Схемотехника ЭВМ

Систематизированно изложены информационные, арифметические и логические основы микроэлектронных схем современных ЭВМ. 
Описаны параметры и принципы использования 
интегральных микросхем наиболее распространённых серий ТТЛ и КМОП. Рассмотрены принципы построения и функционирования основных 
логических комбинационных и последовательностных схем и запоминающих элементов, типовых функциональных узлов, интерфейсных 
схем, а также схемы соединения микросхем для 
увеличения разрядности, фрагменты схем цифровых устройств с использованием некоторых 
микросхем. Приведено описание формирователей и генераторов импульсов.

А. И. Постников, В. И. Иванов, О. В. Непомнящий
СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ

Учебное пособие

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ  
И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

А. И. Постников, В. И. Иванов, О. В. Непомнящий  
 Схемотехника ЭВМ

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

А. И. Постников, В. И. Иванов, О. В. Непомнящий 

СХЕМОТЕХНИКА  ЭВМ 

 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2018 

УДК 004.3(07) 
ББК 32.971.31я73 
П635 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Н. Г. Кузьменко, кандидат технических наук, доцент, директор 
ООО «Предприятие связи и радионавигации Енисейского бассейна»; 
Н. В. Титовская, кандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий и математического обеспечения информационных систем Красноярского государственного аграрного университета 
 
 
 
Постников, А. И. 
П635 
 
Схемотехника ЭВМ : учеб. пособие / А. И. Постников, 
В. И. Иванов, О. В. Непомнящий. – Красноярск : Сиб. федер. 
ун-т, 2018. – 284 с. 
ISBN 978-5-7638-3701-8 
 
 
Систематизированно изложены информационные, арифметические и логические основы микроэлектронных схем современных ЭВМ. Описаны параметры и принципы использования интегральных микросхем наиболее 
распространённых серий ТТЛ и КМОП. Рассмотрены принципы построения 
и функционирования основных логических комбинационных и последовательностных схем и запоминающих элементов, типовых функциональных 
узлов, интерфейсных схем, а также схемы соединения микросхем для увеличения разрядности, фрагменты схем цифровых устройств с использованием 
некоторых микросхем. Приведено описание формирователей и генераторов 
импульсов. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника», выполняющих лабораторные работы, 
расчетные задания, курсовые проекты и моделирование цифровых схем 
в дипломных проектах. 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 004.3(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 32.971.31я73 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3701-8 
© Сибирский федеральный 
университет, 2018 

Введение 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
Основой построения любого узла вычислительной системы служит 
элементная база, которая определяет параметры и характеристики ЭВМ, 
а труд, затрачиваемый инженером на разработку цифровых устройств, во 
многом зависит от имеющейся у него информации о серийно выпускаемых 
интегральных схемах (ИС). Цифровое устройство может быть правильно 
спроектировано только при наличии точных описаний ИС. 
Для снижения стоимости разрабатываемого цифрового устройства 
оно должно содержать минимальное число ИС. При анализе и синтезе 
цифровых схем применяется аппарат алгебры логики, позволяющий минимизировать аппаратурные затраты при их реализации. Одним из основных понятий алгебры логики являются булевы функции, которые, так же 
как и их аргументы (логические переменные), могут принимать только два 
значения – 0 и 1. Реализация булевых функций осуществляется логическими элементами, которые и составляют основу всех узлов ЭВМ. 
Элементом ЭВМ (логическим элементом) называется простейшая 
компонента, реализующая логическую или вспомогательную функцию над 
двоичными переменными. Набор стандартных элементов, реализующих 
определенные логические функции, образует систему элементов, которые 
должны отвечать требованиям функциональной полноты и обеспечивать 
техническую реализацию достаточно сложных логических цепей, обеспечивать согласованность уровней входных и выходных сигналов. 
Системой элементов называется функционально полный набор логических элементов, объединенный общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами, использующий одинаковый способ 
представления информации и одинаковый тип межэлементных связей. 
Существует большое разнообразие систем логических элементов в зависимости от типа логической схемы (ТТЛ – транзисторно-транзисторная 
логика, КМОП – комплементарная логика на транзисторах металлоксид-полупроводник и др.), физических принципов построения активных приборов (биполярные, полевые и др.), способа передачи информации от одного логического элемента (ЛЭ) к другому (синхронные, асинхронные) и т. д. 
Функциональный узел – устройство, предназначенное для выполнения типовых микроопераций в вычислительной системе. 
Цель данного пособия – описание работы типовых элементов ЭВМ, 
изучение методик измерения их основных параметров, проектирование 
и анализ простейших узлов с применением программного продукта MicroCap 7 (MC7).  

