Физические основы ЭВМ

3 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 Введение. Лекция 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Ключевая схема. Лекция 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3 Ключевые схемы на полупроводниковых элементах. Лекция 3 . . . . . . 35 4 Ключевые модели базовых логических элементов. Лекция 4 . . . . . . . . 47 5 Полупроводниковые запоминающие устройства. Лекция 5 . . . . . . . . . . . 56 6 Запоминающие устройства с произвольной выборкой. Лекция 6 . . . . . . . 64 7 Физические основы записи и воспроизведения информации на подвижном магнитном носителе. Лекция 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 8 Способы записи/считывания двоичной (дискретной) информации на подвижном магнитном носителе. Лекция 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 9 Оптоэлектроника. Лекция 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 10 Источники и приёмники оптического излучения. Лекция 10. . . . . . . . 85 11 Волоконно – оптические линии связи. Лекция 11 . . . . . . . . . . . . . . . . 91 12 Жидкокристаллические приборы для отображения информации. Лекция 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 13 Оптика. Голографические запоминающие устройства. Лекция 13 . . . 108 14 Оптика. Голографические запоминающие устройства (продолжение). Лекция 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 15 Нанотехнологии. Лекция 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Приложение А. Основные законы булевой алгебры (алгебры логики). Таблицы истинности логических операций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Приложение Б. Графические изображения моделей ключа и ключевой схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Приложение В. Изображения логических элементов на функциональных и принципиальных схемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4 ПРЕДИСЛОВИЕ Востребованность специалистов в области информационных технологий практически ни у кого не вызывает сомнений. Две специальности, а именно: 5В070300 «Информационные системы», 5В070400 «Вычислительная техника и программное обеспечение» как раз и предназначены для подготовки таких специалистов в рамках устанавливаемых стандартами специализаций. В многокомпонентном содержании информационных технологий свой законный сектор занимает аппаратное обеспечение. Оно представлено отдельными компьютерами (не только персональными), их комплексами (многопроцессорными и многокомпьютерными системами) и компьютерными сетями. Создание компьютерных сетей с возможностью подключения к ним пользовательских компьютеров как раз и является воплощением в реальность тезиса «всеобщая компьютеризация», хорошо знакомого из информатики. Основная задача дисциплины «Физические основы ЭВМ1» – это помочь студентам приобрести начальные (базовые) знания и умения для успешного освоения других дисциплин технического профиля, раскрывающих сущность организации (архитектуры) компьютеров, их систем и сетей. Историческое развитие аппаратных средств и систем компьютерной техники можно представить как последовательность нескольких этапов: механический (были и такие вычислительные средства) → электронно-вакуумный → электронный → оптоэлектронный → оптический. Последний этап нужно рассматривать как программный, и его будущее в немалой степени зависит от достижений в области нанотехнологий. Материал данной дисциплины уложен в рамки трёх последних этапов. 1 Использование аббревиатуры «ЭВМ» – Электронная Вычислительная Машина – это дань историческому прошлому, когда компьютеры младших поколений в первую очередь были ориентированы на выполнение большого объёма вычислительных операций. 5 1 ВВЕДЕНИЕ. ЛЕКЦИЯ 1 План лекции: а) базовые физические законы и явления, лежащие в основе производства средств компьютерной техники; б) номенклатура и назначение основных электронных функциональных узлов компьютеров; в) математические и логические основы конструирования компьютеров; г) выводы. 1.1 Базовые физические законы и явления, лежащие в основе производства средств компьютерной техники В настоящее время практически все отрасли экономики и сферы жизнедеятельности индустриально развитых государств в той или иной степени «причастны» к производству и эксплуатации средств компьютерной (цифровой вычислительной) техники. Под понятие «средства компьютерной техники» подпадают не только компьютеры, но и всё активное и пассивное оборудование, а также программное обеспечение, решающие задачи сбора, предварительной и промежуточной обработки, хранения, передачи (в том числе на большие расстояния) информации любого характера и назначения. В контексте цели преподавания данной дисциплины её содержание акцентировано на изучении основных принципов создания аппаратного обеспечения средств компьютерной техники. О его разнообразии можно судить хотя бы по перечню (не претендующему на абсолютную полноту) тех физических и химических законов и явлений, которые лежат в основе производства и функционирования аппаратных средств. Сюда, в первую очередь, относятся законы электричества, которые устанавливают правила передачи электрических сигналов в пространстве по электрическим цепям – кабелям, шинам, отдельным проводникам. В свою очередь металлурги и химики должны создать такие сплавы, которые бы максимально снизили энергопотери в электрических цепях – это одна из многих задач энергосбережения. Электронику со схемотехникой можно считать локомотивом производства аппаратных средств. И хотя вакуумная электроника приобрела статус исторической редкости, тем не менее, мониторы на электронно-лучевых трубках пока ещё кое где эксплуатируются. До сих пор основу аппаратных средств составляют полупроводники, и теория полупроводников совместно с наноэлектроникой усиленно сопротивляется (и небезуспешно) натиску оптики с нанофотоникой. Новые полупроводниковые сплавы позволяют каждому желающему носить в «кармане» большие объёмы информации на флэш-носителях – электронные диски. Нанотехнологи открывают новые сплавы и материалы, которые позво- 6 ляют издавна знакомым всем устройствам придать новые конкурентоспособные свойства и качества. В частности, сколько лет не теряют своей актуальности запоминающие устройства на магнитных носителях. Учёные, изучающие электро- и ферромагнетизм, открывают новые свойства ферромагнетиков, предоставляя в распоряжение пользователей компактные, ёмкие и, самое главное, удобные и надёжные запоминающие устройства. Электрохимия и электрофизика в содружестве с оптикой предоставили в распоряжение технологам жидкие кристаллы, и в настоящее время средства отображения информации на их основе встречаются буквально на каждом шагу (это не только и не столько компьютерные дисплеи, но и множество различных индикаторов и мониторов). Физика плазмы, изучающая явления в газовых средах, и оптика позволили создать средства отображения информации в виде плазменных панелей, однако их доля на потребительском рынке невелика. Электростатика совместно с технологией производства нанодисперсных порошков надёжно держит свои позиции в области производства печатающих устройств. По качеству и быстродействию они, пожалуй, занимают передовую позицию среди всех устройств аналогичного назначения. Всё что движется и вращается внутри аппаратных средств создано и функционирует на основе законов механики и электромеханики. Пока не удаётся избавиться от электроприводов – кто или что будет вращать диски, барабаны, перемещать в пространстве отдельные конструктивные компоненты и прочее? Матричные принтеры пока не списаны в архив, да и внутри других используемых устройств и подсистем много механических и электромеханических узлов. Тяга к совершенствованию аппаратных средств включила в технологическую гонку оптоэлектронику и оптику. Всем известно, что в нашей среде обитания все информационные процессы с носителями информации в виде световых сигналов могут протекать с предельной скоростью, равной скорости света. Эти научные направления служит базой для создания и функционирования источников (например, светодиодов, лазеров) и приёмников (например, фотодиодов) светового излучения, индикаторов для устройств отображения информации, электронно-оптических линий связи, оптических запоминающих устройств (в том числе магнито-оптических), голографических запоминающих устройств и пр. Оптоэлектронику можно рассматривать как перекидной мост между электроникой и оптикой. Пока существенный прогресс наблюдается в области создания оптических линий связи и на их основе систем связи. Задача максимум – создание полностью оптических компьютеров и компьютерных систем и сетей. На данный период имеется много теоретических наработок в этой области. Дело за нанотехнологиями, которые решили бы проблему миниатюризации, ведь с теоретической точки зрения носителем одного бита информации может служить электрон , обладающий такой физической характеристикой, как спин, или молекула полимерного вещества. Перед системными программистами также стоит сложная задача, так как используемое в электронных аппаратных средствах системное программное 7 обеспечение не может быть автоматически перенесено на оптические средства. Итак, перечислен далеко не полный перечень законов, явлений и научно-практических сфер, которые вовлечены в глобальные процессы разработки и эксплуатации аппаратных средств компьютерной техники. Подавляющее большинство жителей Земли являются активными участникам этих процессов. 1.2 Номенклатура и назначение основных электронных функциональных узлов компьютеров Несмотря на разнообразие средств компьютерной техники, доминирующие позиции в ней занимают компьютеры всевозможных моделей и модификаций. В то же время, стремительный прогресс технологий создания компьютеров не смог избавиться от ряда традиционных решений, лежащих в основе функциональной и логической организации компьютеров. В частности, какой же компьютер не имеет центрального процессора и внутренней оперативной памяти? Эти две подсистемы, объединяемые понятием «ядро компьютера», у всех на слуху ещё со времён появления «на свет» первого компьютера в конце сороковых годов двадцатого столетия. С этих подсистем и начинается материал данного подраздела. 1.2.1 Центральный процессор (ЦП или Central Processing Unit (CPU)) – блок компьютера, выполняющий арифметические и логические операции, управляющий работой всех его составных частей. Центральные процессоры ряда моделей персональных компьютеров (ПК) могут содержать процессор и сопроцессор. Процессор (Processor) – основное обрабатывающее устройство, выполняющее команды ПК. Сопроцессор (Coprocessor) – специализированный процессор, дополняющий функциональные возможности основного процессора. Сопроцессоры могут быть математические (Numeric Processing Unit (NPU) или Floating Processing Unit (FPU)), логические, векторные и пр. Производители активно переходят к выпуску ПК с многопроцессорной архитектурой центрального процессора – так называемые многоядерные ЦП. К основным функциональным узлам процессора относят (рисунок 1.1): – арифметико-логическое устройство (АЛУ); – устройство управления (УУ); – группу регистров – локальную память. Процессор АЛУ УУ Регистры Рисунок 1.1 – Основные функциональные узлы процессора 8 Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – узел процессора, который выполняет арифметические и логические операции, являющиеся основными операциями по обработке информации. Основу АЛУ составляет сумматор. Сумматор – полупроводниковая схема, используемая для сложения двоичных чисел. В одну секунду выполняются сотни тысяч или миллионы операций. Сложение, вычитание, умножение и деление – элементарные операции, выполняемые АЛУ. Имея в своём составе логические узлы, АЛУ может перестраиваться на выполнение некоторых основных логических операций. Эти операции называются «логическое И», «логическое ИЛИ», «сравнение». В выполнении всех операций участвуют специальные регистры АЛУ (не путать с регистрами процессора). Время выполнения простейших операций определяется минимальным временем сложения двух операндов, находящихся в регистрах АЛУ. Управляющее устройство (УУ) в соответствие с заложенной в него производителем логикой работы и «руководимое» операционной системой и программой приложения пользователя: – формирует и подаёт на все блоки процессора в нужные моменты времени определённые сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; – принимает поступающие от всех функциональных узлов и подсистем сигналы и анализирует их, определяя текущее состояние этих узлов и подсистем; – формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передаёт эти адреса в соответствующие блоки компьютера; – и многое другое. Регистровая память1, обладая сверхвысоким быстродействием, выполняет функции кратковременного хранилища исходных данных, результатов вычислений, служебной информации и пр. Её свойства как транзитной (буферной) памяти в немалой степени определяют производительность компьютера в целом. 1.2.2 Компьютерной памятью называется совокупность узлов и устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные узлы и устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ). Состав и характеристики ЗУ определяют производительность и вычислительные возможности компьютера. Один вычислительный комплекс может содержать несколько типов ЗУ, отличающихся принципом действия, характеристиками и назначением. Кстати, упомянутая в пункте 1.2.1 регистровая память процессора также является составной частью системы компьютерной памяти. При обращении к памяти производится считывание или запись некоторой единицы данных, различной для устройств разного типа. Например: – в оперативном ЗУ (основной памяти компьютера) обрабатываемая 1 Регистр процессора – разновидность оперативного запоминающего устройства, встроенного в процессор. 9 единица данных называется байтом; – в регистрах АЛУ записываемая или считываемая кодовая комбинация именуется машинным словом, при этом: машинное слово ≥ 1 байт; – в накопителях на магнитных и электронных дисках данные записываются и считываются блоками (наиболее распространённый размер блока – 512 байт). В зависимости от реализуемых в памяти операций обращения различают: а) память с произвольным обращением (позволяет считывать и записывать данные) – RAM (Random Access Memory); б) память только для считывания данных («постоянная» или «односторонняя») – ROM (Read Only Memory). По способу организации доступа различают устройства памяти: – с непосредственным (произвольным) доступом; – с прямым (циклическим) доступом; – с последовательным доступом. В памяти с непосредственным (произвольным) доступом время доступа не зависит от места расположения участка памяти, с которого производится считывание или в который записываются данные. В большинстве случаев непосредственный доступ реализуется в полупроводниковых ЗУ. Число разрядов, считываемых или записываемых в памяти с непосредственным доступом параллельно во времени за одну операцию обращения, называется шириной выборки. В других типах памяти используются более медленные электромеханические процессы. В устройствах памяти с прямым доступом, к которым относятся дисковые устройства, благодаря вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания или записи циклически повторяется. В памяти с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации. Характерным примером является ЗУ на магнитных лентах. Запоминающие устройства различаются также по выполняемым в компьютере функциям, зависящим, в частности, от места расположения ЗУ в структуре компьютера. Примером таких ЗУ могут служить регистровая память ЦП, КЭШ, буферная память контроллеров (адаптеров) и пр. 1.2.3 CPU совместно с рядом других электронных узлов смонтирован на плате, получившей название «материнской» платы (Mother Board) или системной платы (System Board)1. Наряду с CPU обязательными атрибутами материнской платы являются: – оперативная (основная) память; – базовая система ввода – вывода (BIOS); 1 Для изучения конструктивных особенностей системного блока персонального компьютера типовой модели предусмотрена отдельная лабораторная работа. 10 – контроллер клавиатуры; – кварцевый генератор или генератор тактовых импульсов, задающий темп работы компьютера; – набор вспомогательных микросхем (стандартных контроллеров); – аккумулятор, обеспечивающий электроснабжение часов реального времени и энергонезависимую память в условиях отключенного внешнего электропитания; – коммутационные узлы, представленные разъёмами (коннекторами), которые, в зависимости от типа и вида сопрягаемых устройств, имеют специфические названия (об этом более подробно в лабораторной работе); – специальные гнёзда для установки микросхем специализированного сопроцессора (например, математического), а также кэш-памяти (в зависимости от модели и типа CPU); – набор микросхем (чипов), называемый чипсетом (Chipset) или системной логикой и обеспечивающий согласованную работу устройств компьютера; микросхемы впаяны в плату и поменять их нельзя (далее сведения по чипсету приводятся с привязкой к типовым архитектурам системных плат IBM PCсовместимых компьютеров). Чипсет обычно состоит из двух чипов: 1) North Bridge (NB) – северный мост, который обслуживает центральные устройства и содержит контроллеры основной памяти, AGP (EAGP)-шины (AGP – скоростной порт для подключения графической карты по отдельной одноимённой шине AGP), системной шины и шины памяти; 2) South Bridge (SB) – южный мост, который содержит контроллеры устройств ввода – вывода и стандартных периферийных устройств. По низкоскоростной шине контроллеры SB управляют следующими устройствами: накопителем на гибких дисках (FDD), клавиатурой (KBS – Keyboard Controller), портом мыши PS/2, системными часами (RTC – Real Time Clock), коммуникационными портами (COM и LPT), шинами SMBus (используются для мониторинга) и пр. 1.2.4 Под системой ввода – вывода1 понимают совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие центральных узлов (ядра) компьютера (или вычислительной системы) с периферийными устройствами (ПУ). Передача информации с ПУ в ядро ПК называется операцией ввода, а передача из ядра ПК в ПУ – операцией вывода. Связь устройств ПК друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения – интерфейсов. Интерфейс представляет собой совокупность физических средств сопряжения (коннекторов, разъёмов), линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами. Схематично связь ядра ПК с ПУ посредством аппаратных 1 Не следует путать «систему ввода – вывода» с периферийными устройствами ввода и вывода информации. Первую следует рассматривать как «посредника» между ядром компьютера и периферийными устройствами. 