Цифровая схемотехника : Конспект лекций по дисциплине «Схемотехника»

Весь мир, 
за 
исключением 
ликих 
наций, 
управляется 
книгами. 

Ф. 
Вольтер 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

СОВЕТ 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 
президент 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены 
редсовета 

ИВ. 
ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

А.П.ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

А.В. 
КОРЧАК 
академик 
МАП 
ВШ 

M B. КУРЛЕНЯ 
акаделшк 
РАН 

В. И. ОСИПОВ 
академик 
РАН 

В.Л. ПЕТРОВ 
академик 
МАИ 
ВШ 

Э.М. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И. ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

Л.Г. Наумкина 

ЦИФРОВАЯ 
СХЕМОТЕХНИКА 

КОНСПЕКТ 
ЛЕШИЙ 
по дисциплине 
сСХЕМОТЕХНИКА» 

Лопушено Учебно-металическоЯ комиссией 
по специальности Управление 
и информатика 
в технических системах* МГГУ в качестве 
учебного пособия по лисииплине 
* Схемотехника» 
АЛЯ стулентов вузов, обучающихся по 
направлению 
*Автоматизаиия и управление» 

А 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО €ГОРНАЯ КНИГА» 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2008 

УДК 621.382 
ББК 32.85 
Н34 

Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и 
массовым 
коммуникациям 
в рамках 
Федеральной 
целевой 
программы 
«Культура 
России» 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям 
книжным 
для взрослых СанПиН 1.2.1253-03», утвержденным Главным 
государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое 
заключение Федеральной службы по надзору в 
сфере защиты прав потребителей № 
77.99.60.953.Д.008501.07.07 

Экспертиза 
проведена 
Учебно-методической 
комиссией МГГУ 
(выписка 
из протокола № 8 заседания УМКот 17.05.2007 г.) 

Рецензенты: 
проф. А.Д. Яризов (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина); 
проф. Ю.Е. Бабичев (Московский государственный горный университет) 

Наумкина Л.Г. 

Н 34 
Цифровая схемотехника. Конспект лекций по дисциплине «Схемотехника». — М.: Издательство «Горная книга», Издательство Московского государственного горного университета, 2008. — 308 с. 

ISBN 978-5-98672-083-8 (в пер.) 
ISBN 978-5-7418-0511-4 

Рассмотрены следующие вопросы: базовые логические ИС малой степени интеграции различных логик, схемотехническая реализация СИСов на базе 
ИС малой степени интеграции, КЛС с памятью, схемотехническая реализация 
КЛС без памяти, арифметические устройства, схемотехническая реализация 
ПЛМ без памяти и с памятью, схемотехника памяти, схемотехника АЦП и 
ЦАП для ввода и вывода информации. 

Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Автоматизация 
и управление» по дисциплине «Схемотехника». 

УДК 621.382 
ББК 32.85 

© Л.Г. Наумкина, 2008 
© Издательство «Горная книга», 

Издательство МГГУ, 2008 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2008 

ISBN 978-5-98672-083-8 
ISBN 978-5-7418-0511-4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Данный конспект лекций по дисциплине «Схемотехника» 
создан для студентов по направлению 550200 «Автоматизация и 
управление» и специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах» для изучения цифровой электроники, которая проникла в том или ином виде в любую сферу современной жизни, начиная с электронных часов и стиральных 
машин и кончая управлением беспилотных самолётов, ракет и 
компьютеров. 

Цифровой электронике принадлежит важнейшая роль при 
обеспечении высокой надёжности создаваемых автоматических 
и автоматизированных систем, управляющих объектами, процессами и производственными системами. 

Основу цифровой электроники составляют такие цифровые 
схемы, как регистры, счётчики, таймеры, дешифраторы, сумматоры, преобразователи и т.п. 

Понимание физических принципов работы этих схем и методов конструирования сложных систем — главная цель, которая должна быть достигнута при изучении этой дисциплины. 

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 

Изучение любой науки начинается со знакомства с историей её развития. Это необходимо, чтобы: 

• знать все задачи, стоящие перед наукой; 
• знакомиться с историческими фактами в развитии науки; 
• знать, как каждое новое открытие закладывало фундамент науки; 

• 
понимать, что история развития науки часто бывает поучительна: известные учёные XIX века (Маркони и Ли де 
Форест — учёные с мировыми именами) заявляли о бесперспективности радиовещания и только интуиция и практическая настойчивость инженеров дала ему развитие; 

• 
натолкнуться на давно забытые идеи: первый полупроводниковый диод был создан инженером Лосевым в 1922 
году в России, а первый биполярный транзистор — только в 1948 году в США; жидкие кристаллы оыли открыты 
100 лет назад, а их использование наступило только в 
наше время; 

• оценить значимость науки в экономике и обороноспособности страны; 

• служить базой и побудительным мотивом для составления прогнозов на будущее. 