Схемотехника ЭВМ 

4 

1. 
КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 
 
 
Электронная аппаратура – это совокупность радиокомпонентов, несущих конструкций и монтажных соединений, объединенных в общую 
конструкцию или комплекс. Все компоненты электронных устройств условно можно подразделить на две группы: активные и пассивные. Интегральные схемы, в состав которых входят как активные, так и пассивные 
компоненты, составляют отдельную группу электронных компонентов [8]. 
 
 

1.1. Пассивные компоненты 

 
К пассивным компонентам относятся резисторы, конденсаторы, индуктивности, трансформаторы, дроссели, переключатели и другие, которые обеспечивают заданные режимы работы электронных схем. 
 
Резисторы. Резисторы – пассивные компоненты электронных устройств представляют собой устройства на основе проводника с нормированным постоянным или регулируемым активным сопротивлением, используемые в электрических цепях для обеспечения требуемого распределения токов и напряжений между отдельными участками цепи. 
Условные обозначения резисторов [10] представлены на рис. 1.1. 
 
 

 
 
Рис. 1.1. Условные обозначения резисторов: а – постоянные;  
б – подстроечные; в – регулировочные; г – терморезисторы; 
д – варисторы 
 
 
Представленная ниже классификация резисторов составлена по ряду 
признаков, присущих многим изделиям электронной техники: назначению, 
способу монтажа, характеру изменения сопротивления и т. п. 
Резисторы: 
 по назначению: 
– общего назначения; 

1. Компоненты электронных устройств 

5 

– прецизионные 
– высокочастотные; 
– высоковольтные; 
– высокомегаомные; 
 по характеру изменения сопротивления: 
– постоянные; 
– переменные регулировочные; 
– переменные подстроечные; 
– по способу монтажа: 
– для навесного; 
– для печатного; 
– для микросхем; 
 по материалу резистивного элемента: 
– проволочные; 
– непроволочные; 
– металлофольговые. 
Постоянные резисторы общего назначения изготавливают с диапазоном номинальных сопротивлений от 0,47 Ом до 10 МОм на номинальные мощности 0,062–100 Вт. 
Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров при эксплуатации и большой точностью 
номинального значения при изготовлении (допуск от ±0,0005 до 0,5 %). 
Они имеют большую стоимость и применяются в основном в измерительных приборах, вычислительной технике и системах автоматики. 
Высокочастотные резисторы отличаются малой собственной индуктивностью и емкостью, предназначены для работы в высокочастотных 
цепях, кабелях и волноводах. Непроволочные высокочастотные резисторы 
работают до частот в сотни мегагерц и более, а проволочные – до сотен 
килогерц. 
Высоковольтные резисторы рассчитаны на рабочие напряжения от 
единиц до десятков киловольт. 
Высокомегаомные резисторы имеют диапазон номинальных сопротивлений от десятков мегаом до единиц тераом и рассчитываются на небольшие рабочие напряжения. Мощности рассеивания таких резисторов 
небольшие. Применяются они в электрических цепях с малыми токами. 
Переменные регулировочные резисторы обычно размещают на лицевых панелях приборов, и их сопротивление изменяется во время функционирования аппаратуры. 
Переменные подстроечные резисторы размещают внутри корпуса 
приборов, и их сопротивление изменяется только при регулировке или ремонте аппаратуры. 

Схемотехника ЭВМ 

6 

Резисторы изготовляют различных номиналов. Согласно ГОСТ 
28884–90 [9] установлено шесть рядов номиналов сопротивлений: Е6, Е12, 
Е24, Е48, Е96, Е192. Переменные сопротивления имеют ряды номиналов – 
Е6, Е12, Е24. Номинальные значения первых трех наиболее употребляемых рядов приведены в табл. 1.1. 
 