11 средств можно изобразить в соответствии с рисунком 1.2. Центральные узлы (ядро) компьютера или вычислительной системы Совокупность магистралей и каналов ввода-вывода Аппаратные средства системы ввода – вывода Средства сопряжения и коммутации ПУ ПУ ПУ    ПУ Рисунок 1.2 – Связь ядра ПК (или вычислительной системы) с ПУ Подсоединение периферийных устройств, таких как внешний модем, принтер и пр., к компьютеру производится через так называемые устройства сопряжения, или адаптеры, на которых реализованы стандартные или специальные интерфейсы. До недавнего времени подобные адаптеры выполнялись в виде отдельных плат (или дочерних плат)1 ввода – вывода (Input – Output Card). Современные системные платы, как правило, интегрируют все необходимые адаптеры. Итак, взаимодействие периферийного устройства с адаптером происходит через один интерфейс (возможно, один из двух интерфейсов), определяющий, в частности: тип и «род» (розетка или вилка) соединителя; уровни и длительность электрических сигналов; протоколы обмена. На практике стандартные последовательный и параллельный интерфейсы часто называют портами ввода – вывода (Input-Output Port). ОПРЕДЕЛЕНИЕ: порт – это, во-первых, схема и место подключения периферийных устройств к компьютеру, имеющие уникальный адрес; во-вторых, порт – это контроллер, выполняющий синхронизацию обмена данными по каналу связи; в-третьих, порту принадлежат регистры, в которые записывается информация для ПУ или с которых считывается информация, полученная из ПУ. 1 Отсюда следует и название системной платы – материнская плата: если есть подсоединяемые к системной плате платы расширения (дочерние), то системная плата приобретает статус материнской. 12 Для реализации параллельного выполнения процедур ввода – вывода с вычислительными процедурами процессора необходимо освободить процессор от управления операциями обмена данными между периферийными устройствами и основной памятью. Эта задача возлагается на процессоры ввода – вывода (каналы), управляемые канальными программами. Канал – это путь передачи данных. Как и процессор, каналы работают с основной памятью самостоятельно. Основным компонентом канала, обеспечивающего прямой доступ к памяти (минуя ЦП), является контроллер прямого доступа к памяти (КПДП). Как правило, ЦП должен обеспечивать обмен данными с большим числом асинхронно работающих ПУ. Для этого в архитектуру компьютера встроена система прерываний. ОПРЕДЕЛЕНИЕ: прерыванием называется реакция процессора на команду запроса, поступившую от конкретного ПУ, когда процессор приостанавливает выполнение основной программы на время выполнения другой программы по обслуживанию данного запроса. Моменты возникновения событий, требующих прерывание основной программы, заранее неизвестны, и поэтому не могут быть учтены при программировании. Прерывание работы процессора по запросу внешних устройств устраняет необходимость выполнения процессором неэффективных регулярных операций по проверке готовности внешних устройств к обмену данными и снижает затраты времени на ожидание готовности внешнего устройства к обмену. Запросы на прерывания передаются по специальным сигнальным линиям, которые называются IRQ-линиями (Interrupt ReQuest – запрос на прерывание), и поступают на входы программируемого контроллера прерываний, используемого в компьютерах IBM PC. Последовательность обслуживания периферийных устройств, выставивших одновременно сигналы запроса прерывания, определяется номером IRQ – чем меньше номер, тем выше приоритет в обслуживании конкретного ПУ. 1.2.5 По насыщенности электронными узлами современные периферийные устройства практически не уступают основным компонентам компьютера. В их составе имеются микропроцессоры и другие чипы, модули RAM и ROM, источники электропитания и пр. 1.3 Математические и логические основы конструирования компьютеров В повседневной практике каждому из нас часто приходится решать задачи вычислительного или логического содержания. Если задача простая, то для её решения достаточно «поэксплуатировать» свои умственные способности в сочетании с «бумагой и карандашом». Сложная же задача вынуждает искать 13 какие-нибудь дополнительные средства, подходящие для решения именно этой задачи. Данное пособие не предназначено для того, чтобы отследить историю развития вычислительных средств. Можно лишь вспомнить период конца сороковых – начала пятидесятых годов двадцатого столетия, когда наряду с обычными счётами широко применялся механический калькулятор под названием арифмометр. Он мог выполнять четыре арифметических действия над числами в десятичной системе счисления и имел ручной привод, наподобие привода швейной машинки. Приведённый исторический факт упомянут по той причине, что именно в это время (конец сороковых годов) и было объявлено о создании первого компьютера. Безусловно, общаться с числами, представленными в десятичной системе счисления, для нас привычней и удобней. Но ведь можно те же самые вычисления проводить и в любой другой системе счисления. Из всех известных позиционных систем счисления (а мы привыкли пользоваться именно позиционной системой) самой простой является двоичная. Действительно, её базис содержит только две цифры – 0, 1, тогда как в базисе десятичной системы счисления десять цифр. С учётом зрительного восприятие числа в десятичном формате выглядят компактнее по сравнению с теми же числами в двоичном формате. Однако здесь нужно обратить внимание и на физическую сторону вопроса. В электронных компьютерах (а именно о таких сейчас идёт речь) данные представляются в виде электрических сигналов – напряжения или тока. Для отображения многообразия данных электрическим сигналам придают те или иные признаки. В частности, если в качестве признака выбран уровень электрического напряжения, то для представления цифр двоичной системы счисления достаточно задать два уровня (например, UВЫХ ≠ 0 и UВЫХ = 0), в то время как для представления цифр десятичной системы счисления необходимо уже задать десять уровней. Схемотехника электронных схем, которые предназначены для поддержания промежуточных состояний кроме двух граничных, очень сложная, а работа их, как правило, нестабильная. С точки зрения практической реализации проще создавать электронные схемы, формирующие только два уровня напряжения. Они технологичны и надёжны не только со схемотехнической точки зрения, но ещё и более помехоустойчивые. В электронных элементах с более чем двумя уровнями напряжения случайная помеха может сместить тот или иной уровень в любую сторону вплоть до слияния с соседним уровнем. Не случайно попытка создать компьютер, оперирующий с числами в десятичном формате, закончилась неудачей. Помимо математических задач действительность подбрасывает нам много задач по переработке информации. Для их решения знаний только арифметики и алгебры недостаточно, а нужно ещё обладать логическим мышлением. Наука и здесь предоставила в наше распоряжение очень хороший инструмент – общую логику и математическую логику в частности. Сфера применения математической логики достаточно обширна, для нас же достаточно будет воспользоваться услугами одного из её приложений – булевой алгеброй (или алгеброй логики). 14 Как известно, предметом рассмотрения булевой алгебры являются высказывания (утверждения), которые могут оказаться либо истинными, либо ложными. Следовательно, истинность высказывания может принимать, подобно цифрам двоичной системы счисления, только два значения: «истина» и «ложь». Если прийти к соглашению, обозначив логическое значение «истина» цифрой 1, а логическое значение «ложь» – цифрой 0, то получим в своё распоряжение две константы, по аналогии с базисными цифрами двоичной системы счисления. А из этого следует, что на физическом уровне для представления логических констант можно применить тот же принцип, что и для представления математических констант (цифр). Высказывания могут быть простыми (логически неделимыми) и сложными (состоящими из простых высказываний). Высказывания, как и любые переменные величины, можно обозначать символами, в частности, буквами латинского алфавита. Примерами простых высказываний и их обозначений могут служить: 1) «значение одноразрядного двоичного числа Х равно единице» обозначим как А (А – логическая переменная); 2) «значение одноразрядного двоичного числа Y равно нулю» обозначим как В (В – логическая переменная). Если утверждение 1 соответствует действительности, то есть X = 1, то значение логической переменной А, то есть «истина» (читается «А»). Если же утверждение 1 не соответствует действительности, то есть X = 0, то значение логической переменной А , то есть «ложь» (читается «НЕ А»). Учитывая принятые обозначения логических констант («истина» = 1; «ложь» = 0), можно приведённые рассуждения представить в табличной форме (смотри таблицу 1.1). Таблица 1.1 – Интерпретация простого логического высказывания Высказывание Реальность Значение одноразрядного двоичного числа Х равно единице X = 1 – «истина» X = 0 – «ложь» Символьное обозначение А А Количественная оценка А=1 А=0 Сложные высказывания образуются путём объединения простых высказываний логическими операциями (связками), две из которых упомянуты в приведённом ниже определении булевой алгебры. По своей сути сложные высказывания являются логическими функциями и обозначаются, как и простые высказывания, символами. В свою очередь сложное высказывание может быть частью другого сложного высказывания более высокого уровня. Как и простые высказывания сложные могут быть истинными или ложными. В литературе по компьютерной математике встречается такое определение булевой алгебры. 15 ОПРЕДЕЛЕНИЕ: булевой алгеброй называют непустое множество В с двумя бинарными операциями  – дизъюнкция (ИЛИ),  – конъюнкция (И) и одной унарной  – отрицание (НЕ), которые удовлетворяют приведённым в приложении А законам (аксиомам) для любых элементов (X, Y, Z,. . .)  B. В соответствии с приведенным определением булевой алгебры к основным логическим операциям относят И, ИЛИ, НЕ. Операция И (конъюнкция или логическое умножение) для двух логических переменных записывается в виде F = X * Y (читается: «X И Y»), что соответствует форме представления таблицы 1.2. Операция ИЛИ (дизъюнкция или логическое сложение) для двух логических переменных записывается в виде F = X + Y (читается: «X ИЛИ Y»), что соответствует форме представления таблицы 1.3. Операция НЕ (логическое отрицание) записывается в виде F= Х , (читается: «НЕ X»), что соответствует форме представления таблицы 1.4. Таблицы 1.2 – 1.4 называются таблицами истинности. Таблица 1.2 – – Операция И Таблица 1.3 – – Операция ИЛИ Таблица 1.4 – – Операция НЕ X Y F X Y F X F 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 В операциях И, ИЛИ, НЕ могут участвовать более чем две логические переменные, например, F = X * Y * Z * H *. . . ; F = X + Y + Z + H + . . . ; F  ( X  Y ) * Z .... . Помимо представленных в таблицах 1.2 – 1.4 логических операций имеются и другие, сведения по которым можно найти в теоретических сведениях лабораторной работы «Исследование возможностей основных соотношений булевой алгебры для решения практических задач». Поскольку теоретически доказано, что количество логических операций является избыточным, то одни операции могут быть представлены другими, а точнее, их комбинациями. Такая замена может быть выражена в виде тождеств. С тождествами и правилами их доказательства студенты знакомятся при выполнении упомянутой уже лабораторной работы. Пусть имеется высказывание: «значение одноразрядного двоичного числа Z равно единице» истинно, если «значение одноразрядного двоичного числа Х равно единице» И одновременно «значение одноразрядного двоичного числа Y равно нулю». В приведённой фразе отражена ситуация, вытекающая из правила ариф- 16 метического сложения X + Y = Z. Перефразируем данную формулировку и представим как пример сложного высказывания: «значение одноразрядного двоичного числа Z равно единице, если значение одноразрядного двоичного числа Х равно единице И значение одноразрядного двоичного числа Y равно нулю». Данный пример подводит к пониманию того, что с помощью булевой алгебры можно отображать (или моделировать) чисто математические процедуры. Можно расширить границы приведённого примера, описав с помощью булевой алгебры все ситуации, возникающие при арифметическом сложении двух одноразрядных двоичных чисел. Результат приведён в таблице 1.5. Таблица 1.5 – Пример логического моделирования арифметической суммы двух одноразрядных двоичных чисел Арифметическая сумма Z=X+Y X Y Z 00 1 01 1 01 1 1 10 Логическая модель суммы X Y S P 1 1 1 1 1 1 1 S – сумма; P – перенос в старший разряд. Вербальное описание содержания правой части таблицы: 1) «значение суммы истинное (S), если значение X истинное (X) И значение Y ложное ( Y ) ИЛИ значение X ложное ( X ) И значение Y истинное (Y)»; 2) «значение суммы ложное ( S ), если значение X ложное ( X ) И значение Y ложное ( Y ) ИЛИ значение X истинное (X) И значение Y истинное (Y)»; 3) «значение цифры переноса в старший разряд истинное (P), если значение X истинное (X) И значение Y истинное (Y)»; 4) «значение цифры переноса в старший разряд ложное ( P ), если значение X ложное ( X ) И значение Y ложное ( Y ) ИЛИ значение X истинное (X) И значение Y ложное ( Y ) ИЛИ значение X ложное ( X ) И значение Y истинное (Y)». Каждую формулировку можно представить в символьном формате по истинным значениям: 1) S  X И Y ИЛИ X И Y  X * Y  X * Y ; 2) P  X И Y  X * Y ; и по ложным значениям: 3) S  X И Y ИЛИ X И Y  X * Y  X * Y ; 4) P  X И Y ИЛИ X И Y ИЛИ X И Y  X * Y  X * Y  X * Y . 17 В итоге получили две логические функции, каждая из которых записана как по своим истинным, так и по ложным значениям. Две записи – одна по истинным, а другая по ложным значениям – представляют собой одну и ту же функцию. С помощью логических преобразований можно осуществить переход от одной записи к другой. Покажем такой переход от S к S: S  X *Y  X *Y  S  X *Y  X *Y  X *Y * X *Y  ( X  Y ) * ( X  Y )   X * X  X *Y  X *Y  Y *Y  0  X *Y  X *Y  0  X *Y  X *Y  S; В процедуре преобразования были применены: – закон де Моргана (дважды) – X * Y  X * Y  X * Y * X * Y  ( X  Y ) * ( X  Y ) ; – правило логического перемножения содержимого двух скобок (как и в математике) – ( X  Y ) * ( X  Y )  X * X  X * Y  X * Y  Y * Y ; – закон комбинации с дополнением – X * X  0; Y * Y  0 ; – инволютный закон – S  S . Если значения функции известны для всех возможных комбинаций значений логических переменных – аргументов функции (как в рассмотренном примере), то такую функцию называют полностью определенной. В других случаях функция является недоопределенной, причем комбинации значений аргументов функции могут быть неизвестными либо запрещенными (исходя из физических соображений). Каждую конкретную комбинацию значений аргументов называют набором. При n аргументах существует максимум 2n наборов; Полностью определённую функцию n аргументов, которая принимает значение, равное единице, только на одном наборе аргументов, а на всех остальных наборах она равна нулю, называют конституентой единицы. Полностью определённую функцию n аргументов, которая принимает значение, равное нулю, только на одном наборе аргументов, а на всех остальных наборах она равна единице, называют конституентой нуля. Символьный формат логической функции позволяет осуществить её аппаратную реализацию и получить устройство, которое решает поставленную задачу (в рассматриваемом случае – арифметическое сложение). Роль входных переменных этого устройства (назовём его сумматором) выполняют аргументы (числа) X и Y, значения которых на аппаратном уровне представляются в виде соответствующих сигналов; выходными переменными служат сумма S и перенос P, значения которых также представляются сигналами. Сумматор показан на рисунке 1.3 без детализации его внутреннего содержания. X Y Σ S P Рисунок 1.3 – Графическое изображение сумматора 18 Сформулируем логическую задачу из области организации пассажирских авиаперевозок: «отправка авиарейса А-007 состоится независимо от погодных условий, если будет проведён предполётный технический осмотр авиалайнера и подготовлена взлётная полоса». В этом сложном высказывании, которое формулируется как «возможность отправки авиарейса А-007» и может быть обозначено как F, три простых: – «состояние погодных условий» – аргумент A; – «проведение предполётного технического осмотра авиалайнера» – аргумент B; – «подготовка взлётной полосы» – аргумент C. Таблица 1.6 содержит все варианты решения данной задачи в символьной форме. Таблица 1.6 – Возможность отправки авиарейса А-007 Состояние погодных условий (хорошие или плохие) Проведение предполётного технического осмотра авиалайнера (проведён или не проведён) Подготовка взлётной полосы (подготовлена или не подготовлена) Возможность отправки авиарейса А-007 (состоится или не состоится) A 0 (А) 0 (А) 0 (А) 0 (А) 1 (A) 1 (A) 1 (A) 1 (A) B 0 (B) 0 (B) 1 (B) 1 (B) 0 (B) 0 (B) 1 (B) 1 (B) C 0 (C ) 1 (C) 0 (C ) 1 (C) 0 (C ) 1 (C) 0 (C ) 1 (C) F 0 (F ) 0 (F ) 0 (F ) 1 (F) 0 (F ) 0 (F ) 0 (F ) 1 (F) Примечание – Студентам предоставляется возможность самостоятельно осмыслить, каким образом были внесены данные в эту таблицу. Содержимое таблицы 1.6 следует читать и записывать в аналитической форме таким образом: а) «вылет самолёта рейсом А-007 состоится (смотри четвёртую и восьмую строки таблицы), если (погодные условия будут НЕ хорошие И проведён предполётный технический осмотр авиалайнера И подготовлена взлётная полоса) ИЛИ (погодные условия будут хорошие И проведён предполётный технический осмотр авиалайнера И подготовлена взлётная полоса)» 19 F  A * B * C  A * B * C - по истинным значениям; б) «вылет самолёта рейсом А-007 НЕ состоится (смотри первую-третью и пятую-седьмую строки таблицы), если (погодные условия будут НЕ хорошие И НЕ проведён предполётный технический осмотр авиалайнера И НЕ подготовлена взлётная полоса) ИЛИ (погодные условия будут НЕ хорошие И НЕ проведён предполётный технический осмотр авиалайнера И подготовлена взлётная полоса) ИЛИ (погодные условия будут НЕ хорошие И проведён предполётный технический осмотр авиалайнера И НЕ подготовлена взлётная полоса) ИЛИ (погодные условия будут хорошие И НЕ проведён предполётный технический осмотр авиалайнера И НЕ подготовлена взлётная полоса) ИЛИ (погодные условия будут хорошие И НЕ проведён предполётный технический осмотр авиалайнера И подготовлена взлётная полоса) ИЛИ (погодные условия будут хорошие И проведён предполётный технический осмотр авиалайнера И НЕ подготовлена взлётная полоса)» F  A * B * C  A * B * C  A * B * C  A * B * C  A * B * C  A * B * C  по ложным значениям. Таким образом, логическую функцию можно представлять в смысловой (словесной или вербальной), табличной и аналитической (математической) формах. Как иллюстрацию данного вывода рассмотрим пример решения следующей задачи: «цифровое устройство управления с тремя входами (X, Y, Z) и одним выходом (F) формирует на своём выходе высокоуровневый сигнал управления (UF > 0), если одновременно на двух его входах X и Y присутствуют сигналы высокого уровня (UX > 0 и UY > 0), при этом одновременная подача сигналов с нулевым уровнем на все три входа запрещена»; а) смысловая форма представления логической функции: «функция F трех аргументов X, Y, Z принимает значение 1, если два аргумента X, Y одновременно равны 1 (независимо от значения Z). Одновременное равенство 0 трёх аргументов запрещено. Во всех других случаях функция равна 0». Анализ условия задачи: при трех аргументах максимальное количество наборов равно 8, причем один набор является запрещённым, следовательно, функция недоопределена; б) табличная форма представления функции имеет вид таблицы 1.7. Первоначально в таблицу заносятся все возможные комбинации значений аргументов. Затем последовательно комбинация значений аргументов каждой строки таблицы сверяется с условием задачи. Если конкретная комбинация зна- 20 чений аргументов соответствует формулировке задачи, то в колонку, обозначенную F, заносится соответствующее значения логической функции, равное единице или нулю. В качестве значения функции при неизвестных или запрещённых комбинациях значений аргументов1 можно использовать любые символы, отличные от 0 и 1 (в примере использовано тире). По таблице можно записать функцию в аналитической форме; Таблица 1.7 – Табличная форма представления функции X 1 1 1 1 Y 1 1 1 1 Z 1 1 1 1 F – 1 1 в) аналитическая форма представления функции. Может быть несколько одинаковых по смыслу (но не по форме) записей в виде: – совершенной дизъюнктивной нормальной формы (СДНФ) для истинных значений функции как суммы произведений значений аргументов – наборов – выбираются комбинации значений аргументов, соответствующие истинным значениям функции F  X *Y * Z  X *Y * Z; – СДНФ для ложных значений функции как суммы наборов F  X *Y * Z  X *Y * Z  X *Y * Z  X *Y * Z  X *Y * Z; – и после применения закона инверсии (закона де Моргана) к двум последним функциям придём к их записям в виде совершенной конъюнктивной нормальной формы (СКНФ) как произведению сумм значений аргументов, то есть F  ( X  Y  Z ) * ( X  Y  Z ); F  ( X  Y  Z ) * ( X  Y  Z ) * ( X  Y  Z ) * ( X  Y  Z ) * ( X  Y  Z ). 