Повышение быстродействия, снижение размеров и энергоёмкости, расширение функциональных возможностей - основное направление дальнейшего развития электроники. Электроника является создателем и потребителем технологических достижений. 

В своём развитии электроника прошла несколько этапов. 
Первый этап в развитии электроники называется ламповой 
электроникой — радиоэлектроникой, так как основным потребителем научных открытий была радиопромышленность. 

С 1914 года учёные Бонч-Бруевич и Папалекси независимо 
друг от друга изобрели первую электронную лампу и до 1941 
года было создано свыше 300 разновидностей радиоламп. В об
6 

ществе не было таких технических задач, которые не решались 
бы элементной базой радиоэлектроники. 

Итак, этот период характеризует состояние основных потребителей электронных ламп следующим образом: 

• радиовещание уже достаточно развитая область, 
• телевидение находится в зачаточном состоянии, 
• 
вычислительная техника в этот период ещё не приняла 
элементную базу электроники, она механического типа, 
но разрабатываются основные концепции вычислительного процесса. 

Великая отечественная война выступила в качестве катализатора в развитии радиоэлектроники: появились локаторы, самолётные станции ближнего обнаружения, управляемые снаряды, в электронные схемы управления которых были заложены 
некоторые принципы интегральных схем (ИС), гидролокаторы 
для обнаружения подводных лодок, первые ламповые ЭВМ. Все 
эти открытия принадлежат военной промышленности, но в мирное 
время они становятся достоянием гражданской промышленности. 

Второй этап получил название электроники, ибо она становится элементной базой изделий в любой отрасли народного хозяйства. В 1948 году три американских учёных: Д. Бардин, В. 
Браттейн и В. Шокли создали первый полупроводниковый транзистор на базе германия, за что и получили Нобелевскую премию. 

Когда американская фирма объявила об изобретении транзистора, широкая пресса практически проигнорировала это событие. 1 июля 1948 г. газета «Нью-Йорк Тайме» поместила сообщение, содержащее 4 абзаца: 

«...Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 мм, не содержит полости, из которой откачен воздух, сетки, анода или стеклянного корпуса, предохраняющего от попадания в прибор воздуха. 

Он начинает работать мгновенно, без задержки на разогрев, 
так как в отличие от радиоламп в нём нет накала. 

Рабочие элементы прибора состоят всего лишь из двух тонких проволочек, подходящих к кусочку твёрдого полупроводникового материала величиной с булавочную головку, приплавленному к металлическому основанию. 

7 

Вещество, помещённое на металлическом основании, усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая 
проволочка отводит усиленный ток». 

Первые транзисторы были полны несовершенства, но постепенно разрабатывается технология изготовления транзисторов: сплавление, диффузионная, планарно-эпитаксиальная; создаются транзисторы с различными параметрами, характеристиками (по потребности промышленности). Составляются справочники по транзисторам. Но запасы германия быстро исчерпываются, ищут новый материал и находят — в 1954 году делают 
первый транзистор на базе кремния, запасы которого неограниченны. Затем (в 1952 году) разрабатываются полевые транзисторы с управляющим /?-л-переходом (ПТ) и туннельные диоды. И, 
как всегда, с появлением новой элементной базы — первые 
транзисторные ЭВМ (1960 год). 

Третий этап электроники характеризуется качественным 
скачком и называется микроэлектроникой. 
Начало этого этапа 
можно отнести к 1959 году, когда французские учёные Килби и 
Нойс создали первую ИС. Идёт постепенная отработка цифровых (ключевых, импульсных) элементов: 

ТЛНС—транзисторная логика с непосредственными связями, 
РТЛ— резистивно-транзисторная логика, 
РЕТЛ—резистивно-емкостная 
транзисторная логика, 

ДТЛ—диодно-транзисторная 
логика. 

Элементы этих логик обладают рядом недостатков, от которых пытаются избавиться в дальнейших разработках. Наконец, в 
1963 году появляются ИС ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Серия этих ИС и поныне считается самой функционально 
полной, хорошо отработанной и широко используемой. Все последующие разработки ИС других логик пытались сделать согласуемыми с элементами ТТЛ. 