Таблица 1.1 
 
Е6 ± 20 % 
Е12 ± 10 % 
Е24 ± 5 % 
Е6 ± 20 % 
Е12 ± 10 % 
Е24 ± 5 % 

1,0 
– 
– 
– 
1,5 
– 
– 
– 
2,2 
– 
– 
– 

1,0 
– 
1,2 
– 
1,5 
– 
1,8 
– 
2,2 
– 
2,7 
– 

1,0 
1,1 
1,2 
1,3 
1,5 
1,6 
1,8 
2,0 
2,2 
2,4 
2,7 
3,0 

3,3 
– 
– 
– 
4,7 
– 
– 
– 
6,8 
– 
– 
– 

3,3 
– 
3,9 
– 
4,7 
– 
5,6 
– 
6,8 
– 
8,2 
– 

3,3 
3,6 
3,9 
4,3 
4,7 
5,1 
5,6 
6,2 
6,8 
7,5 
8,2 
9,1 

 
Кроме величины сопротивления резистора в его УГО указывается 
величина номинальной мощности рассеяния. На рис. 1.2 представлены 
УГО резисторов с номинальной мощностью рассеяния от 0,05 до 5 Вт. 
 

а
б
в
г

д
е
ж
 
 
Рис. 1.2. Условные обозначения резисторов: а – 0,05 Вт; б – 0,125 Вт;  
в – 0,25 Вт; г – 0,5 Вт; д – 1 Вт; е – 2 Вт; ж – 5 Вт 
 
В документации условное обозначение резисторов состоит из следующих элементов: 
 первый элемент – буква или сочетание букв, обозначающая подкласс резисторов (Р – резисторы постоянные; РП – резисторы переменные, 
HP – набор резисторов); 
 второй элемент – цифра, обозначающая группу резисторов по материалу резистивного элемента (1 – непроволочные; 2 – проволочные); 
 третий элемент – регистрационный номер конкретного типа резистора. 

1. Компоненты электронных устройств 

7 

Далее для постоянных резисторов указываются: номинальная мощность рассеивания, номинальное сопротивление и буквенное обозначение 
единиц измерений (Ом, кОм, МОм, ГОм), допустимое отклонение сопротивления в процентах, группа по уровню шумов и температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Например, Р1-4-0,25-10 кОм ±5 % А-Б-В 
ОЖО.467.157 ТУ – постоянный непроволочный резистор с регистрационным номером 4, номинальной мощностью 0,25 Вт, номинальным сопротивлением 10 кОм и допуском ±5 %, группа по уровню шумов А, группа 
ТКС (температурный коэффициент сопротивления) – Б, всеклиматического исполнения – В. 
Для маркировки резисторов применяются цветовой, буквенный 
и цифровой коды, обозначающие величину сопротивления [11]. Для резисторов, разработанных до 1968 года, начальные буквы обозначения соответствовали материалу резистивного элемента. Первая цифра – мощность 
рассеивания, вторая – величина сопротивления, третья – допуск в процентах. Например, МЛТ-0,25-3к ± 5 % – резистор металлодиэлектрический, 
мощность – 0,25 Вт, сопротивление – 3 кОм, возможная разница между 
номинальным и действительным сопротивлением – 5 %. 
При проектировании электронной аппаратуры от правильного выбора резистора и режима его работы в значительной степени зависит надежность аппаратуры в целом. 
 
Конденсаторы. Они, как и резисторы, относятся к наиболее распространенным элементам электронных цепей. Конструктивно конденсатор 
представляет собой две обкладки, между которыми находится диэлектрик. 
Основные параметры, по которым проводится классификация конденсаторов, – это характер изменения ёмкости и назначение. По характеру 
изменения ёмкости конденсаторы бывают постоянной и переменной емкости. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы постоянной емкости 
бывают:  
 керамические; 
 слюдяные; 
 стеклокерамические; 
 пленочные; 
 бумажные; 
 металлобумажные; 
 фторопластовые; 
 электролитические; 
 вакуумные и т. п.  
Бумажные и металлобумажные конденсаторы относятся к низкочастотным конденсаторам с органическим диэлектриком и изготавливаются намоткой тонких длинных лент конденсаторной бумаги с фольговы