1.4 Выводы Как обоснование принятых принципов конструирования дискретных 1 Наличие неизвестных или запрещённых комбинаций значений аргументов логической функции обязательно оговаривается в условии задачи. По умолчанию конкретная комбинация может принять одно из двух значений – 0 или 1 (опять-таки, исходя из условия задачи). 21 устройств, к которым принадлежат и компьютеры, можно привести: а) возможность применения двоичной системы счисления вместо десятичной для решения количественных задач. Достоинство – простота, ведь в базисе двоичной системы счисления всего две цифры – 0 и 1; б) практика заставляет нас в процессе обработки информации решать множество задач логического характера. В данных случаях приходится прибегать к помощи математической логики (или к одному из её приложений – булевой алгебре). А она, как известно, оперирует всего двумя понятиями «истина» и «ложь», что формально можно обозначить 1 и 0; в) возможности булевой алгебры таковы, что она позволяет моделировать вычислительные процедуры, и проще это делать, когда применяется двоичная система счисления; г) дискретное устройство, имеющее n входов и минимум один выход, можно описать с помощью логической функции, являющейся результатом выполнения логических операций над входными двоичными переменными – логическими переменными или аргументами функции. Задать логическую функцию – значит указать значения, которые принимает функция (то есть 0 или 1) при всех возможных комбинациях значений аргументов. д) дискретное устройство, имеющее m выходов, описывается m логическими функциями; е) имея аналитическую форму логической функции легко перейти к функциональной и принципиальной схеме устройства, а по ней реализовать и само устройство на логических элементах; ж) на аппаратном уровне логические и математические константы представляются в виде сигналов, которые можно наделить всего двумя существенно различающимися признаками. А из электронной схемотехники известно, что элементы, обрабатывающие и формирующие двухуровневые сигналы наиболее надёжные и технологичные. 1.5 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Где и с какой целью применяется булева алгебра (алгебра логики)? 2 Почему булева алгебра (алгебра логики) применяется для синтеза элементов и узлов средств цифровой техники (дискретных устройств, компьютеров)? 3 В чём отличие логических переменных от, например, алгебраических? 4 Что из себя представляет логическая функция? 5 Чем отличаются логические операции И, ИЛИ от арифметических действий умножения и сложения? 6 Как может быть представлена логическая функция? 7 Что означает понятие «набор логической функции»? 8 Что из себя представляет полностью определённая логическая функция? 9 Что из себя представляет недоопределённая логическая функция? 22 2 КЛЮЧЕВАЯ СХЕМА. ЛЕКЦИЯ 2 План лекции: а) формы электрических сигналов; б) понятие ключевой схемы, идеальный и неидеальный ключи; в) схема замещения ключевой схемы, вольт-амперные характеристики; г) энергетические характеристики ключевой схемы. 2.1 Формы электрических сигналов В лекции 1 было отмечено, что в электронных цифровых устройствах, в частности, компьютерах, носителями информации являются электрические сигналы, действующие на входах и выходах элементов и узлов. Для кодирования и преобразования двоичных цифр и логических констант электрическим сигналам достаточно придать всего два качественных признака, преимущественно в виде уровней и(или) полярностей электрического напряжения. Чтоб придать сигналам высокую устойчивость к воздействию внешних и внутренних помех, их уровни должны существенно различаться. Выделяют два вида электрических сигналов: – потенциальные; – импульсные. Потенциальные сигналы положительной полярности приведены на рисунке 2.1. Если единичная константа кодируется высоким положительным потенциалом (смотри рисунок 2.1,а), то такая логика называется положительной. Если единичная константа кодируется низким положительным потенциалом (смотри рисунок 2.1,б), то такая логика называется отрицательной. U, B U, B 1 1 1 t а) – положительная логика 1 t б) – отрицательная логика Рисунок 2.1 – Временные диаграммы потенциальных сигналов положительной полярности Потенциальные сигналы отрицательной полярности приведены на рисунке 2.2. Если единичная константа кодируется высоким отрицательным потенциалом (смотри рисунок 2.2,а), то такая логика называется положительной. Если единичная константа кодируется низким отрицательным потенциалом 23 (смотри рисунок 2.2,б), то такая логика называется отрицательной. U, B U, B t 1 t 1 1 а) – положительная логика 1 б) – отрицательная логика Рисунок 2.2 – Временные диаграммы потенциальных сигналов отрицательной полярности Примечание – Формы потенциальных сигналов представлены на временных диаграммах рисунков 2.1 и 2.2 при условии, что напряжение измеряется относительно корпуса, электрический потенциал которого принимается равным нулю вольт. В идеале импульсные сигналы имеют прямоугольную форму. Вариантов уровневого представления импульсных сигналов может быть много, здесь рассматриваются только несколько из них: 1) рисунок 2.3,а – логической единице соответствует наличие положительного импульса напряжения, а нулю – отсутствие напряжения; 2) рисунок 2.3,б – логической единице соответствует наличие отрицательного импульса напряжения, а нулю – отсутствие напряжения; 3) рисунок 2.3,в – логической единице соответствует наличие положительного импульса напряжения, а нулю наличие тоже положительного импульса напряжения, но меньшего уровня; 4) рисунок 2.3,г – логической единице соответствует наличие положительного импульса напряжения, а нулю – наличие отрицательного импульса напряжения (амплитуды обоих импульсов по модулю одинаковые). U,В 1 U,В U,В t U,В 1 1 t t t 1 Такт а) б) в) г) Рисунок 2.3 – Временные диаграммы импульсных сигналов В данной дисциплине не ставится цель рассмотреть все варианты прак- 24 тического применения потенциальных и импульсных сигналов – эта задача относится к областям электроники, схемотехники и т. п. Нам достаточно выбрать один, наиболее простой, вариант представления сигналов и с его помощью решить свои задачи. Поэтому возьмём за основу импульсные сигналы, показанные на рисунке 2.3,а, которые будем использовать в дальнейшем по умолчанию. 2.2 Понятие ключевой схемы, идеальный и неидеальный ключи В первой лекции было отмечено, что устройство, которое преобразует и формирует бинарные сигналы, наиболее надёжное, технологичное и помехоустойчивое. Такое устройство в электронике получило название «ключевая схема» (иногда её называют просто ключом). Даже не проникая глубоко в содержимое самих устройств, нам часто приходится выполнять такие действия, как «включить-выключить», «открыть-закрыть», «соединить-разъединить» и пр., то есть иметь дело непосредственно с ключами. Простейший ключ представлен на рисунке 2.4 как устройство с одним входом и одним выходом. Его принцип действия очевиден: 1) в исходном состоянии (рисунок 2.4,а), когда отсутствует входное воздействие (или входной сигнал), подвижный контакт соединяет выход с плюсом источника питания, в результате чего на выходе ключа присутствует положительное напряжение, равное ЭДС источника питания (UВых= +E); 2) входной сигнал, в качестве которого в данном случае выступает механическое воздействие, перемещает подвижный контакт и соединяет выход с минусом источника питания (рисунок 2.4,б), создавая нулевую разность потенциалов – нулевое напряжение (UВых= 0). Такое состояние ключа сохраняется, пока присутствует входной сигнал, но как только входной сигнал будет снят, механическая пружина возвратит подвижный контакт в исходное состояние и на выходе ключа снова появится UВых= +E. Вход Вход Выход Возвратная пружина UВых= +E E + E – а) UВых= 0 + – б) Рисунок 2.4 – Общий вид простейшего ключа Ключ, функционирующий по описанному принципу, называется ключом 25 с самовозвратом, а его работу можно отобразить временными диаграммами рисунка 2.5. Входной сигнал приложен Входной сигнал снят Вход t UВЫХ Е t Рисунок 2.5 – Временные диаграммы ключа с самовозвратом Если удалить из ключа возвратную пружину, как показано на рисунке 2.6, то для его переключения потребуется прикладывать входной сигнал двух полярностей. Такой ключ называется ключом без самовозврата, и его работу можно отобразить временными диаграммами рисунка 2.7. а) – исходное состояние Вход E UВых= 0 б) Выход UВых= +E E + – + E – UВых= +E + – в) Рисунок 2.6 – Общий вид простейшего ключа без самовозврата 26 Входной сигнал приложен Входной сигнал снят Вход Интервал времени удержания кнопки управления в нажатом состоянии t UВЫХ Е t Состояние ключа по рисунку 2.6,б Исходное состояние ключа (рисунок 2.6,а) Состояние ключа по рисунку 2.6,в Рисунок 2.7 – Временные диаграммы ключа без самовозврата Рассмотренный ключ относится к классу механических, так как для его переключения необходимо прикладывать механическое воздействие. Другим представителем этого класса является ключевая схема, содержащая два элемента – непосредственно ключ и внешний (нагрузочный) резистор и представленная на рисунке 2.8 в двух вариантах исполнения. +Е +Е I I R R Входное механическое воздействие Входное механическое воздействие K UВых K UВых Вход Вход t t UВых Е UВых Е t Входной сигнал снят t Входной сигнал снят Пунктиром показано положение контакта, которое он приобретает под влиянием входного воздействия. Рисунок 2.8 – Ключевая схема с механическим ключом 27 Сформулируем предварительные выводы: 1) входной сигнал управляет состоянием ключа, коммутируя его внутренние цепи и тем самым регулируя передачу энергии внешнего источника питания на выход1. Таких состояний два – замкнутое и разомкнутое. Наиболее показательно проследить смену состояний можно на рисунке 2.8. В частности, до подачи входного сигнала левый ключ находится в разомкнутом состоянии, а правый – в замкнутом состоянии. В момент подачи входного сигнала состояния ключей изменяются на противоположные. Никаких других промежуточных состояний у ключа нет. Интервал времени, в течение которого ключевая схема переходит из одного состояния в другое, называется временем переходного процесса (или длительностью переходного процесса) – более детально влияние переходного процесса на работу ключевой схемы рассмотрено ниже; 2) вид приведённых на рисунках 2.5, 2.7 и 2.8 выходных сигналов характеризует работу ключевой схемы с идеальным ключом. Это обусловлено тем, что, во-первых, импульсы имеют идеальную прямоугольную форму, в то время как при работе неидеального ключа переходные процессы искажают форму импульсов. Во-вторых, уровни формируемых на выходе сигналов предельные, то есть нулевой константе соответствует UВых = 0, а единичной константе соответствует UВых = +E, в то время как в схеме с неидеальным ключом достичь такого невозможно – в ней уровни выходных сигналов только стремятся к таким значениям, но никогда не смогут их достичь; 3) ключевая схема, изображённая в левой части рисунка 2.8, обеспечивает логическую инверсию входного сигнала, то есть выполняет операцию логического отрицания, что иллюстрируют временные диаграммы. Поэтому ключевые схемы, обладающие таким свойством, получили название инверторов. В правой части рисунка 2.8 изображена ключевая схема, не обладающая таким свойством. Она называется буфером и его назначение в схемах будет рассмотрено далее. Из второго вывода следует одна очень важная характеристика ключевой схемы, носящая название «коэффициент использования напряжения источника питания» и вычисляемая по формуле КИ = (UВых макс – UВых мин)/E. Обозначим уровни сигналов, соответствующие единичной и нулевой константам, через UВых 1 = UВых макс и UВых 0 = UВых мин, тогда коэффициент использования напряжения источника питания можно записать КИ = (UВых макс – UВых мин)/E = (UВых 1 – UВых 0)/E, (2.1) и у схемы с идеальным ключом КИ = (UВых 1 – UВых 0)/E = (E – 0)/E = 1. Единица – это максимальное значение, которое может достигать КИ. Значение меньше единицы свидетельствует о потерях энергии внутри ключевой схемы, когда часть электрической энергии преобразуется в тепловую. И если устройство будет содержать десятки-сотни миллионов ключей (в данном случае 1 Ни в коем случае нельзя считать, будто входной сигнал передаётся на выход ключевой схемы – это очевидное заблуждение. 28 речь идёт об электронных ключах), то потребуется применить дополнительное средство для отвода тепловой энергии в пространство (радиаторы, вентиляторы), а источник питания должен быть рассчитан на увеличенную с учётом потерь мощность, что противоречит требованию энергосбережения. К другим характеристикам ключевой схемы относят внутреннее сопротивление ключа. Значимость этой характеристики обусловлена тем, что любое активное сопротивление электрической цепи при протекании через него тока потребляет электрическую энергию, которая преобразуется в тепловую. В цепи постоянного тока потребляемая активным сопротивлением электрическая мощность рассчитывается по формуле: P  U  I  U 2 R  I 2  R, (2.2) где P – электрическая мощность, потребляемая активным сопротивлением, Вт; U – падение напряжения на активном сопротивлении, В; I – ток, протекающий через активное сопротивление, А; R – активное сопротивление, Ом. С этой точки зрения идеальной будет считаться такая ключевая схема, у которой тепловые потери электрической энергии сведены к нулю. Обозначим внутреннее сопротивление ключа как RВН. Так как ключ может находиться в двух состояниях, то каждому из них будет соответствовать своё внутреннее сопротивление, в связи с чем введём такие обозначения: – в разомкнутом состоянии RВн = RРаз; – в замкнутом состоянии RВн = RЗам. Дадим количественную оценку внутреннему сопротивлению ключа, взяв за основу схемы рисунка 2.8. В состоянии «разомкнуто» внутренняя цепь ключа разорвана, и в идеальных условиях RВн = RРаз = ∞. В состоянии «замкнуто» внутренняя цепь ключа скоммутирована, и в идеальных условиях RВн = RЗам = 0. Однако материалы, из которых изготавливаются ключи, не обладают идеальными свойствами, поэтому справедливы такие соотношения: RВн = RРаз → ∞ (стремится к бесконечности); RВн = RЗам → 0 (стремится к нулю). Основываясь на характеристиках КИ и RВн , рассортируем ключевые схемы на две группы – идеальные и неидеальные, что иллюстрирует таблица 2.1. Таблица 2.1 – Характеристики идеальных и неидеальных ключевых схем Группа ключевых схем С идеальными ключами С неидеальными ключами Коэффициент использования напряжения источника питания, КИ КИ = 1 Внутренне сопротивление, RВн RРаз RЗам RРаз ид = ∞ RЗам ид = 0 КИ < 1 RРаз неид → ∞ RЗам неид → 0 29 2.3 Схема замещения ключевой схемы, вольт-амперные характеристики Схема замещения, как разновидность модели физического объекта, предоставляют возможность исследовать характеристики электрических и электронных устройств, к которым, безусловно, принадлежит ключевая схема. В данном случае достаточно будет использовать резисторную модель ключевой схемы, взяв за основу схему рисунка 2.8. В схеме замещения, приведённой на рисунке 2.9, присутствует два элемента: первый – это внешний резистор R (его роль в составе ключа будет выявлена далее), второй – это резистор с сопротивлением RВн. +Е I R Разомкнутое состояние RВн = RРаз K RВн UВых Замкнутое состояние RВн = RЗам Используется закон Ома для вычисления падения напряжения на участке цепи: U Вых  E  RВн . R  RВн Рисунок 2.9 – Резисторная схема замещения ключевой схемы Введём следующие обозначения выходного напряжения ключевой схемы с идеальным и неидеальным ключом, соответствующие её двум состояниям: – UВых раз ид – выходное напряжение ключевой схемы с идеальным ключом в разомкнутом состоянии; – UВых зам ид – выходное напряжение ключевой схемы с идеальным ключом в замкнутом состоянии; – UВых раз неид – выходное напряжение ключевой схемы с неидеальным ключом в разомкнутом состоянии; – UВых зам неид – выходное напряжение ключевой схемы с неидеальным ключом в замкнутом состоянии. С помощью схемы рисунка 2.9 покажем взаимосвязь характеристик, приведённых в таблице 2.1: 1) для схемы с идеальным ключом в разомкнутом состоянии E  RРаз ид U Вых раз ид   E E ; ( R  RРаз ид ) ( R  ) в замкнутом состоянии E  RЗам ид U Вых зам ид   E0 0 ; ( R  RЗам ид ) ( R  0) (2.3) (2.4) 30 2) для схемы с неидеальным ключом в разомкнутом состоянии E  RРаз неид U Вых раз неид   E (но  E ) ; (2.5) ( R  RРаз неид ) в замкнутом состоянии E  RЗам неид U Вых зам неид   0(но  0) . (2.6) ( R  RЗам неид ) Выводы: 1) у схемы с идеальным ключом уровни выходного напряжения предельные, что обеспечивает КИ = 1. У схемы с неидеальным ключом уровни выходного напряжения отличаются от предельных, а это значит, что КИ < 1; 2) если в составе ключевой схемы внешнее сопротивление отсутствует, то есть R = 0, тогда . . . (какие процессы будут протекать в ключевой схеме при таком условии, студентам предлагается выяснить самостоятельно, и для этого предлагается воспользоваться законом Ома для определения тока в электрической цепи, а именно: I = E / (R + RВн)). Как определить внутреннее сопротивление ключа? Здесь рассматривается графический способ решения такой задачи, основанный на использовании вольт-амперных характеристик ключа. Вольт-амперные характеристики строятся в координатной плоскости, где по оси абсцисс откладываются уровни напряжения, а по оси ординат – тока1. Такая плоскость показана на рисунке 2.10,а. UВых зам ид = 0; IЗам ид = E/R I А I E/R A IРаз ид = 0; UВых раз ид = E B В а) U E U б) Рисунок 2.10 – Вольт-амперные характеристики и нагрузочная прямая ключевой схемы и идеальным ключом 1 Удобство использования вольт-амперных характеристик следует из закона Ома для участка цепи: сопротивление равно R = U/I и проводимость G = I/U. 31 Так как ключевая схема может находиться в двух состояниях и каждому из них соответствует конкретное внутренне сопротивление ключа, то на вольтамперных характеристиках должны существовать две рабочие точки с соответствующими параметрами. Определить такие точки для схемы с идеальным ключом не представляет труда: 1) вольт-амперные характеристики идеального ключа совпадают с координатными осями. Рабочая точка схемы с замкнутым ключом будет находиться на оси I, так как на RЗам ид = 0 падение напряжения UВых зам ид = 0. Ток, протекающий через ключ, определяется величиной внешнего сопротивления R и равен IЗам ид = E/R. Следовательно, положение рабочей точки, обозначенной как А, конкретизировано; 2) рабочая точка схемы с разомкнутым ключом будет находиться на оси U, так как протекающий через RРаз ид = ∞ ток IРаз ид = 0. Всё напряжение источника питания будет приложено к выходу, то есть UВых раз ид = E. Следовательно, положение рабочей точки, обозначенной как В, конкретизировано. Рабочие точки принято соединять прямой линией, как показано на рисунке 2.10,б. Она носит название нагрузочной прямой и представляет собой виртуальный путь перемещения рабочей точки, когда ключевая схема переходит из одного состояния в другое (реально никакого пути нет, а происходит изменение параметров ключа под воздействием входного сигнала). Однако эта нагрузочная прямая оказывает неоценимую помощь в определении внутренних сопротивлений неидеального ключа. Местоположение рабочих точек схемы с неидеальным ключом определяется следующим образом: 1) в координатной плоскости I = I(U) размещаются вольт-амперные характеристики неидеального ключа, которые, естественно, не совпадают с координатными осями, как это было в случае идеального ключа. Как правило, вольт-амперные характеристики неидеальных ключей содержатся в специальных справочниках. Пусть таковыми характеристиками являются линии 1 и 2 на рисунке 2.11,а; 2) на координатных осях фиксируют рабочие точки, соответствующие состояниям схемы с идеальным ключом. Это легко выполнить, так как параметры источника питания (E) и сопротивление внешнего резистора (R) известны. Через эти рабочие точки проводят нагрузочную прямую, что показано на рисунке 2.11,б; 3) точки A′ и B′ пересечения нагрузочной прямой с вольт-амперными характеристиками 1 и 2 будут рабочими точками схемы с неидеальным ключом. Параметры ключа, соответствующие этим рабочим точкам, приведены в указателях; 4) определить внутренние сопротивления ключа в этих рабочих точка не представляет труда, поскольку вольт-амперные характеристики линейные1: 1 В принципе, в любой точке линейной функции, а вольт-амперные характеристики таковыми являются, отношение ординаты к абсциссе постоянное. 