В период с 1968 по 1970 годы идёт бурное развитие вычислительной техники на базе ИС. Появляются мини-ЭВМ, которые 
лишены универсальности, но уменьшаются габариты вычислительной техники, их стоимость и потребление мощности, одновременно увеличивается надёжность работы и срок службы их. 

8 

В 1970 году произошёл качественный скачок в развитии 
электроники, когда жёсткая логика элементной базы была заменена на гибкую созданием микропроцессорной большой интегральной схемы {МП БИС), работающей под управлением программы (программно управляемой). Это можно считать унификацией элементной базы, так как функция, выполняемая МП БИС, 
зависит от программы пользователя. Значимость МП БИС выше, 
чем появление полупроводниковой электроники, так как позволило привнести вычислительную технику к объекту, на который 
она работает. 

Последующие поколения микропроцессоров: 
• 
1972 год ознаменовался появлением 8-ми разрядных МП, 

• 
1974 год — 16-ти разрядные МП, 

• 
1981 год — 32-х разрядные МП. 

За прошедшие годы количество транзисторов на кристалле 
возросло в 200 раз, тактовая частота — в 50 раз, а производительность МП увеличилась на 2—3 порядка. Темпы микропроцессорной революции превосходят интенсивность развития 
обычных средств вычислительной техники. Время, прошедшее 
между изобретением микропроцессора и внедрением 32-х разрядной архитектуры, составляет 10 лет. Всего лишь за одно десятилетие было ликвидировано отставание микропроцессорной 
техники от обычных ЭВМ. Чем выше разрядность машинных слов 
МП, тем выше производительность. 

Термин «микропроцессор» появился в 1971 году, когда фирма «Intel» выпустила МП серии 4004 — интегральное микропрограммируемое вычислительное устройство — однокристальный 
центральный процессор, имеющий в составе четырёхразрядный 
параллельный сумматор, 16 — четырёхразрядных регистров, 
накапливающий сумматор, стек. Этот МП реализован на 2300 
транзисторах и мог выполнять 45 различных команд. 

Немного об истории появления микропроцессора. 
В 1969 году фирма «Intel» объявила о создании микросхемы, содержащей 1Кбит (1024 бит) памяти типа RAM (Random 
Access Memory). Синонимом термина RAM является оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Тогда ещё не существова
9 

ло других микрокомпьютерных чипов, к которым можно было 
привязать эту микросхему памяти. В это же время к фирме «Intel» 
обратилась японская компания «Бьюсиком», выпускающая калькуляторы, с заказом на производство набора специализированных микросхем. Микросхемы (ИС) были разработаны инженерами фирмы «Бьюсиком» для нового семейства калькуляторов, 
которые должны были состоять из нескольких микросхем, каждая из которых содержала от 3000 до 5000 транзисторов. 

Была создана группа японских инженеров, получивших представительство в фирме «Intel», к которой был придан один из 
разработчиков этой фирмы Маршан Хофф. Хофф ознакомился с 
проектом и нашёл, что проект слишком сложен для того, чтобы 
быть рентабельным. Он рассудил, что сложность калькулятора 
может быть сильно уменьшена, если использовать в нём небольшой универсальный процессор. Такой подход, использующий программное обеспечение вместо электронной логики для вычислений, должен резко повысить потребность калькулятора в памяти, чем и занималась фирма «Intel». Хофф понял, что такой процессор может быть применён и в других приложениях, а потому 
продал свою идею руководству фирмы «Intel». 

Параллельно японским инженерам Хофф и его группа начали работать над альтернативным проектом. Хотя японские инженеры упростили свой проект, всё равно каждая ИС должна была 
содержать 2000 транзисторов и количество ИС — равно 12. 

Универсальный процессор Хоффа выиграл соревнование с 
проектом японской компании и американская фирма получила 
контракт на производство универсального процессора, который 
позже получил название 4004. 

Непосредственное производство ИС оказалось довольно трудным, пока с фирмой «Intel» не начал сотрудничать технолог Федерико Фаджин, который довёл ИС процессора от стадии концепции до кремниевого кристалла всего за девять месяцев. В 
ноябре 1971 года фирма «Intel» рекламировала процессор, выполняющий 60000 операций в секунду. 

Первые МП имели ограниченный набор команд и программировались в машинных кодах. Благодаря совершенствованию 

10