Схемотехника ЭВМ 

8 

ми электродами. Они способны работать на частотах до 104–105 Гц. Фторопластовые конденсаторы – высокочастотные и допускают работы на 
частотах до 105…107 Гц. 
К конденсаторам с неорганическим диэлектриком относятся керамические, слюдяные, стеклокерамические и т. п. В них обкладки выполняют 
в виде тонкого слоя металла, нанесённого на диэлектрик путём непосредственной его металлизации. Такие конденсаторы бывают низко- и высоковольтными, низко- и высокочастотными. Частота, на которой работают 
высокочастотные конденсаторы с неорганическим диэлектриком, – сотни 
мегагерц и выше. 
В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используют оксидный слой, образуемый электрохимическим путём на аноде – 
металлической обкладке. Конденсаторы с оксидным диэлектриком отличаются большими емкостями, но имеют серьёзные потери. Их используют 
в фильтрах источников электропитания, цепях развязки, шунтирующих 
и переходных цепях полупроводниковых устройств на низких частотах 
(от десятков герц до сотен килогерц у высокочастотных конденсаторов).  
Электролитические конденсаторы бывают полярные и неполярные. 
Полярные имеют одностороннюю проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна только при положительном потенциале на аноде. Неполярные могут включаться в цепь без учёта полярности. 
По назначению конденсаторы подразделяются на специальные и общего назначения. Кроме того, их можно классифицировать и по другим 
признакам: способу защиты, способу монтажа [8]. 
Условные обозначения наиболее широко используемых конденсаторов постоянной ёмкости показаны на рис. 1.3. 
 

 
а 
б 
в 
г 
 
Рис. 1.3. Условные обозначения конденсаторов: а – неполяризованный; б – поляризованный; в – электролитический неполяризованный; г – электролитический поляризованный 
 
Основные параметры конденсаторов: 
 номинальная ёмкость; 
 допустимое отклонение ёмкости; 
 номинальное напряжение (напряжение, при котором конденсатор 
может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах); 

1. Компоненты электронных устройств 

9 

 сопротивление изоляции и ток утечки; 
 температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ). Определяет относительное изменение ёмкости от температуры при изменении её на 1 °С. 
Конденсаторы постоянной ёмкости изготовляют различных номиналов. Согласно ГОСТ 28884–90 [9] установлено шесть рядов номиналов сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Номинальные значения первых 
трех наиболее употребляемых рядов были приведены в табл. 1.1. 
Сокращенное условное обозначение конденсаторов состоит из букв 
и цифр: 
 первый элемент – буква или сочетание букв, обозначающие подкласс конденсатора: 
– К – постоянной емкости;  
– КТ – подстроечные;  
– КП – переменной емкости; 
 второй элемент обозначает материал диэлектрика. Условные обозначения материала диэлектрика некоторых широко используемых конденсаторов постоянной ёмкости представлены в табл. 1.2. 
 третий элемент пишут через дефис – обозначает регистрационный 
номер конденсатора. 
 
Таблица 1.2 
 

Группа конденсаторов 
Условное обозначение 
материала диэлектрика 

Керамические на номинальное напряжение ниже 1600 В 
10 

Керамические на номинальное напряжение 1600 В и выше 
15 

Стеклянные 
21 

Стеклокерамические 
22 

Тонкопленочные с неорганическим диэлектриком 
26 

Слюдяные малой мощности 
31 

Слюдяные большой мощности 
32 

Бумажные на номинальное напряжение ниже 2 кВ,  
фольговые 
40 

Бумажные на номинальное напряжение 2 кВ и выше,  
фольговые 
41 

Бумажные металлизированные 
42 

Оксидно-электролитические алюминиевые 
50 

Танталовые, ниобиевые и др. 
51 

Оксидно-полупроводниковые 
53 

 
Далее – группа ТКЕ (для электролитических конденсаторов – номинальное напряжение), номинальная емкость, допустимое отклонение емкости и другие дополнительные характеристики. Например, К10-7В-М47