32 RРаз I неид  U Вых раз I Раз неид  ; RЗам неид  U Вых зам I Зам неид I 1 E/R неид  0. (2.7) неид 1 A′ IЗам неид < E/R 2 B′ IРаз неид → 0 U E 2 U UВых раз неид < E UВых зам неид → 0 а) б) Рисунок 2.11 – Вольт-амперные характеристики и нагрузочная прямая ключевой схемы с неидеальным ключом В случае нелинейных вольт-амперных характеристик для определения внутренних сопротивлений ключа в рабочих точках следует воспользоваться первой производной. Но аналитические выражения вольт-амперных характеристик, получаемых экспериментально, как правило, неизвестны, тогда внутренние сопротивления определяются с помощью приращений в окрестностях рабочих точек. Проиллюстрируем это с помощью рисунка 2.12. I E/R A Рабочая точка неидеального нелинейного ключа ΔI ΔU RВн = ΔU/ ΔI B E U Рисунок 2.12 – Определение внутреннего сопротивления ключа в рабочей точке нелинейной вольт-амперной характеристики 33 2.4 Энергетические характеристики ключевой схемы Рассмотрим энергетические характеристики ключевой схемы, на значимость которых было обращено внимание выше. В основе расчётов лежит выражение для определения мощности (2.2). Ключевая схема рисунка 2.8 содержит всего два элемента – внешний резистор и непосредственно ключ. Обладая активными сопротивлениями, каждый элемент вносит свой «вклад» в энергетические потери, которые и определяются далее. Предварительно введём такие обозначения: – PКлюча раз – мощность, выделяемая ключом в разомкнутом состоянии; – PR раз – мощность, выделяемая на внешнем резисторе, при разомкнутом ключе; – PКлюча зам – мощность, выделяемая ключом в замкнутом состоянии; – PR зам – мощность, выделяемая на внешнем резисторе, при замкнутом ключе; – UR раз – падение напряжения на внешнем резисторе при разомкнутом ключе; – UR зам – падение напряжения на внешнем резисторе при замкнутом ключе. В итоге получаем: 1) разомкнутое состояние ключевой схемы PКлюча раз PR  2 U Вых раз RРаз неид  раз неид U R2 раз R  E  RРаз неид   R  RРаз неид   ER   R  RРаз неид          2 RРаз неид  E 2 / RРаз неид  0; (2.8) 2 2 R  E 2  R / RРаз неид  0; (2.9) 2) замкнутое состояние ключевой схемы PКлюча PR зам зам   2 U Вых зам RЗам U R2 зам R неид неид  E  RЗам неид   R  RЗам неид   ER   R  RЗам неид          2 RЗам неид  E 2  RЗам неид / R 2  0; 2.10) 2 R  E 2 / R  конечное значение. (2.11) Из сопоставления полученных результатов видно, что максимальная мощность выделяется на внешнем сопротивлении R, когда ключ замкнут. Поэтому напрашивается естественное решение – удалить из ключевой схемы внешний резистор, заменив его вторым ключом. Тогда ключевая схема примет вид рисунка 2.13. Особенность такой ключевой схемы состоит в том, что входной сигнал должен управлять обоими ключами в синхронном режиме, что и 34 имеет место в реальных ключевых схемах. +Е I Входное воздействие K UВых Рисунок 2.13 – Ключевая схема с двумя ключами Рассмотренные выше ключевые схемы выступали в роли учебных макетов. В электронных цифровых устройствах используется транзисторный ключ – это транзисторный усилитель, работающий в ключевом режиме. По принципу работы транзисторный ключ подобен механическому выключателю рисунка 2.8. Функциональные особенности схем с такими ключами рассматриваются в следующей лекции. 2.5 Контрольные вопросы для самопроверки 1 В чём отличие реального ключевого элемента от идеального? 2 Укажите основные отличия нагрузочных характеристик идеального ключа и неидеального ключа. 3 Поясните, как построить нагрузочную характеристику ключевой схемы. 4 Изобразить временную диаграмму, характеризующую работу ключевой схемы с неидеальным ключом без самовозврата. 5 Изобразить временную диаграмму, характеризующую работу ключевой схемы с неидеальным ключом с самовозвратом. 6 Сопротивление внешнего резистора R ключевой схемы рисунка 2.8 равно 2 кОм (R = 2 кОм); напряжение источника питания равно 10 В (Е = 10 В); ток, протекающий через резистор R, равен 1 мА (I = 1 мА). Чему равно напряжение на выходе ключевой схемы, если ключ разомкнут? Ответ обосновать. 7 Справедливо ли утверждение, что у ключевой схемы с неидеальным ключом выходное напряжение в разомкнутом состоянии UВых 1 = 2 В, а выходное напряжение в замкнутом состоянии UВых 0 = 3 В при напряжении источника питания Е = 5 В? Ответ обосновать. 8 Изобразите резисторную модель ключевой схемы и объясните значимость каждого её элемента с привязкой к режимам работы. 9 Чем определяются энергетические потери в ключевой схеме? 35 3 КЛЮЧЕВЫЕ СХЕМЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ. ЛЕКЦИЯ 3 План лекции: а) ключевая схема на биполярном транзисторе; б) МОП-транзисторы, их типы и вольт-амперные характеристики; в) ключевая схема на МОП-транзисторе; г) частотные свойства ключевой схемы на транзисторе. 3.1 Ключевая схема на биполярном транзисторе Рассмотрим полупроводниковую ключевую схему рисунка 3.1, в которой роль ключа выполняет биполярный транзистор npn-типа, включённый по схеме с общим эмиттером. +Е IК R IБ + UВх RБ К Б + UВых = UКЭ Э Обозначения электродов транзистора: К – коллектор; Э – эмиттер; Б – база. Параметры цепей: – IК – электрический ток в цепи коллектора; – IБ – электрический ток в цепи базы; – RБ – резистор в цепи базы, ограничивающий величину базового тока; – UКЭ – разность потенциалов между коллектором и эмиттером. Рисунок 3.1 – Ключевая схема на биполярном транзисторе Входным воздействием, которое управляет состоянием ключевой схемы, служит напряжение UВх , прикладываемое между базой и эмиттером. Когда UВх > 0, в базовой цепи протекает ток IБ > 0, и транзистор открыт (находится в режиме насыщения). Сопротивление транзистора в режиме насыщения очень мало (но не равно нулю), что характеризует замкнутое состояние ключа и схемы в целом. Выходное напряжение UВых = UКЭ Нас ≈ 0. Когда UВх = 0, ток в базовой цепи отсутствует (IБ = 0), и транзистор закрывается, переходя в режим отсечки. Сопротивление транзистора в режиме отсечки очень велико (но не бесконечно, так как транзистор принадлежит группе неидеальных ключей), что характеризует разомкнутое состояние ключа и 36 схемы в целом. Выходное напряжение UВых = UКЭ Отс ≈ E. Итак, из сказанного можно сделать такой вывод: когда входной сигнал ключевой схемы равен нулю, что соответствует логическому нулю, выходное напряжение больше нуля, что соответствует логической единице, и наоборот. Следовательно, данная ключевая схема обладает свойством инверсии входного сигнала (смотри таблицу 3.1 и временные диаграммы на рисунке 3.2). Таблица 3.1 – Электрические и логические параметры ключевой схемы Параметры Режим транзистора электрические UВх UВых = UКЭ UВх = 0 UКЭ Отс > 0 UВх > 0 UКЭ Нас ≈ 0 отсечка насыщение логические вход выход 1 1 UВх t UКЭ = UВых E UКЭ Отс UКЭ Нас t Рисунок 3.2 – Временные диаграммы ключевой схемы на транзисторе Помимо того что транзистор является неидеальным ключом, его вольтамперные характеристики нелинейные, что иллюстрирует рисунок 3.3. IК Е/R А IБ = 0 IБ Нас В IБ Е Отс UКЭ Рисунок 3.3 – Вольт-амперные характеристики и нагрузочная прямая ключевой схемы на биполярном транзисторе 37 На рисунке 3.3 приведены вольт-амперные характеристики транзистора для двух предельных режимов его работы: 1) режим насыщения (ключ замкнут) представлен вольт-амперной характеристикой, помеченной IБ Нас (нас – насыщение). Область над этой характеристикой является запрещённой, так как вход в неё приводит к выгоранию транзистора. Соответствующая конкретным значениям E и R рабочая точка схемы обозначена символом А; 2) режим отсечки (ключ разомкнут) представлен вольт-амперной характеристикой, помеченной IБ Отс = IБ = 0 (отс – отсечка). Область под этой характеристикой является нерабочей и войти в неё можно, только поменяв полярность входного напряжения. Соответствующая конкретным значениям E и R рабочая точка схемы обозначена символом В; 3) режим работы транзистора, определяемый областью между приведёнными вольт-амперными характеристиками, называется усилительным, и для ключевой схемы он нехарактерен, поэтому в лекциях не рассматривается. На вольт-амперных характеристиках отмечены рабочие точки А и В. Их местоположение определяется величиной ЭДС источника питания и величиной сопротивления внешнего резистора. Поскольку вольт-амперные характеристики транзистора нелинейные, то его внутренние сопротивления напрямую зависит от местоположения рабочих точек. Способ определения внутреннего сопротивления ключа с нелинейными вольт-амперными характеристиками рассмотрен во второй лекции (смотри рисунок 2.12). Примечание – студентам предоставляется возможность самостоятельно нанести координаты UКЭ Отс и UКЭ Нас на рисунок 3.2. За помощью можно обратиться к рисунку 2.11. Таким образом, для рассмотренной ключевой схемы, в которой транзистор играет роль неидеального ключа, можно записать КИ = (UКЭ Отс – UКЭ Нас) / Е < 1. (3.1) Ключевые схемы на биполярных транзисторах обладают очень высоким быстродействием. Но в то же время большие тепловые потери на внутреннем сопротивлении, особенно в замкнутом состоянии, и неудовлетворительная технологичность с точки зрения микроинтегральной схемотехники делает их непригодными для широкого применения. Предпочтение отдано другим элементам – МОП-транзисторам (или полевым транзисторам). 3.2 МОП-транзисторы, их типы и вольт-амперные характеристики Основу больших и сверхбольших интегральных схем составляют полевые транзисторы, исполненные по МОП-технологии (МОП – металл-окиселполупроводник). Обладая чрезвычайно малыми размерами, они позволяют раз- 38 местить в ограниченном объёме полупроводника большое количество транзисторов. Существует два основных типа МОП-транзисторов, являющихся комплементарными – взаимодополняющими. Первый тип представляет собой ключ, который находится в режиме насыщения (обладает минимальным внутренним сопротивлением) при отсутствии входного (управляющего) сигнала. При подаче на вход управляющего сигнала транзистор переходит в режим отсечки (обладает максимальным внутренним сопротивлением). Второй тип – это ключ, который находится в режиме отсечки при отсутствии управляющего сигнала. При подаче на вход управляющего сигнала транзистор переходит в режим насыщения. Условные обозначения и входные вольт-амперные характеристики МОП- транзисторов обоих типов, применяемых в ключевых схемах, приведены на рисунке 3.4. Первый тип МОП-транзистора Второй тип МОП-транзистора С С З П И З IС IС П И UВх = UЗИ UВх = UЗИ Электроды транзисторов: С – сток; И – исток; З – затвор; П – подложка. Рисунок 3.4 – Условные обозначения на схемах и входные вольт-амперные характеристики МОП-транзисторов 3.3 Ключевая схема на МОП-транзисторе Ключевая схема на МОП-транзисторе показана на рисунке 3.5, где: – RЗ – сопротивление в цепи затвора (может отсутствовать, так как входное сопротивление МОП-транзисторов очень велико); – IЗ – ток затвора (очень мало); 39 – IС – ток в цепи стока; – UСИ – напряжение сток-исток. +Е IС R С IЗ RЗ З И UВх UВых = UСИ = Рисунок 3.5 – Ключевая схема на МОП-транзисторе второго типа На рисунке 3.5 транзистор включен по схеме с общим истоком. Управление состоянием ключевой схемы осуществляет сигнал UВх , прикладываемый между затвором и истоком транзистора. Когда UВх > 0, транзистор открыт и находится в режиме насыщения. Сопротивление МОП-транзистора в режиме насыщения очень мало (во много раз меньше, чем биполярного транзистора), что характеризует замкнутое состояние ключа и схемы в целом. Выходное напряжение UВых = UСИ Нас ≈ 0. Когда UВх = 0, транзистор закрывается, переходя в режим отсечки. Сопротивление МОП-транзистора в режиме отсечки очень велико (во много раз больше, чем биполярного транзистора), что характеризует разомкнутое состояние ключа и схемы в целом. Выходное напряжение UВых = UСИ Отс ≈ E. Вольт-амперные характеристики МОП-транзистора для режимов насыщения и отсечки показаны на рисунке 3.6. Как видно, они нелинейные, но их форма отличается от формы вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (сравните и сделайте самостоятельно вывод). Переключение транзистора подобно переключению неидеального ключа. IС UЗИ Нас UЗИ Отс UСИ Рисунок 3.6 – Вольт-амперные характеристики МОП-транзистора 40 Примечание – Построение нагрузочной прямой и нанесение характерных координат для данного случая предлагается выполнить в процессе самостоятельной работы и на лабораторном занятии. Комплементарные свойства МОП-транзисторов позволяют избавиться от резистивного элемента в составе ключевой схеме. Более того, можно построить ключевую схему на однотипных транзисторах. Ниже на рисунке 3.7 предлагается два варианта ключевых схем: на однотипных МОП-транзисторах на разнотипных МОП-транзисторах +E +E UВх З С П И З С П И U=0 UВых UВх З С П И З С П И UВых U=0 Рисунок 3.7 – Ключевые схемы на комплементарных МОП-транзисторах Принцип работы таких ключевых схем аналогичен принципу работы схемы на рисунке 2.13, то есть оба ключа изменяют своё состояние синхронно в противофазе. Применение МОП-транзисторов при изготовлении интегральных схем даёт такие преимущества: - элементы схем становятся идентичными; - сокращается количество технологических операций; - снижаются энергопотери при эксплуатации изделий. 3.4 Частотные свойства ключевой схемы на транзисторе Во второй лекции было подмечено, что интервал времени, в течение которого ключевая схема переходит из одного состояния в другое, называется временем переходного процесса (или длительностью переходного процесса). Отсутствие таких переходов свидетельствует об устойчивом состоянии (замкнутом или разомкнутом) ключевой схемы. 41 ОПРЕДЕЛЕНИЕ: устойчивое – это такое состояние объекта или системы, при котором учитываемые параметры не изменяют своего значения в течение определённого интервала времени. В определении не случайно приведена фраза «учитываемые параметры», так как обязательно есть и другие параметры, которые могут изменять свои значения. Однако с точки зрения решаемой в конкретное время задачи эти параметры считаются второстепенными (или несущественными) и ими пренебрегают. ОПРЕДЕЛЕНИЕ: переход объекта или системы из одного устойчивого состояния в другое носит название переходного процесса или переходного режима. Поскольку «переход объекта или системы из одного устойчивого состояния в другое» – это процесс, протекающий во времени, то он характеризуется длительностью и обозначается tПП . Величина tПП колеблется в очень широких пределах и зависит от инерционных свойств объекта или системы. Предполагать, что tПП = 0, можно только в идеальном случае, так как в окружающей нас природе все объекты и процессы обладают инерцией. Инерционность можно отобразить с помощью временнóй диаграммы, например, в случае изменения напряжения от UМин до UМакс, как показано на рисунке 3.8. U UМакс UМин tПП t Рисунок 3.8 – Иллюстрация проявления инерционных свойств Каким же образом инерционные свойства транзистора влияют на частотные свойства ключевой схемы? Для решения поставленной задачи достаточно будет представить ключевую схему в виде рисунка 3.9. X Ключевая схема Y Рисунок 3.9 – Структурный образ ключевой схемы На вход ключевой схемы подаётся последовательность импульсов с выхода источника сигнала (например, генератора). Поскольку нас интересуют 42 процессы, протекающие только внутри ключа, то воспользуемся правом считать, что генератор обладает идеальными характеристиками. При таком допущении генератор является гипотетическим (предполагаемым, но не реальным). С учётом принятого допущения сигнал Х будет иметь форму, показанную на рисунке 3.10. X T1x f1x = 1/T1x t Рисунок 3.10 – Временная диаграмма входного сигнала ключевой схемы Одной из характеристик непрерывного периодического дискретного сигнала является его частота, обозначаемая как f , которую можно определить через период, выделенный на рисунке 3.10. Тогда f1x = 1/T1x. Единицей в индексе помечено исходное значение частоты. В идеальном случае работа ключевой схемы должна подчиняться закону изменения входного сигнала, в частности, сигналы буферной схемы (повторителя) и инвертора будут иметь вид, представленный на рисунке 3.11. X f1x = 1/T1x Входной сигнал ключевой схемы Y t Y t Выходной сигнал буферной схемы Выходной сигнал инвертора t Рисунок 3.11 – Временные диаграммы буфера и инвертора Известно, что повышение тактовой частоты увеличивает быстродействие устройств. Если частота входного сигнала увеличится, то в идеальной ситуации адекватно изменится и частота выходного сигнала, как показано на рисунке 3.12. Как и в любой системе, в полупроводниковых элементах процессы не могут протекать мгновенно (причина – пресловутая инерция). Покажем реакцию ключевой схемы на идеальный входной сигнал. Для этого достаточно взять один импульс из серии, как это представлено на рисунке 3.13. 