции заключается в отображении бесконечного множества ее значений на некоторое конечное множество значений , называемых
уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь динамический диапазон изменения дискретной функции разбивают на некоторое заданное число уровней и производят округление каждой величины до ближайшего уровня . Величина носит название шага квантования. Результатом операции квантования по уровню является дискретная функция , которая может принимать значений.
Для выполнения последней операции необходимо выбрать некоторый код , способный отображать не менее -го значения, и каждому дискретному значению поставить в соответствие некоторый код . В простейшем случае в качестве кода может быть использована последовательность чисел, соответствующих порядковым номерам уровней квантования. При таком выборе кода представленная на рис. 1 функция может быть заменена последовательностью десятичных чисел = {0, 1, 3, 4, 4, 5, 4, 4, 3, 2, 2}, или в двоичной форме = {000, 001, 011, 100, 100, 101, 100, 100, 011, 010, 010}.
В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением
, (7.1)
где результат в квадратных скобках округлен до ближайшего целого числа, – погрешность преобразования на -м шаге.
Переходы от исходной функции к дискретной и далее к квантованной по уровню сопряжены с некоторой потерей информации. На этапе кодирования подобные потери отсутствуют.
Для исключения погрешности на этапе дискретизации по времени, согласно теореме Котельникова, период дискретизации должен отвечать условию
, (7.2)
где – частота максимальной гармоники исходного сигнала. В этом случае дискретные значения полностью определяют исходную зависимость .
Процесс квантования по уровню дискретной функции всегда связан с внесением некоторой погрешности , значение которой определяется неравенством
. (7.3)
Величина носит название шума квантования и однозначно определяется числом допустимых значений функции , т.е. разрядностью используемого числового кода.
Кроме рассмотренных, существуют также инструментальные погрешности преобразования, связанные с неидеальностью используемой элементной базы.
Процесс цифро-аналогового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:
– формирование в заданном диапазоне изменения выходного сигнала его дискретных значений , отличающихся на некоторое значение , и постановка каждому сформированному уровню в соответствие некоторого кода ;
– последовательное, с заданным временным интервалом , присвоение выходному сигналу значений выделенных уровней, соответствующих входной последовательности кодов .
Если предположить, что и , то результатом цифро-аналогового преобразования полученной ранее последовательности кодов будет показанная на рис. 5.1 ступенчатая функция . Эта функция, хоти и непрерывна во времени, но остается дискретной по уровню, что является результатом погрешности, обусловленной шумом квантования.
Математически алгоритм цифро-аналогового преобразования можно записать в виде
, (7.4)
где – погрешность преобразования на -м шаге.
67. Основные характеристики ЦАП и АЦП
Характеристики ЦАП и АЦП подразделяются на статические, которые задают конечную точность преобразования, и динамические, характеризующие быстродействие данного класса устройств.
К статическим характеристикам относятся:
Число разрядов ( ) – число разрядов кода, отображающего исходную аналоговую величину, которое может формироваться на выходе АЦП или подаваться на вход ЦАП.
Абсолютная разрешающая способность ( ) – средние значения минимального изменения сигнала на выходе ЦАП ( ), или минимального изменения входного сигнала АЦП ( ), обусловленные увеличением или уменьшением его кода на единицу.
Значение абсолютной разрешающей способности является мерой измерения всех основных статических характеристик ЦАП и АЦП и часто обозначается как ЕМР (единица младшего разряда) или просто МР (младший разряд).
Численно абсолютная разрешающая способность равна шагу квантования .
, (7.5)
где – напряжение полной шкалы, соответствующее опорному напряжению ЦАП, – количество ступеней квантования.
Относительная разрешающая способность ( ) – обратная величина от максимального числа уровней квантования.
. (7.6)
Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы ( ) – отклонение реальных максимальных значений входного для АЦП ( ) и выходного для ЦАП ( ) аналоговых сигналов от значений, соответствующих конечной точке идеальной характеристики преобразования ( и ) (рис. 7.2,а). Применительно к АЦП наличие означает, что максимальный выходной код будет сформирован на выходе устройства при входном сигнале . По аналогии для ЦАП можно сказать, что при подаче на вход максимального кода его выходное напряжение будет отличаться от на величину . Обычно измеряется в ЕМР. В технической литературе иногда называют мультипликативной погрешностью.
Напряжение смещения нуля – для АЦП это напряжение ( ), которое необходимо приложить к его входу для получения нулевого выходного кода. Для ЦАП – это напряжение, присутствующее на его выходе ( ) при подаче на вход нулевого кода. Величина обычно выражается в ЕМР.