43 f1x X X t Y f2x > f1x X t Y t f3x > f2x > f1x Y t t t Рисунок 3.12 – Временные диаграммы переключения идеальной ключевой схемы с разной частотой входного сигнала X Идеальный входной сигнал t Y Идеальный выходной сигнал t Y Реальный выходной сигнал tПП tПП t Установившийся режим Рисунок 3.13 – Влияние инерционных свойств ключа на форму выходного сигнала ключевой схемы Для надёжной работы схемы требуется, чтобы после окончания переходного процесса обязательно существовал установившийся режим, то есть частота входного сигнала была достаточной для своевременного завершения переходных процессов, что и помечено на приведённых временных диаграммах рисунка 3.13. На рисунке 3.14 показано, как будет меняться форма выходного сигнала в случае увеличения частоты входного сигнала, при условии, что параметры ключевой схемы не изменились, то есть длительность переходного процесса осталась той же. 44 Передний фронт Задний фронт X X f2x f3x t t Y Y tПП t tПП t tПП а) б) Рисунок 3.14 – Влияние частоты входного сигнала на форму выходного сигнала ключевой схемы Пусть частота входного сигнала, постепенно увеличиваясь, достигла значения f2X (смотри рисунок 3.14,а), при котором длительность входного импульса стала равна длительности переходного процесса. Тогда переходный процесс, как реакция схемы на задний фронт входного импульса, начнётся сразу же по окончании переходного процесса, как реакции схемы на передний фронт входного импульса. Хотя между этими переходными процессами и отсутствует временной интервал установившегося режима, тем не менее схема в состоянии формировать два чётко различимых уровня выходного сигнала 1. Дальнейшее увеличение частоты, например, до значения f3X (смотри рисунок 3.14,б) задаёт ключевой схеме такой режим работы, когда переходные процессы не успевают завершиться полностью. Что происходит внутри ключа при таком условии, затруднительно изобразить графически. Гипотетический вариант изменения выходного сигнала изображён на рисунке точечными кривыми. В данном случае можно однозначно утверждать, что ключевая схема не справляется со своими обязанностями по формированию двух чётко различимых уровней выходного сигнала. Можно определить требования к максимальной частоте входного сигнала с учётом инерционных свойств ключевого элемента, выраженных как tПП , а именно: TX  2  t ПП 1 или f X  1 (2  t ПП ). (3.2) С функциональной точки зрения такой режим работы ключевой схемы допустим, но с точки зрения надёжности он нежелателен. 45 3.5 Заключение Рассмотренные в лекции ключевые схемы являются основой для реализации различных операций и функций булевой алгебры на полупроводниковых элементах. Ключевые схемы на МОП-транзисторах обладают меньшим быстродействием, по сравнению с ключевыми схемами на биполярных транзисторах. Однако, наряду с приведенными в подразделе 3.3 достоинствами, их внутренние сопротивления хорошо приближены к идеальным значениям (к примеру, сопротивление в режиме отсечки около 1012 Ом). Поэтому они и используются преимущественно при построении логических элементов. В дальнейшем вместо реальных ключевых схем будут применяться их модели без какого-либо акцента на значения параметров. Иными словами, считается, что модель ключа обладает характеристиками идеального ключа. С вариантами графического представления моделей ключа и ключевой схемы можно ознакомиться в приложении Б. Современные технологии производства полупроводниковых интегральных схем довели частоту переключения ключей практически до предельных значений. Следовательно, ожидать существенного повышения производительности компьютеров только за счёт увеличения тактовой частоты не приходится. Поэтому конструкторы нашли другие решения, позволяющие далее повышать производительность средств компьютерной техники: – изменение архитектуры компьютеров, систем и сетей – основное направление, реализуемое на современном этапе; – переход на другую элементную базу – замена электронных элементов и систем оптоэлектронными и оптическими (последнее – как перспектива). 3.6 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Даны два ключевых элемента. Сопротивление первого ключевого элемента в разомкнутом состоянии RРаз = 1011 Ом и в замкнутом состоянии RЗам = = 10 –3 Ом, а сопротивление второго ключевого элемента в разомкнутом состоянии RРаз = 1010 Ом и в замкнутом состоянии RЗам = 10 –2 Ом. Какой и двух ключевых элементов обладает параметрами, близкими к идеальным? 2 Каковы принципиальные отличия усилительного режима работы транзистора от ключевого? 3 Можно ли использовать ключевые схемы, приведенные на рисунках 3.1 и 3.5, без резистора в цепи коллектора (стока) транзистора? Ответ пояснить. 4 Если время переходного процесса в транзисторе ключевой схемы равно одной миллисекунде, то может ли он переключаться с частотой 100 КГц? Ответ пояснить. 5 Поясните принцип инвертирования входного сигнала ключевой схемой с транзисторным ключом. 46 6 Заданы вольт-амперные характеристики транзисторного ключа. Для разных параметров E и R (E1, R1 и E2, R2) ключевой схемы построены нагрузочные прямые и отмечены рабочие точки – A1, B1 и A2, B2. Какая ключевая схема по значениям своих внутренних сопротивлений более приближена к идеальной? IК Е1/R1 IБ А1 Е2/R2 НАС А2 В1 В2 Е2 IБ Е1 ОТС UКЭ 7 Объясните, какие факторы влияют на величину коэффициента использования напряжения источника питания ключевой схемой. 8 Что означает свойство «комплементарные характеристики» и как оно реализуется в ключевых схемах? 9 Поясните, какой фактор (или какие факторы) препятствует повышению частоты переключения ключевой схемы до бесконечности и на что он влияет в конечном итоге. 47 4 КЛЮЧЕВЫЕ МОДЕЛИ БАЗОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. ЛЕКЦИЯ 4 План лекции: а) основные логические операции, таблицы истинности; б) ключевые модели буферного и логических элементов основного базиса (НЕ, И, ИЛИ), таблицы состояний, условные обозначения на схемах; в) ключевые модели логических элементов базисов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, таблицы состояний, условные обозначения на схемах. 4.1 Основные логические операции, таблицы истинности Создание электронной версии логического элемента начинается с таблицы истинности той логической операции, которую должен выполнять данный логический элемент. В первой лекции, как констатация факта, было подчёркнуто, что для проектирования дискретных устройств достаточно использовать три логические операции: НЕ, И, ИЛИ, а остальные логические операции могут быть представлены комбинациями этих трёх. По этой причине логические операции НЕ, И, ИЛИ образовали функционально полную систему логических операций. По аналогии, логические элементы, реализующие данные операции, образовали функционально полную систему элементов. Таблицы истинности, соответствующие перечисленным операциям уже приводились в первой лекции, но здесь в контексте рассматриваемого материала следует воспроизвести их повторно в виде таблиц 4.1 – 4.3. Таблица 4.1 – Операция НЕ Таблица 4.2 – Операция И Таблица 4.3 – Операция ИЛИ А F А В F А В F 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 В схемотехнике применяется ещё один элемент, который не относится к логическим, он функционирует как повторитель и носит название буферного. Выполняемая им операция характеризуется таблицей 4.4, откуда следует, что значения (логические) входного и выходного сигналов одинаковые. Таблица 4.4 – Описание операции, выполняемой буферным элементом А F 1 1 48 Назначение буферного элемента – расширять нагрузочную способность элементов, обеспечивая электрическое согласование выходов одних элементов с входами других элементов. В частности, одним из параметров логических элементов является коэффициент разветвления. Он показывает, сколько однотипных элементов может быть подсоединено к выходу данного элемента. И если требуемых соединений больше, чем допустимых, то в схему включают буфер. Пример подобных соединений будет приведён ниже. 4.2 Ключевые модели буферного и логических элементов основного базиса (НЕ, И, ИЛИ), таблицы состояний, условные обозначения на схемах 4.2.1 Практически реализуемые ключевые схемы с двумя транзисторными ключами (например, как на рисунке 3.7) в интегральной схемотехнике получили название переключателей в связи с тем, что при одном значении входного сигнала выход будет связан с точкой нулевого потенциала – корпусом, а при другом значении входного сигнала выход будет связан с положительным полюсом + Е источника питания. Иными словами, переключатель – это схема с двумя разрывами цепи – ключами, которые срабатывают синхронно (одновременно) при изменении входного сигнала, при этом, если один ключ замкнут, то другой – разомкнут, и наоборот. Отсутствие резистора R делает интегральные схемы более технологичными, экономичными (с точки зрения потребляемой мощности) и с низким количеством рассеиваемой тепловой энергии. Модель такого переключателя приведена на рисунке 4.1,а, где верхний ключ разомкнут, а нижний – замкнут (в данном случае не принципиально, какое значение имеет входной сигнал). На изображении модели переключателя (рисунок 4.1,б) физические сигналы заменены их логическими эквивалентами, причём такие же обозначения присваиваются обоим ключам переключателя. +Е UВых (Выход) UВх (Вход) +Е А А F А а) б) Рисунок 4.1 – Модель переключателя Из анализа данных, приведенных в таблице 4.4, следует, что при UВх = 0 (логический нуль) на выходе буферного элемента должно быть напряжение то- 49 же равное нулю, то есть UВых = 0 (логический нуль). При UВх > 0 (логическая единица) на выходе буферного элемента должно быть напряжение тоже больше нуля, то есть UВых > 0 (логическая единица). Учитывая отмеченные особенности переключения буферного элемента, его модель для двух состояний можно представить в виде рисунка 4.2. +Е UВх = 0 А=0 А +Е UВх > 0 А UВых = 0 А=1 F=0 А UВых > 0 F=1 А А а) б) Рисунок 4.2 – Модель буферного элемента 4.2.2 Поменяем местами ключи в переключателе рисунка 4.2 и изобразим полученную модель на рисунке 4.3. При UВх = 0 (А = 0) нижний ключ переключателя разомкнут, а верхний ключ переключателя замкнут и образует цепь, соединяющую выход с +Е (UВых > 0 или F = 1) – смотри рисунок 4.3,а. Если UВх > 0 (А = 1), то верхний ключ переключателя разомкнётся, а нижний замкнётся и создаст цепь, соединяющую выход с корпусом (UВых = 0 или F = 0) – смотри рисунок 4.3,б. Очевидно, что состояние выхода всегда противоположно состоянию входа, что полностью соответствует данным, приведенным в таблице истинности 4.1. Следовательно, модель инвертора адекватна модели логического элемента НЕ, реализующего соответствующую логическую операцию. +Е UВх = 0 А А=0 +Е UВх > 0 А UВых = + E > 0 А=1 F=1 А UВых = 0 F=0 А а) А б) Рисунок 4.3 – Модель инвертора – логического элемента НЕ 50 4.2.3 Второй логический элемент основного базиса – элемент И, реализующий операцию логического умножения (или КОНЪЮНКЦИЮ), которая характеризуется таблицей истинности 4.2 – для двух входных логических переменных. Соответствующая ключевая модель будет содержать два совмещённых в одном корпусе буфера А и В. Буферы соединены так, что их верхние ключи включены последовательно, а нижние – параллельно (смотри рисунок 4.4). +Е +Е I=0 Вход А I=0 Вход А A A 1 B Вход В Выход F Вход В B A B Выход F B A U= 0 U= 0 б) а) +Е +Е I≠0 I=0 Вход А Вход А A A 1 B B Выход F Вход В 1 Выход F Вход В B A U= 0 в) 1 1 B A U= 0 г) Рисунок 4.4 – Ключевая модель логического элемента И Если на входы А и В обоих буферов поданы нулевые сигналы: UВх А = = UВх В = 0 (логические значения А = В = 0), как это показано на рисунке 4.4,а, то верхние ключи буферов будут разомкнуты, а нижние – замкнуты. Замкнутые нижние ключи образуют цепь, связывающую выход модели с корпусом, в результате чего на выходе будет нулевой сигнал, то есть UВых = 0 (логическое значение F = 0). Такое состояние модели соответствует комбинации значений логических переменных из первой строки таблицы 4.2, а на языке булевой ал- 51 гебры это состояние может быть описано как F  A  B. Если на вход А подать напряжение UВх А > 0 (логическое значение А = 1), а на входе В по-прежнему нулевой сигнал UВх В = 0 (логическое значение В = 0), как это показано на рисунке 4.4,б, то: – верхний ключ буфера А замкнётся, а нижний – разомкнётся; – верхний ключ буфера В остаётся разомкнутым, а нижний – замкнутым. Замкнутый нижний ключ буфера В образуют цепь, связывающую выход модели с корпусом, в результате чего на выходе будет нулевой сигнал, то есть UВых = 0 (логическое значение F = 0). Такое состояние модели соответствует комбинации значений логических переменных из второй строки таблицы 4.2, а на языке булевой алгебры это состояние может быть описано как F  А  B. Если на вход А подать нулевой сигнал UВх А = 0 (логическое значение А = 0), а вход В напряжение UВх В > 0 (логическое значение В = 1), как это показано на рисунке 4.4,в, то: – верхний ключ буфера А разомкнётся, а нижний – замкнётся; – верхний ключ буфера В замкнётся, а нижний – разомкнётся. Замкнутый нижний ключ буфера А образуют цепь, связывающую выход модели с корпусом, в результате чего на выходе будет нулевой сигнал, то есть UВых = 0 (логическое значение F = 0). Такое состояние модели соответствует комбинации значений логических переменных из третьей строки таблицы 4.2, а на языке булевой алгебры это состояние может быть описано как F  А  В. Если на входы А и В подать напряжение UВх А > 0 и UВх В > 0 (логические значения А = В = 1), как это показано на рисунке 4.4,г, то верхние ключи обоих буферов замкнутся, а нижние – разомкнутся; Замкнутые верхние ключи буферов образуют цепь, связывающую выход модели с положительным полюсом источника питания +Е, в результате чего на выходе будет сигнал UВых = +Е > 0 (логическое значение F = 1). Такое состояние модели соответствует комбинации значений логических переменных из четвёртой строки таблицы 4.2, а на языке булевой алгебры это состояние может быть описано как F  A  В. Обобщив полученный результат, представим логическую операцию И в виде: 52 – СДНФ функции по истинным значениям – F  A  В; – СДНФ функции по ложным значениям – F  A  B  A * B  A * B. 4.2.4 Третий логический элемент основного базиса – ИЛИ, реализующий операцию логического сложения (или ДИЗЪЮНКЦИЮ), которая характеризуется таблицей истинности 4.3 – для двух входных логических переменных. Соответствующая ключевая модель будет содержать два совмещённых в одном корпусе буфера А и В. Буферы соединены так, что их верхние ключи включены параллельно, а нижние – последовательно (смотри рисунок 4.5). +Е Вход А B A +Е Выход F Вход А B A 1 1 A A Вход В Вход В B B U= 0 U= 0 а) б) +Е +Е Вход А B A Выход F Вход А B A 1 Выход F 1 1 A A Вход В Вход В 1 Выход F 1 B U= 0 в) B U= 0 г) Рисунок 4.5 – Ключевая модель логического элемента ИЛИ Если на входы А и В обоих буферов поданы нулевые сигналы: UВх А = UВх В = 0 (логические значения А = В = 0), как это показано на рисунке 4.5,а, то верхние ключи буферов будут разомкнуты, а нижние – замкнуты. Замкнутые нижние ключи образуют цепь, связывающую выход модели с корпусом, в ре- 53 зультате чего на выходе будет нулевой сигнал, то есть UВых = 0 (логическое значение F = 0). Такое состояние модели соответствует комбинации значений логических переменных из первой строки таблицы 4.3, а на языке булевой алгебры это состояние может быть описано как F  A  B. Если на вход А подать напряжение UВх А > 0 (логическое значение А = 1), а на входе В по-прежнему нулевой сигнал UВх В = 0 (логическое значение В = 0), как это показано на рисунке 4.5,б, то: – верхний ключ буфера А замкнётся, а нижний – разомкнётся; – верхний ключ буфера В остаётся разомкнутым, а нижний – замкнутым. Замкнутый верхний ключ буфера А образуют цепь, связывающую выход модели с положительным полюсом источника питания +Е, в результате чего на выходе будет сигнал UВых = +Е > 0 (логическое значение F = 1). Такое состояние модели соответствует комбинации значений логических переменных из второй строки таблицы 4.3, а на языке булевой алгебры это состояние может быть описано как F  А  B. Если на вход А подать нулевой сигнал UВх А = 0 (логическое значение А = 0), а на вход В подать напряжение UВх В > 0 (логическое значение В = 1), как это показано на рисунке 4.5,в, то: – верхний ключ буфера А разомкнётся, а нижний – замкнётся. – верхний ключ буфера В замкнётся, а нижний – разомкнётся; Замкнутый верхний ключ буфера В образуют цепь, связывающую выход модели с положительным полюсом источника питания +Е, в результате чего на выходе будет сигнал UВых = +Е > 0 (логическое значение F = 1). Такое состояние модели соответствует комбинации значений логических переменных из третьей строки таблицы 4.3, а на языке булевой алгебры это состояние может быть описано как F  А  В. Если на входы А и В подать напряжение UВх А > 0 и UВх В > 0 (логические значения А = В = 1), как это показано на рисунке 4.5,г, то верхние ключи обоих буферов замкнутся, а нижние – разомкнутся; Замкнутые верхние параллельные ключи буферов образуют цепь, связывающую выход модели с положительным полюсом источника питания +Е, в результате чего на выходе будет сигнал UВых = +Е > 0 (логическое значение F = = 1). Такое состояние модели соответствует комбинации значений логических переменных из четвёртой строки таблицы 4.3, а на языке булевой алгебры это 54 состояние может быть описано как F  A  В. Обобщив полученный результат, представим логическую операцию ИЛИ в виде: – СДНФ функции по истинным значениям – F  A  В  A * B  A * B; – СДНФ функции по ложным значениям – F  A  B. 4.3 Ключевые модели логических элементов базисов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, таблицы состояний, условные обозначения на схемах Операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ являются комбинированными, что вытекает из их символических обозначений. Порядок следования символов соответствует последовательности выполняемый простых операций: – в первую очередь выполняется логическая операция И (ИЛИ) над аргументами (или операндами); – затем полученный результат инвертируется. Таблицы истинности этих операций для двух входных логических переменных представлены таблицами 4.5 и 4.6, соответственно. Таблица 4.5 – Операция И-НЕ Таблица 4.6 – Операция ИЛИ-НЕ А В F А В F 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Каждая из этих комбинированных операций представляет собой самостоятельный базис, наряду с функционально полной системой логических операций НЕ, И, ИЛИ. Комбинированная операция И-НЕ называется операцией Шеффера, а комбинированная операция ИЛИ-НЕ – операцией Пирса (по фамилиям авторов этих операций). С технологической точки зрения проще иметь дело только с одним элементом, чем реализовывать схемы с тремя разными элементами. Тем более что любую из трёх операций функционально полной системы можно воспроизвести с помощью только одной из двух комбинированных, хотя это несколько усложняет устройство. Изучению ключевых моделей логических элементов, реализующих комбинированные операции, посвящена одна из лабораторных работ практикума дисциплины. Основным типовым узлом (базовой подсхемой) логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ является инвертор. В процессе выполнения лабораторной работы студенты должны самостоятельно определить количественный состав и 55 схему включения инверторов в составе моделей этих логических элементов. Отправной точкой для такой работы являются таблицы истинности 4.5 и 4.6, а также описания моделей логических элементов И и ИЛИ. 4.4 Заключение Изображения на функциональных и принципиальных схемах буфера и логических элементов, реализующих рассмотренные выше логические операции, приведены в приложении В. На рисунке 4.6 приведён пример применения буфера с целью увеличения нагрузочной способности логического элемента. Нет необходимости отводить каждой логической операции (НЕ, И, ИЛИ) свой элемент – электронную схему. Высокая степень интеграции элементов стала возможной благодаря производству большого числа однотипных базовых элементов. Один из путей упрощения разработки электронных логических схем состоит в использовании инвертора в качестве основного «строительного» блока. & & 1 Буфер 1 Рисунок 4.6 – Пример использования буфера для увеличения нагрузочной способности логического элемента 4.5 Контрольный вопрос для самопроверки Ключевая модель логического элемента содержит два инвертора А и В. Какому логическому элементу соответствует эта модель, состояние которой отображено на рисунке? +Е Вход А A B Выход F Вход В 1 A B U= 0 56 5 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. ЛЕКЦИЯ 5 План лекции: а) организация и операции, выполняемые полупроводниковыми запоминающими устройствами; б) типы полупроводниковых запоминающих устройств; в) основные характеристики полупроводниковых запоминающих устройств; г) диодные постоянные запоминающие устройства; д) постоянные запоминающие устройства на МОП-транзисторах. 5.1 Организация и операции, выполняемые полупроводниковыми ЗУ 5.1.1 Полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ) характеризуются высоким быстродействием, надёжностью, малым потреблением электрической энергии. В кристалле полупроводниковых ЗУ совмещены матрица запоминающих элементов (ЗЭ) и схема управления. Каждый запоминающий элемент хранит один бит информации. Схема управления обеспечивает обращение к ЗЭ. Запоминающие элементы организуются в ячейки, имеющие разрядность от одного до «n» бит. Каждая ячейка имеет свой идентификатор, представленный двоичным кодом, – адрес. Полупроводниковые ЗУ могут выполнять две основные операции: – ввод информации в адресуемую ячейку – запись (WRITE – WR); – вывод информации из ячейки – считывание (READ – RD). Обе операции называются операциями обращения к памяти. 5.1.2 Одна из характеристик запоминающих устройств, оказывающая существенное влияние на их функционирование, носит название организации. Её смысл рассматривается на примере. Пусть запоминающее устройство содержит 1024 запоминающих элементов, что обеспечивает хранение 1024 бита информации. Эти запоминающие элементы могут быть организованы в ячейки по одному ЗЭ в каждой ячейке. Такую организацию условно обозначают (1024 × 1). Если же запоминающие элементы того же запоминающего устройства объединяются по четыре в одной ячейке, то такая организация условно обозначается как (256 × 4). Ещё один вариант организации того же ЗУ – (128 × 8). Все три рассмотренных варианта организации одного и того же ЗУ не изменяют его информационную ёмкость. 5.2 Типы полупроводниковых ЗУ 5.2.1 Если кристалл ЗУ выполняет только операцию RD, он называется постоянным ЗУ (ПЗУ, ROM). ПЗУ бывают трёх типов: 1) ПЗУ, программируемые в процессе изготовления микросхемы с по- 57 мощью фотошаблонов; 2) ПЗУ, позволяющие однократное программирование, – программируемые ПЗУ (ППЗУ, РROM). Запись информации производится на специальных программаторах. Первоначально все ЗЭ микросхемы содержат нули или единицы; 3) ПЗУ, позволяющие многократное занесение информации – стираемые ППЗУ (СППЗУ). К данному типу принадлежит и флэш-память. 5.2.2 Полупроводниковые ЗУ, выполняющие обе операции WR и RD в одну выбранную ячейку, называются ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ, RAM). Они используются для создания оперативной памяти. 5.3 Основные характеристики полупроводниковых ЗУ Полупроводниковые ЗУ имеют большое количество характеристик. К наиболее важным из них относятся следующие: а) информационная ёмкость, измеряемая в битах. Производными от бита единицами являются: байт, килобит, килобайт, мегабит, мегабайт, гигабит, гигабайт и т.д.; б) организация ЗУ (смотри пункт 5.1.2); в) быстродействие, характеризуемое длительностью цикла обращения при записи/считывании; г) допустимый температурный диапазон; д) рассеиваемая мощность; е) допустимая влажность воздушной среды; и пр. 5.4 Диодные постоянные запоминающие устройства Полупроводниковое запоминающее устройство имеет трёхмерную структуру и выполняется в виде чипа (одного или нескольких). Однако с некоторыми допущениями его можно представить в виде двухмерной матрицы, в узлах которой располагаются запоминающие элементы (ЗЭ). Каждая горизонтальная строка из запоминающих элементов образует одну ячейку, а каждый вертикальный столбец является одним разрядом ячеек (смотри рисунок 5.1). На рисунке 5.1 каждый ЗЭ условно выделен пунктирным кружком. Основное требование, предъявляемое к ПЗУ – сохранение записанной в него информации при отключении питания. Это требование обеспечивается конструкцией запоминающих элементов. Самый простой по конструкции ЗЭ – диодный, изображённый на рисунке 5.2. Выборка требуемого запоминающего элемента (или группы запоминающих элементов – ячейки) осуществляется подачей сигнала в соответствующую адресную линию (линия – это один из проводников шины). Считывание производится с разрядной линии (шины), как это показано на рисунке 5.1, где сигналы, соответствующие записанным в ЗЭ дан- 58 ным, обозначены D0, D1, D2, . . . Для установки нужного ЗЭ в единицу в точке пересечения адресной и разрядной линий устанавливается диод. Если диод отсутствует, то ЗЭ хранит ноль. Разрядная шина ЗЭ 11 А0 Номера ячеек Адресная шина А1 А2 А3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 Резистор К шине данных Рисунок 5.1 – Матричная модель полупроводникового ЗУ Адресная линия Разрядная линия Рисунок 5.2 – Конструкция диодного ЗЭ Рассмотрим принцип работы диодного ЗУ на примере рисунка 5.3. Здесь приведена схема диодного ЗУ, содержащего четыре запоминающих элемента – ЗЭ1 – ЗЭ4, которые организованы в две ячейки по принципу (2×2). По определению в двух ЗЭ (ЗЭ2, ЗЭ3) записаны единицы, а в двух других (ЗЭ1, ЗЭ4) – нули. Разрядная шина связана с шиной данных посредством ключей, роль которых выполняют элементы И. Номера ячеек обозначены А0, А1. 59 1 ЗЭ1 ЗЭ2 ЗЭ3 ЗЭ4 А0 К шине данных Ключ А1 & & С1 D0 С2 Сч1 D1 Сч2 Сигнал «Считывание» Рисунок 5.3 – Схема ЗУ с организацией (2 × 2) За исходное состояние ЗУ примем отсутствие сигналов на адресной шине (А0 = А1 = 0) и на управляющих входах (Сч1 = Сч2 = 0). При таких условиях конденсаторы С1 и С2 разряжены, то есть разность потенциалов между их обкладками равна нулю, что эквивалентно нулевым сигналам, вследствие чего на верхних входах ключей присутствуют логические нули. На выходах ключей также будут нулевые сигналы или логические нули (D0 = D1 = 0). Пусть требуется считать информацию, записанную в ячейке с номером А0 . С этой целью на адресную линию А0 подаётся положительный сигнал в виде импульса на рисунке 5.3 (соответствует логической единице), то есть адресованы два запоминающих элемента ЗЭ1, ЗЭ2. В ЗЭ2 по цепи через диод потечёт зарядный ток, и С2, имеющий малую ёмкость, быстро зарядится. Конденсатор С1 по-прежнему будет разряжен. Напряжение на С2 воспринимается нижним на схеме ключом как логическая единица. На верхнем входе верхнего ключа попрежнему присутствует логический ноль. После этого на управляющие входы подаются положительные сигналы считывания, то есть логические Сч1 = Сч2 = = 1. В результате: – на входах верхнего ключа будет комбинация логических значений 01, а на его выходе будет нулевой сигнал, то есть логический ноль (D1 = 0); – на входах нижнего ключа будет комбинация логических значений 11, а на его выходе будет положительный сигнал, то есть логическая единица (D0 = = 1). 60 Таким образом, в результате считывания записанной в верхнюю ячейку ЗУ информации на шину данных будет выставлена кодовая комбинация D0 = 1, D1 = 0. Недостатком диодных ЗУ является низкое быстродействие, вызванное отсутствием в запоминающих элементах активных элементов (например, транзисторов), ускоряющих процессы перезаряда конденсаторов в разрядной шине. Поэтому ЗУ такого типа не получили широкого распространения в компьютерах, а используются в приборах и системах управления производственным технологическим оборудованием. 5.5 Постоянные запоминающие устройства на МОП-транзисторах Наибольшее распространение получили полупроводниковые ПЗУ с запоминающими элементами, выполненными на биполярных, полевых и МОП – транзисторах. Биполярные ЗУ, в силу специфики функционирования биполярных транзисторов, имеют достаточно высокое быстродействие – время обращения 20 – 60 нс, но большую рассеиваемую мощность. ЗУ на полевых и МОПтранзисторах имеют более низкое быстродействие – время обращения 200 – 600 нс, но чрезвычайно малую рассеиваемую мощность. МОП-транзисторный ЗЭ на рисунке 5.4 может хранить единицу (высокий уровень) или ноль (низкий уровень) в зависимости от того, имеет ли исток транзистора связь с корпусом. +Е С З С З И И Адресная линия Разрядная шина Рисунок 5.4 – ПЗУ на МОП – транзисторах У левого на рисунке 5.4 запоминающего элемента исток транзистора соединён с корпусом. Если на адресную линию будет подана логическая единица 61 – высокий относительно корпуса потенциал (UЗИ > 0), транзистор откроется, а поскольку он работает как ключ, то при открывании войдёт в режим насыщения (смотри материал третьей лекции). В режиме насыщения транзистора сопротивление перехода сток – исток бесконечно мало и им можно пренебречь (в этом случае говорят, что «транзистор стягивается в точку»). Как следствие – потенциал стока транзистора и, следовательно, разрядной линии становится равным потенциалу корпуса. У правого на рисунке 5.4 запоминающего элемента исток транзистора изолирован от корпуса. Подача на адресную линию логической единицы – высокого относительно корпуса потенциала – не приведёт к изменению состояния транзистора, то есть он будет находиться в режиме отсечки, а, как известно, в этом режиме сопротивление перехода сток – исток бесконечно велико. Учитывая вышеизложенное, рисунок 5.4 можно представить схемой замещения в виде рисунка 5.5. Считывание записанной в ячейку информации осуществляется с разрядной шины в виде сигналов относительно корпуса. Очевидно, что при считывании сигнал на левой разрядной линии будет близок к нулю (логический ноль), а на правой разрядной линии – близок к +Е (логическая единица). +Е Адресная линия Разрядная шина Рисунок 5.5 – Схема замещения ПЗУ на МОП –транзисторах Таким образом, если исток транзистора связан с корпусом (как это показано в левом на рисунке 5.4 ЗЭ), то данный ЗЭ хранит ноль. Если же исток изолирован от корпуса (как это показано в правом на рисунке 5.4 ЗЭ), то данный ЗЭ хранит единицу. Связь истоков нужных транзисторов с корпусом устанавливается в микросхеме путём металлизации нужных участков кристалла уже после изготовления микросхемы. В полупроводниковых ПЗУ, программируемых пользователем (ППЗУ), в 62 исходном состоянии во всех ЗЭ включаются плавкие перемычки из нихрома или титано-вольфрама, как показано на рисунке 5.6. Перемычки пережигаются в процессе программирования подачей напряжения, превышающего напряжение питания. Например, если напряжение питания ППЗУ равно 5 вольт, то для пережигания перемычек будет достаточно 10 – 12 вольт. +Е С Плавкая перемычка С З З И И Рисунок 5.6 – Схема программируемого ПЗУ 5.6 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Перечислите основные типы полупроводниковых запоминающих устройств. 2 В чём состоит отличие ПЗУ от ЗУПВ? 3 Перечислите и охарактеризуйте разновидности ПЗУ. 4 Что означает организации полупроводникового ЗУ, характеризуемая как (1024 × 8)? 5 Какой код записан в ячейку диодного постоянного запоминающего устройства, изображённую на рисунке? Последовательность разрядов D4D3D2D1D0. Разрядная шина Адресная линия A0 D4 D3 D2 D1 D0 63 6 Какой код записан в ячейку постоянного запоминающего устройства на МОП – транзисторах, изображённую на рисунке? Последовательность разрядов D3D2D1D0. +Е С С З С З И С З И З И И Адресная линия D3 D2 D1 D0 Разрядная шина 7 Каким образом влияет организация полупроводникового запоминающего устройства на продолжительность записи/считывания конкретного объёма данных? 8 В чём заключается разница применения резисторов и конденсаторов в цепях разрядных линий полупроводниковых запоминающих устройств на диодах? 64 6 ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ВЫБОРКОЙ. ЛЕКЦИЯ 6 План лекции: а) классификация запоминающих устройств с произвольной выборкой по принципу действия; б) схема и принцип функционирования статического запоминающего устройства с произвольной выборкой, построенного на логических элементах ИЛИ-НЕ; в) устройство и принцип функционирования динамического запоминающего устройства с произвольной выборкой. 6.1 Классификация запоминающих устройств с произвольной выборкой по принципу действия Запоминающие устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ) относятся тоже к типу полупроводниковых, служат для оперативного запоминания информации и способны хранить её только при включенном питании. По принципу действия различают статические (SRAM) и динамические (DRAM) ЗУПВ. Запоминающими элементами статических ЗУПВ служат триггеры. Они могут быть выполнены по любой технологии. В динамических ЗУПВ носителем информации является накопитель электрического заряда – ёмкость, например, между затвором МОП-транзистора и корпусом.. 6.2 Схема и принцип функционирования статического запоминающего устройства с произвольной выборкой, построенного на логических элементах ИЛИ-НЕ На рисунке 6.1 приведена схема запоминающего элемента статического ЗУПВ, выполненная в виде триггера в базисе ИЛИ-НЕ. R 1 1 Q 2 3 S 1 Q 4 Рисунок 6.1 – Схема триггерного запоминающего элемента статического ЗУПВ 65 Работа триггеров основана на использовании обратных связей, обеспечивающих передачу выходных сигналов на входы. Проанализируем работу триггера на рисунке 6.1, обращая особое внимание на возможности записи, стирания и хранения информации. Процесс смены состояний триггера изображён на рисунке 6.2. R 1 1 1 2 3 S Q 1 1 Q S 2 3 S 1 4 Q R 1 1 Q 1 Q S 1 1 4 в) Q 1 2 3 1 4 1 Q б) 1 1 2 а) R 1 1 3 1 4 R Q г) Рисунок 6.2 – Смена состояний триггера Пусть в исходном состоянии (рисунок 6.2,а) на входах R и S1 (входы 1 и 4 микросхем) присутствуют нули, а на основном выходе Q – единица: соответствующие логические значения показаны под соединительными линиями. Это означает, что в ЗЭ записана единица ( 1 ). Примечание – Рассматриваемый триггер обладает таким свойством, что в момент подачи питания и при наличии нулей на обоих входах, он может случайным образом установиться в любое состояние – 0,1 или 1,0 (но не 1,1 или 0,0). Поэтому и было взято одно из двух возможных состояний: Q =1; Q = 0. Логические единица и нуль на входах 3 и 4 нижней микросхемы создают логи1 S (Set) – установка, R (Reset) – сброс. 66 ческий нуль на её выходе ( 1  0  0 ). Этот нуль на входе 2 совместно с нулём на входе 1 верхней микросхемы поддерживают логическую единицу на её выходе ( 0  0  1 ). Такое состояние будет сохраняться сколь угодно долго, пока R = S = 0 и присутствует напряжение источника питания. Это означает, что триггер хранит один бит информации в виде логической единицы. Пусть на вход R подана логическая единица (рисунок 6.2,б), то есть R = = 1, S = 0. Совместно с нулём на входе 2 она изменит значение на основном выходе с единицы на нуль (Q = 0). Этот нуль совместно с нулём на входе S изменит значение на инверсном выходе с нуля на единицу. Это свидетельствует о том, что была выполнена операция стирания записанного бита информации, то есть обнуление ЗЭ. Такого рода изменения значений выходных сигналов протекают очень быстро, благодаря действию обратных связей. Если снова вернуться к исходному состоянию, то есть R = S = 0 (рисунок 6.2,в), то значения выходных переменных не изменятся. Действительно, нуль и единица на входах 1 и 2 сохранят значение нуль на основном выходе, а два нуля на входах 3 и 4 сохранят значение 1 на инверсном выходе. Это свидетельствует о том, что ЗЭ сохраняет своё состояние при снятии входных сигналов. В данном случае ЗЭ хранит логический нуль. Пусть на вход S подана логическая единица (рисунок 6.2,г), то есть S = = 1, R = 0. Совместно с нулём на входе 3 она изменит значение на инверсном выходе с единицы на нуль. Этот нуль совместно с нулём на входе R изменит значение на основном выходе с нуля на единицу (Q = 1). Это свидетельствует о том, что была выполнена операция записи одного бита информации. В данном случае ЗЭ хранит логическую единицу. 6.3 устройство и принцип функционирования динамического запоминающего устройства с произвольной выборкой Динамические ЗУПВ обладают самой высокой плотностью ЗЭ в единице объёма кристалла. В ЗЭ таких ЗУПВ электрический заряд хранится между затвором и истоком (или стоком) полевого транзистора. В свою очередь, исток (или сток) транзистора соединён с корпусом (смотри рисунок 6.3). Наличие или отсутствие заряда равносильно хранению логических 1 и 0, соответственно. Диэлектрик С З И + – Рисунок 6.3 – Запоминающий элемент динамического ЗУПВ Так как сопротивление изолированного затвора транзистора составляет порядка 1013 – 1014 Ом (то есть меньше, чем бесконечность), расстояние между 67 электродами и их площадь невелики, то занесённый в ёмкость заряд может сохраняться в течение всего десятков миллисекунд. Для восстановления (регенерации) заряда вводится специальный режим работы ЗУПВ динамического типа – режим регенерации. В моделях компьютеров массового производства регенерация заряда осуществляется с частотой примерно 60 циклов с секунду. Таким образом, для реализации одного запоминающего элемента динамического ЗУПВ достаточно одного транзистора, что и обеспечивает их большую плотность. Для сравнения: один ЗЭ статического ЗУПВ содержит минимум четыре ключевые схемы, каждая из которых состоит как минимум из двух транзисторов. 6.4 Контрольные вопросы для самопроверки 1 По рисунку 6.2 с помощью временных диаграмм доказать факт сохранения запоминающим элементом записанного бита информации после снятия входного сигнала S = 1 при R = 0. 2 В чём заключается принципиальное различие таких определений, как «статическое» и «динамическое» запоминающее устройство с произвольной выборкой? 3 Какое схемотехническое решение обеспечивает статическим запоминающим устройствам с произвольной выборкой высокое быстродействие? 68 7 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ПОДВИЖНОМ МАГНИТНОМ НОСИТЕЛЕ. ЛЕКЦИЯ 7 План лекции: а) основные положения доменной теории ферромагнетизма; б) основная кривая намагничивания ферромагнетика. Кривые перемагничивания ферромагнетика и их параметры; в) основные компоненты запоминающих устройств на подвижном магнитном носителе. 7.1 Основные положения доменной теории ферромагнетизма Внешние запоминающие устройства, основанные на использовании механизма магнитной записи, до сих пор широко применяются в компьютерах и компьютерных системах в виде накопителей на магнитных дисках и лентах. Ведущиеся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по повышению эксплуатационных характеристик таких ЗУ свидетельствуют о том, что в обозримом будущем потребность в них не исчезнет. Физической основой магнитной записи является свойство ферромагнитных материалов (в дальнейшем – ферромагнетиков) сохранять состояние остаточной намагниченности после воздействия напряжённости внешнего магнитного поля. Это явление объясняет доменная теория ферромагнетизма. Согласно этой теории весь объём ферромагнетика делится на мельчайшие области, называемые доменами. Они образуются в результате измельчения ферромагнетика в мелкодисперсный порошок, который затем напыляется на какую-либо подложку или спекается в форме сердечников и других компонентов электромагнитных устройств. Каждый домен наглядно можно представить как магнитную стрелку со своим вектором намагниченности. В исходном состоянии эти векторы ориентированы в пространстве произвольным образом, при этом говорят, что имеет место состояние спонтанной (самопроизвольной) намагниченности. В итоге результирующая намагниченность материала относительно внешней среды равна нулю. Хотя все физические объекты имеют трёхмерные формы, положения доменной теории можно пояснить с помощью двухмерной модели. На рисунке 7.1,а показан фрагмент ферромагнетика, состоящего из нескольких доменов и находящийся в состоянии спонтанной намагниченности – векторы намагниченности доменов ориентированы произвольным образом. Если этот ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то векторы намагниченности доменов начнут ориентироваться по направлению действия вектора напряжённости Н внешнего магнитного поля. Степень ориентации векторов намагниченности доменов вдоль вектора Н зависит от величины напряжённости внешнего магнитного поля. Пусть под воздействием внешнего магнитного поля напряжённостью Н1 доменная структура ферромагнетика приобретёт вид рисунка 7.1,б. В результате появится частичная намагниченность материала. Она тем больше, чем 69 большее число доменов будет ориентировано по направлению вектора Н. а) Н1 НМакс б) в) Рисунок 7.1 – Процесс намагничивания ферромагнетика (Н1 < НМакс) Ориентация всех доменов по направлению вектора Н, как показано на рисунке 7.1,в, приводит к насыщению, когда общая намагниченность материала не увеличивается с дальнейшим ростом Н. Значение Н, начиная с которого намагниченность ферромагнетика перестаёт увеличиваться, обозначается НМакс. Если убрать внешнее магнитное поле, то намагниченный ферромагнетик сохранит приобретённое свойство в течение длительного времени до момента очередного воздействия внешнего магнитного поля. Материалы, обладающие способностью сохранять остаточную намагниченность по окончании воздействия внешнего магнитного поля, получили название магнитожёстких материалов. Материалы, лишённые такого свойства, называются магнитомягкими. Таким образом, ферромагнетик, имеющий остаточную намагниченность, можно представить как магнит, что и иллюстрирует рисунок 7.2. Магнитные силовые линии Н Н а) Рисунок 7.2 – Намагниченный ферромагнетик б) 70 7.2 Основная кривая намагничивания ферромагнетика. Кривые перемагничивания ферромагнетика и их параметры Характеристики ферромагнитного материала: основная кривая намагничивания, петля гистерезиса, характеризующая процессы перемагничивания материала, математически определяются выражением B = f (H), (7.1) где B – магнитная индукция; H – напряжённость внешнего магнитного поля. Форма петли гистерезиса близка к прямоугольной. Если напряжённость внешнего магнитного поля меняется в пределах – НГр ≤ Н ≤ НГр, (7.2) где НГр – граничное значение напряжённости внешнего магнитного поля, то перемагничивание происходит по предельному циклу, как показано на рисунке 7.3. В Основная кривая намагничивания ВS = ВМакс BR –НМакс – НГр Н – НС НС НГр НМакс – BR – ВS = – ВМакс Петля гистерезиса – кривая перемагничивания (предельный цикл) Рисунок 7.3 – Характеристики ферромагнитного материала Первоначальный процесс намагничивания ферромагнетика происходит 71 по основной кривой намагничивания при изменении Н в положительную или отрицательную сторону. Как только Н достигнет значения НГр (или – НГр), последующие процессы перемагничивания будут протекать по петле гистерезиса. Если после насыщения уменьшить внешнее магнитное поле до Н = 0, то индукция станет равной остаточной индукции BR (или – BR). Внешнее поле противоположного направления (размагничивающее поле) Н = – НС (или Н = НС) снижает до нуля индукцию материала, где НС – коэрцетивная сила. При циклическом изменении напряжённости Н зависимость B = f (H) принимает вид петли магнитного гистерезиса. Показанная на рисунке 7.3 предельная петля гистерезиса образуется, если НМакс → НS , где НS – напряжённость внешнего магнитного поля, при которой наступает насыщение. При Н < | НГр | материал перемагничивается по частным циклам. При записи цифровых сигналов используется перемагничивание по предельному циклу, а перемагничивание по частным циклам используется при записи аналоговых сигналов. На рисунке 7.4 изображён один из частных циклов перемагничивания, когда рабочая точка обегает траекторию 0 – 1 – 2. В ВS = ВМакс Частный цикл перемагничивания –НМакс – НГр R 2 1 Н – НС НС НГр НМакс – BR – ВS = – ВМакс Рисунок 7.4 – Иллюстрация частного цикла перемагничивания 7.3 Основные компоненты запоминающих устройств на подвижном магнитном носителе В данном подразделе уделено внимание только двум основным компонентам запоминающих устройств массового использования – магнитному диску и магнитной головке записи/считывания. Применяются ЗУ с жёсткими и гиб- 72 кими дисками. Устройства с жёсткими дисками выполняют как ЗУ со стационарным диском и ЗУ со сменным диском. 7.3.1 Основой гибких дисков служит пластическая масса. Ферромагнетик напыляется тонким равномерным слоем на внешнюю поверхность основы. Сверху магнитный носитель покрыт тонким защитным слоем. В накопителях на гибких магнитных дисках применяется контактный способ записи/считывания, то есть магнитная головка касается защитного слоя при выполнении операций записи или считывания. Это разрушает защитный и ферромагнитный слои диска, истирает контактную точку магнитной головки, что снижает надёжность ЗУ, уменьшая количество проходов магнитной головки по одному и тому же месту поверхности. По этой причине значимость гибких дисков утрачена, поэтому будем рассматривать только жёсткие магнитные диски – ЖМД. 7.3.2 Основой ЖМД служит твёрдый материал, как правило, металл. Ферромагнетик в виде нанодисперсного порошка напыляется тонким равномерным слоем на внешнюю поверхность основы. Сверху магнитный носитель покрыт тонким защитным слоем. Магнитный диск фиксируется на оси – шпинделе (стационарно или сменно), который приводится в движение специальным электродвигателем. Чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. В накопителях на ЖМД (НЖМД) применяется бесконтактный способ записи/счтитывания, когда магнитная головка «плывёт» над поверхностью защитного слоя на расстоянии в доли микрон, огибая все возможные неровности. Герметичная конструкция корпуса накопителя на ЖМД препятствует попаданию на поверхность диска частиц крупнее долей микрона, обеспечивая дополнительную защиту. Функциональная и конструктивная надёжность НЖМД в немалой степени зависит от качества привода, вращающего магнитный диск. В зависимости от типа НЖМД привод может работать в одном из двух режимов: – непрерывном, когда диск вращается с постоянной частотой в течение всего времени работы компьютера; – старт-стопном, когда частота вращения диска переменная и целиком зависит от востребованности хранимых на нём данных. 7.3.3 Головка записи/считывания – магнитная головка, позволяющая осуществлять чтение и запись данных на диск. Её упрощенная конструкция показана на рисунке 7.5. Магнитная головка состоит из двух основных частей: сердечника (магнитопровода) и обмотки, в совокупности образующих электромагнит. Сердечник имеет как минимум один рабочий зазор δ – разрыв магнитопровода. Сердечник выполнен из магнитомягкого материала и перемагничивается по основной кривой намагничивания, чтобы исключить остаточную намагниченность. 73 Сердечник δ – рабочий зазор Обмотка из металлического провода i – ток е – ЭДС индукции Магнитный поток Рисунок 7.5 – Конструкция магнитной головки записи/считывания Для записи данных на диск в обмотку подаётся электрический ток, создающий в сердечнике магнитный поток, направление и величина которого определяется направлением и величиной электрического тока. Магнитный поток сердечника является источникам внешнего магнитного поля напряжённостью Н. Для магнитного потока рабочий зазор сердечника представляет очень большое сопротивление, поэтому магнитные силовые линии в области зазора будут искать путь наименьшего сопротивления. Если рядом с зазором поместить участок магнитного носителя информации с ферромагнитным материалом, то магнитные силовые линии замкнутся через этот участок, намагнитив его соответствующим образом: по направлению и величине. Так осуществляется запись информации с помощью магнитной головки описанной конструкции. Считывание записанных на магнитный носитель данных осуществляется следующим образом. Вращающийся диск с намагниченными участками перемещает эти участки вдоль рабочего зазора магнитной головки. Магнитные силовые линии намагниченного участка ферромагнитного покрытия замыкаются вдоль оси сердечника и создают в сердечнике магнитный поток, возбуждающий в обмотке ЭДС индукции, которая передаётся для дальнейшей обработки в схему управления НЖМД. 7.4 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Объясните процессы намагничивания и перемагничивания ферромагнитных материалов с позиции доменной теории. 2 Что такое «домен» ферромагнетика с физической точки зрения и как он образуется? 3 Как протекает процесс начального намагничивания ферромагнетика? 4 В чём отличие предельного и частного циклов перемагничивания? 5 Поясните, от чего зависит качество подвижного магнитного носителя цифровой информации. 6 Объясните устройство магнитной головки записи/считывания и какую роль выполняет каждый конструктивный элемент. 7 При каких условиях величина ЭДС индукции в обмотке магнитной головки будет достигать максимального значения в режиме считывания? 74 8 СПОСОБЫ ЗАПИСИ/СЧИТЫВАНИЯ ДВОИЧНОЙ (ДИСКРЕТНОЙ) ИНФОРМАЦИИ НА ПОДВИЖНОМ МАГНИТНОМ НОСИТЕЛЕ. ЛЕКЦИЯ 8 План лекции: а) модель записи/считывания двоичной (дискретной) информации на подвижный магнитный носитель; б) классификация способов записи двоичной информации; б) принцип записи/считывания двоичной информации способом без возврата к нулю (БВН); в) принцип фазокодированной записи/считывания двоичной информации. 8.1 Модель записи/считывания двоичной (дискретной) информации на подвижный магнитный носитель 8.1.1 Перед записью та или иная физическая величина преобразуется в колебания электрического тока. Ток, проходя по обмотке записывающей головки, создаёт в магнитопроводе магнитный поток. В районе зазора магнитопровода формируется магнитное поле, напряжённость которого пропорциональна току и, следовательно, физической величине. При записи магнитный носитель равномерно движется в поле записывающей головки. Поэтому отдельные участки носителя намагничиваются различно в зависимости от мгновенного значения напряжённости поля. Схематично процесс записи представлен на рисунке 8.1, где изображено только ферромагнитное покрытие без основы и в виде линейной модели. Символ V обозначает линейную скорость перемещения носителя. На рисунке показаны два участка магнитного носителя, намагниченные в противоположных направлениях. Остаточный магнитный поток носителя пропорционален напряжённости магнитного поля в рабочем зазоре сердечника магнитной головки. V S N N i Участки, намагниченные током разной полярности Магнитный поток Рисунок 8.1 – Модель записи дискретной информации на подвижный магнитный носитель S 75 На рисунке 8.2,а показано распределение магнитной индукции в пределах намагниченной области. Размер намагниченной области В Область 1 В В Область 2 в) а) Рисунок 8.2 – Распределение магнитной индукции в намагниченной области Границы области неявные – «размытые». Если две области будут расположены очень близко друг к другу, как на рисунке 8.2,б, то может произойти слияние магнитных индукций, приводящее к искажению записываемых данных. Такое явление препятствует повышению плотности записи. Одно из технических решений, позволившее существенно повысить надёжность хранения записанных данных на ЖМД – это создание накопителей с магнитооптическими дисками (МО-диски). Запись на МО-диски выполняется при взаимодействии лазера и магнитной головки. Луч лазера разогревает до точки Кюри (температуры потери ферромагнетиком магнитных свойств) микроскопическую область записывающего слоя, которая при выходе из зоны действия лазера остывает, фиксируя магнитное поле, наведённое магнитной головкой (смотри рисунки 8.3,а,б). В результате данные, записанные на диск, становятся устойчивы к воздействию сильных внешних магнитных полей и колебаний температуры (от – 20 до + 50 градусов Цельсия). Однако при этом предъявляются повышенные требования к размеру доменов и качеству напыления ферромагнитного слоя. V Нагретая область Лазерный луч Лазер Рисунок 8.3,а – Нагревание намагничиваемой области 76 V i Магнитный поток Лазер Рисунок 8.3,б – Намагничивание предварительно нагретой области 8.1.2 В режиме считывания записанных данных намагниченная область перемещается вдоль рабочего зазора магнитной головки (смотри рисунок 8.4). V S N S N Магнитный поток е Рисунок 8.4 – Модель считывания дискретной информации с подвижного магнитного носителя Магнитные силовые линии намагниченной области ферромагнитного покрытия замыкаются вдоль оси сердечника и создают в сердечнике магнитный поток. Магнитный поток, в свою очередь, возбуждает в обмотке ЭДС индукции е, пропорциональную скорости изменения магнитной индукции носителя е = – w×s×dB/dt, (8.1) где w – количество витков обмотки; s – площадь поперечного сечения магнитопровода. Примечание – В дальнейшем нас будет интересовать только абсолютное значение ЭДС индукции, то есть e = |– w×s×dB/dt |. Вывод. Записанную на магнитный носитель цифровую информацию рассматривают как серию элементарных магнитиков с неизменной длиной. 77 Минимальное расстояние между этими магнитиками и их геометрические размеры определяют наибольшую возможную плотность записи, то есть количество бит на 1 мм длины носителя. Она зависит от: – размера рабочего зазора δ магнитопровода; – расстояния между магнитной головкой и рабочей поверхностью диска; – размера доменов (чем меньше величина домена, тем качественнее ферромагнетик); – качества напыления ферромагнетика на основу, то есть технологии изготовления магнитного носителя; – скорости вращения диска; – длительности импульса тока и пр. В качестве примера можно привести такие значения: при минимальном расстоянии между намагниченными участками 0,5 мкм и рабочем зазоре сердечника магнитной головки δ = 0,25 мкм плотность записи составляет 4×103 бит/мм. 8.2 Классификация способов записи двоичной информации 8.2.1 При записи цифровой информации, выраженной в двоичных кодах, требуется чётко определить два уровня сигналов, возникающих при считывании и соответствующих нулю и единице. Важным условием для таких запоминающих устройств является увеличение информационной ёмкости памяти, то есть уплотнение записи, при возможно меньшем времени обращения (доступа). 8.2.2 Существует ряд способов записи двоичной информации, которые можно подразделить на две группы: запись с возвратом к нулю (ВН) (или запись по трём уровням) и запись без возврата к нулю (БВН) (или запись по двум уровням). При записи по трём уровням магнитный носитель может находиться в трёх состояниях: с положительной или отрицательной остаточной индукцией (соответствующей логическим 1 или 0), а также в полностью размагниченном состоянии с индукцией, равной нулю (возврат к нулю после каждой цифры). Основной недостаток записи ВН заключается в том, что из-за промежутков между записанными цифрами плотность записи оказывается невысокой. Кроме того, амплитуда выходного сигнала (пропорциональна изменению индукции от нуля до ±ВМакс) в два раза меньше, чем при способе записи БВН, где она пропорциональна 2ВМакс (при изменении индукции от – ВМакс до + ВМакс или в обратном направлении). Из-за этих недостатков способ записи ВН не получил широкого распространения в ЗУ дискретной информации. 8.3 Принцип записи/считывания двоичной информации способом без возврата к нулю (БВН) 8.3.1 Наибольшее распространение получили способы записи без воз- 78 врата к нулю (БВН). Они заключаются в том, что намагниченный до насыщения материал перемагничивается в противоположном направлении (инверсируется) при каждой записываемой единице. Рассмотрим процедуры записи и считывания дискретной информации способом БВН-1 (или БВНМ – БВН модифицированный) с помощью временных диаграмм рисунка 8.5. Этот способ называют также способом записи по двум уровням без промежутков. Он рассматривается и в теоретических сведениях одной из лабораторных работ практикума дисциплины для случая записи кодовой комбинации 1 1 0 0 1. Здесь же взята другая кодовая комбинация (смотри рисунок). а) б) U 1 1 1 – записываемый код t iЗап t в) +BМакс t –BМакс г) e +UПор –UПор д) t Uд t е) Uд ИЛИ t з) СИ t и) UВых t ж) З а п и с ь С ч и т ы в а н и е t Рисунок 8.5 – Запись и считывание дискретной информации способом БВН-1 8.3.2 Записываемые данные в виде кодовой комбинации 10011 представлены на диаграмме (а). Они поступает на вход логической схемы, которая с приходом каждой очередной единицы переключает ток усилителя iЗап на противоположный (диаграмма (б)). Этот ток поступает в магнитную головку. При записи нуля ток в головке и состояние носителя не меняются. В результате при записи цифрового кода 10011 индукция вдоль магнитного носителя примет вид, показанный на диаграмме (в). 79 8.3.3 При считывании в обмотке магнитной головки наводятся импульсы ЭДС e = – w×s×dB/dt в моменты прохождения перед её рабочим зазором каждого переключения (инверсии) магнитной индукции на носителе (диаграмма (г)). Своего максимального значения импульсы ЭДС достигают в точке, где значение dB/dt максимальное, – это примерно в центре кривой переходного процесса. При прочих равных условиях амплитуда импульсов ЭДС в два раза больше, чем при других способах записи. Это связано с тем, что перепад индукции составляет 2×BМакс. После усиления усилителем эти импульсы поступают на формирователь прямоугольных импульсов. Его выходные сигналы показаны на диаграммах (д, е). Поскольку начало и конец импульсов ЭДС размыты, то для обеспечения чёткости в работе формирователя прямоугольных импульсов применяются два пороговых значения напряжения ±UПор, которые и определяют начало и конец формируемых прямоугольных импульсов. Далее, после инверсии отрицательных импульсов вся комбинация импульсов Uд подаётся на входы схемы ИЛИ, где они логически суммируются и приобретают вид диаграммы (ж). С выхода схемы ИЛИ импульсы подаются на один вход схемы И, на другой вход которой поступают синхроимпульсы (диаграмма (з)). Во время попарного совпадения импульсов этих двух последовательностей на выходе схемы И формируется комбинация считанных импульсов, соответствующая записанной. 8.4 Принцип фазокодированной записи/считывания двоичной информации Фазокодированная запись является одним из вариантов способа записи по двум уровням. При такой записи единице соответствует переход индукции носителя от +BМакс до –BМакс, а нулю – обратный переход от –BМакс до +BМакс. Эти переходы фиксируются только в том случае, если они происходят в строго определённые моменты времени. Данный вариант записи студенты самостоятельно изучают во время лабораторного практикума и самостоятельной работы. В методических указаниях к соответствующей лабораторной работе приведена заготовка временных диаграмм, на которых зафиксированы упомянутые выше моменты времени. При записи подряд одноимённых знаков (например, двух единиц или двух нулей) обеспечивается дополнительный, промежуточный (фазовый) переход индукции. Он осуществляется в промежутке между моментами появления информационных, то есть записываемых сигналов. С этой целью соответствующим образом должно быть изменено направление тока в магнитной головке. Процедура преобразования сигналов, соответствующих записываемой кодовой комбинации, в кривую изменения тока, подаваемого в обмотку магнитной головки, по своей сути является кодированием. При этом импульсный сигнал преобразуется в потенциальный. Здесь в порядке оказания методической помощи по выполнению лабораторной работы приводится пример формирования кривой тока в соответствии с алгоритмом кодирования для кодовой комбинации 10011 (рисунок 8.6). 80 а) б) 1 U 1 1 – записываемый код t iЗап t Такт Момент фазового перехода Рисунок 8.6 – Кривая изменения тока фазокодированной записи Форма кривой изменения магнитной индукции подобна форме кривой изменения тока в обмотке магнитной головки с поправкой на наличие инерционных явлений в электромагнитных цепях. При построении кривой B(t) можно руководствоваться рисунком 8.5 как образцом. При считывании кода ЭДС e в магнитной головке изменяется в соответствии с изменениями магнитной индукции носителя. Принцип изменения ЭДС тоже показан на рисунке 8.5 (и в методических указаниях к лабораторному практикуму). Выходные сигналы UВых появляются только при совпадении отрицательных импульсов ЭДС с синхроимпульсами. В свою очередь, эти синхроимпульсы не являются внешними, а формируются системой управления накопителя. То есть имеет место самосинхронизация. С этой целью ЭДС магнитной головки выпрямляется и формируется сигнал U. Самосинхронизация позволяет повысить плотность записи. 8.5 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Поясните, от чего зависит качество подвижного магнитного носителя цифровой информации. 2 Объясните особенности способа записи дискретной информации по трём уровням, а конкретно – с возвратом к нулю. 3 Почему способ записи дискретной информации с возвратом к нулю не нашёл широкого применения? 4 Объясните, каким образом формируется ЭДС индукции в обмотке магнитной головки при считывании дискретной информации с подвижного магнитного носителя. 5 Почему форма индукции вдоль магнитного носителя не прямоугольная? (Смотри диаграмму (в) на рисунке 8.5). 6 Объясните, какие факторы определяют плотность записи данных на подвижный магнитный носитель. 7 Имеется два запоминающих устройства с подвижными магнитными носителями. В одном устройстве реализован способ записи с возвратом к нулю, а в другом – без возврата к нулю. Можно ли однозначно утверждать, что при прочих равных условиях у второго устройства величина ЭДС индукции в обмотке магнитной головки в режиме считывания будет больше, чем у первого устройства? 81 9 ОПТОЭЛЕКТРОНИКА. ЛЕКЦИЯ 9 План лекции: а) причины возникновения и развития оптоэлектроники; б) некоторые положения теории света; в) номенклатура оптоэлектронной элементной базы. 9.1 Причины возникновения и развития оптоэлектроники Применение исключительно электронных приборов и металлических проводников является тормозом для дальнейшего повышения производительности средств компьютерной техники, поскольку они обладают серьёзными недостатками: а) низкой помехозащищённостью, требующей надёжного их экранирования от влияния внешних и внутренних магнитных, электромагнитных, электрических полей и радиации; б) большой массой металла (кабели, трансформаторы); в) потребностью в изоляции; г) сравнительно большой продолжительностью переходных режимов. С другой стороны, применение исключительно электронных приборов и металлических проводников не позволяет достичь требуемых в настоящее время показателей, обеспечивающих эффективное использование средств компьютерной техники, а именно: а) скорости передачи информации по линиям связи 108 - 1010 бит/с, по шинам компьютера 1010 - 1012 бит/с; б) информационной ёмкости памяти свыше 1013 бит. Решать данную задачу помогает применение устройств, создаваемых при совместном применении электронных и оптических методов и законов, то есть оптоэлектроники. ОПРЕДЕЛЕНИЕ: оптоэлектроника – это раздел науки и техники, изучающий как оптические, так и электронные явления в веществах, их взаимные связи и преобразования, а также приборы, схемы и системы, созданные на основе этих явлений. Хорошим подспорьем в достижении поставленных целей оказывают интенсивно развивающиеся нанотехнологии, в частности, наноэлектроника и нанофотоника. 9.2 Некоторые положения теории света Физическим носителем информации в оптических и оптоэлектронных приборах и устройствах является свет (световые волны или нейтральные фотоны). Это обеспечивает следующие преимущества: 82 а) высокую информационную ёмкость оптического канала – в 103 ÷ 105 раз выше, чем ёмкость радиотехнического канала. Это обусловлено высокой частотой световых волн – (1013 ÷ 1015)Гц; б) большую плотность записи информации (до 106 бит/мм2), так как малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает возможность фокусировки луча лазера на площадке в 1 мкм2; в) высокую помехозащищённость каналов связи и отсутствие взаимных наводок; г) однонаправленность передачи сигнала и, как следствие, отсутствие обратного воздействия приёмника на источник информации – «эхо». Однако это преимущество заставляет применять два волокна: одно – для прямой, а второе – для обратной передачи сигнала. Оптоэлектронные приборы используют для своей работы электромагнитное излучение оптического диапазона. Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные волны с длиной волны λ от 1 нм до 1 мм. Деление этого диапазона на поддиапазоны показано на рисунке 9.1. Ультрафиолетовое (УФ) излучение 1 нм Видимое излучение 0,38 мкм Инфракрасное (ИК) излучение 0,78 мкм 1 мм Рисунок 9.1 – Состав оптического диапазона электромагнитных волн В ряде случаев в технике оптическое излучение характеризуется не длиной волны, а частотой световых колебаний ν, причём справедливы соотношения ν = 3×1014 / λ, где [ν] = Гц и [λ] = мкм. Функционирование ряда оптических устройств предъявляет определённые требования к параметрам световых волн. Одним из таких параметров является когерентность. ОПРЕДЕЛЕНИЕ: когерентность – это абсолютная согласованность между фазами колебаний излучения в различных точках пространства в один и тот же момент времени (или в одной и той же точке пространства в различные моменты времени). Как известно, существует две теории света (точнее, два подхода в трактовке природы света). Первая – волновая, вторая – корпускулярная (фотонная). Источниками фотонов являются электроны, которые испускают фотоны в процессе уменьшения своего энергетического потенциала, то есть при переходе с высокоэнергетического на низкоэнергетический уровень. Энергия, которой об- 83 ладает фотон, воспринимается нами как элементарная световая волна, наделённая (опять же теорией) электрической и магнитной характеристиками. Нам же достаточно будет только одной характеристики – электрической. Итак, когерентными будут считаться две световые волны, носителями которых являются фотоны с одинаковой энергией. Графически это можно изобразить в виде рисунка 9.2. Абсолютно когерентным является лишь монохромное излучение. Точка пространства 1 Точка пространства 2 Момент времени 1 Момент времени 2 Рисунок 9.2 – Иллюстрация когерентности двух световых волн ОПРЕДЕЛЕНИЕ: плоскопараллельный монохромный луч света – это луч, электромагнитные колебания в котором происходят с одной строго постоянной частотой. Это свойство описывается уравнением: E  e  E0  cos2     t  (2    n / c)  x , где E – вектор напряжённости электрического поля волны; e – единичный вектор, характеризующий направление поляризации; E0 – амплитуда; ν – частота колебаний; t – время; n – показатель преломления среды; c – скорость света в вакууме; x – координата в направлении распространения луча; 2     t  (2    n / c)  x   – фаза колебаний. Графическая интерпретация выражения (9.1) представлена на рисунке 9.3. (9.1) 84 х Е0 е T (ν = 1/T) Рисунок 9.3 – Графическая интерпретация уравнения волны 9.1 Если генерация электромагнитных колебаний происходит в атомах вещества независимо друг от друга, то параметры е, Е0, ν и фаза в уравнении волны различны для всех осцилляторов – фотонов. Такое излучение называется естественным или некогерентным. Направление поляризации определяет плоскость, в которой происходит колебание вектора Е. Если при распространении луча плоскость поляризации остаётся неизменной, то такое излучение называется плоскополяризованным (или линейнополяризованным). Уравнение 9.1 описывает идеальное монохромное излучение, которое на практике недостижимо. Излучение реальных источников занимает определённый интервал оптического диапазона, характеризуемый шириной спектра излучения. С помощью лазеров удаётся получить излучение с высокой степенью когерентности. 9.3 Номенклатура оптоэлектронной элементной базы Передача информации в оптоэлектронных приборах и устройствах осуществляется электрически нейтральными фотонами. Это обеспечивает им преимущества, основные из которых были перечислены в подразделе 9.2. Элементную базу современной оптоэлектроники составляют следующие группы приборов: – источники излучения (светодиоды, лазеры1); – фотоприёмники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоточувствительные приборы с зарядовой связью – ПЗС); – приборы для отображения информации; – оптические каналы связи. В дальнейшем будет уделено внимание источникам излучения (светодиодам и лазерам), фотоприёмникам (фотодиодам), оптическим каналам связи. 1 Лазер – квантовый генератор оптического излучения (light Amplification by Stimulation Emission of Radiation). 85 10 ИСТОЧНИКИ И ПРИЁМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ЛЕКЦИЯ 10 План лекции: а) источники оптического излучения: положения энергетической теории генерации электромагнитных волн люминесцирующим веществом, светодиоды (конструкция и принцип действия), лазеры (конструкция и принцип действия); б) приёмники оптического излучения: понятие фотоэффекта, конструкция и принцип действия диодного фотоприёмника (фотодиода). 10.1 Источники оптического излучения: положения энергетической теории генерации электромагнитных волн люминесцирующим веществом, светодиоды (конструкция и принцип действия), лазеры (конструкция и принцип действия) 10.1.1 В оптоэлектронике применяют излучатели, построенные на основе люминесценции. Под ней понимают нетепловое электромагнитное излучение, которое сохраняется в течение некоторого времени после окончания возбуждения. Рассмотрим механизм генерации электромагнитных волн с помощью рисунков. На рисунке 10.1 показано расположение электронов на низкоэнергетических уровнях W1 в невозбуждённом атоме люминесцирующего вещества. Такое состояние атома стабильное и может сохраняться сколь угодно долго вплоть до начала воздействия внешней энергии. Межатомное пространство – – – – – – – – – W3 Высокоэнергетические уровни W2 Метастабильный уровень W1 Низкоэнергетические равновесные уровни Рисунок 10.1 – Невозбуждённое состояние атома люминесцирующего вещества За счёт энергии внешнего воздействия часть электронов с нижних равновесных энергетических уровней W1 переходит на уровни с большей энергией 86 W3, при этом некоторые электроны могут покинуть атомы и выйти в межатомное пространство, как показано на рисунке 10.2. – Межатомное пространство – – – – – – – – – – – – – W3 Высокоэнергетические уровни W2 Метастабильный уровень W1 Низкоэнергетические равновесные уровни Рисунок 10.2 – Возбуждённое состояние атома люминесцирующего вещества Затем в результате быстрых безизлучательных переходов, помеченных цифрой 1 на рисунке 10.3, электроны, находящиеся на высокоэнергетических уровнях, оказываются на метастабильном уровне возбуждения W2. – Межатомное пространство – – W3 Высокоэнергетические уровни W2 Метастабильный уровень W1 Низкоэнергетические равновесные уровни 1 – – – – – – – – – – – Рисунок 10.3 – Безизлучательный переход электронов на метастабильный уровень 87 При возвращении этих электронов с уровня W2 на уровень W1 , как показано цифрой 2 на рисунке 10.4, происходит испускание фотонов с длиной волны, определяемой соотношением λ = 1,23*( W2 - W1). – – 2 Межатомное пространство – – – – – – – – Высокоэнергетические уровни W2 Метастабильный уровень Фотоны – – W3 – – W1 Низкоэнергетические равновесные уровни Рисунок 10.4 – Испускание фотонов электронами При спонтанном (неодновременном) возвращении электронов на уровень W1 источник излучает естественный свет. Однако можно создать такие условия, при которых практически все электроны будут одновременно возвращаться на уровень W1. В этом случае излучатель генерирует монохромное излучение. 10.1.2 К излучателям относятся светодиоды и лазеры. Светодиоды характеризуются высоким КПД, узким спектром излучения и узкой диаграммой направленности (смотри рисунок 10.5). Работа светодиода основана на генерации оптического излучения в (p – n) – переходе, находящемся под прямым внешним напряжением. Осевая линия Линза Световая энергия (~ 90%) + U – Направление и величина излучаемой энергии Рисунок 10.5 – Конструкция полупроводникового светодиода 88 Другую группу излучателей составляют лазеры. Они генерируют монохромное излучение. Лазеры бывают двух видов: газовые и твёрдотельные. Последние имеют гораздо меньшие габариты и более высокий КПД по сравнению с первыми. Поэтому в микроэлектронике применяются твёрдотельные лазеры. Конструкция одного из твёрдотельных лазеров показана на рисунке 10.6. Фиксатор Стержень Теплоотвод Светодиод Рисунок 10.6 – Конструкция твёрдотельного лазера Основу твёрдотельного лазера составляет стержень активного вещества с тщательно отполированными зеркальными торцами. Это делается для того, чтобы точнее сфокусировать излучаемый свет в очень тонкий луч. Показанная в правой части рисунка 10.6 диаграмма демонстрирует распределение световой энергии в пространстве (сравните с аналогичной диаграммой светодиода на рисунке 10.5). Для возбуждения активного вещества используется система оптической накачки – в данном случае светодиод. К преимуществам лазеров относятся: – большая мощность излучаемой энергии; – длина излучаемой световой волны (λ = 1,06 мкм) удачно сочетается с полосой прозрачности волоконно-оптической линии связи; – механическая прочность; – температурная и радиационная стойкость. В заключении следует отметить, что генерация монохроматического излучения достигается и в полупроводниковых лазерах, но они по ряду характеристик уступают твёрдотельным. 10.2 Приёмники оптического излучения: понятие фотоэффекта, конструкция и принцип действия диодного фотоприёмника (фотодиода) Фотоэлектрический приёмник (или фотоприёмник) – это оптоэлектронный прибор для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. Под действием оптического излучения в теле полупроводника образуются дополнительные свободные носители заряда. Этот процесс называется фотоэффектом. 89 Основу большинства используемых фотоприёмников составляют диодные структуры. Они просты, технологичны, имеют высокие значения чувствительности и быстродействия. Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на (p-n)-переход (рисунок 10.7). Вывод Ф – световой поток + I Прям – прямой ток Р ( p-n)-переход Е n Фототок – Вывод Рисунок 10.7 – Структура фотодиода В равновесном состоянии, когда поток излучения отсутствует (Ф = 0), характеристики фотодиода полностью соответствуют обычной (p-n)-структуре (характеристика 1 на рисунке 10.8). I ФД Характеристика 1 (Ф = 0) Ф1 < Ф2 Характеристика 2 (Ф1 > 0) Характеристика 3 (Ф2 > 0) E Рисунок 10.8 – Вольт-амперные характеристики фотодиода 90 При воздействии внешнего светового потока (Ф > 0) в направлении, перпендикулярном плоскости ( p-n)-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещённой зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. В результате появляется фототок, обусловленный дрейфом неосновных носителей. Фототок направлен встречно основному току, вызванному внешней ЭДС Е (на рисунке 10.7 основной ток обозначен как I Прям). Алгебраическая сумма фототока и прямого тока на рисунке 10.8 обозначена как I ФД – ток фотодиода. Для возбуждения фототока спектральные характеристики фотодиодов должны быть аналогичны спектральным характеристикам светодиодов и лазеров. Наряду с фотодиодами в оптоэлектронике применяются и другие виды фотоприёмников (смотри выше), но в системах обработки и передачи дискретной информации фотодиоды занимают главенствующие позиции. 10.3 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Объясните, почему спектр оптического диапазона электромагнитных волн является дискретным, а не непрерывным. 2 Дайте характеристику такому свойству световых волн, как когерентность. 3 Какое световое излучение считается плоскопараллельным монохромным? 4 Дать характеристику энергетического механизма люминесценции. 5 Какова особенность монохромного светового излучения? 6 Каковы принципиальные отличия лазеров от светодиодов (и наоборот)? 7 Объясните, что понимают под «диаграммой направленности»? 8 Объясните механизм образования фототока в кристалле фотодиода. 9 Дать толкование характеристикам 1, 2, 3 на рисунке 10.8. 91 11 ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ. ЛЕКЦИЯ 11 План лекции: а) понятие волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и её место в составе канала передачи данных; б) основные преимущества ВОЛС перед проводными линиями связи; в) принцип передачи световой энергии по волоконному световоду – эффект полного внутреннего отражения; г) типы волоконных световодов и их параметры. 11.1 Понятие волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и её место в составе канала передачи данных 11.1.1 Переход к оптическому диапазону электромагнитных волн позволил существенно увеличить пропускную способность каналов связи и повысить их помехоустойчивость. Однако открытые линии связи, в которых закодированная в луче света информация передаётся через воздушное пространство, оказались ненадёжными, так как множество внешних факторов существенно влияют на характеристики окружающей среды. Проблема была решена с массовым использованием волоконных световодов, ставших аналогами электрических кабелей. Воздушная среда продолжает использоваться для передачи на короткие расстояния – единицы метров. Это, например, беспроводные манипуляторы и клавиатура, линии связи локальных сетей. 11.1.2 В общем виде волоконно-оптический канал связи (ВОКС) включает (смотри рисунок 11.1): Источник сообщения Передатчик КУ ИИ М Оптический кабель Р Приёмник ПИ У ДКУ Приёмник сообщения Рисунок 11.1 – Состав волоконно-оптического канала связи – КУ – кодирующее устройство; – ИИ – источник излучения; – М – модулятор; – оптический кабель – ВОЛС; – Р – ретранслятор; – ПИ – преобразователь светового излучения в электрический сигнал; – У – усилитель; – ДКУ – декодирующее устройство. Сообщение, формируемое источником сообщения, поступает на вход КУ 92 и после кодировки – на вход передатчика, состоящего из источника излучения и модулятора. В качестве источника излучения в системах оптической связи используются твёрдотельные и полупроводниковые лазеры, а также светодиоды. Модулятор управляет интенсивностью излучения, поступающего от источника излучения. Таким образом, по оптическому каналу распространяется переменный оптический сигнал, несущий закодированную информацию. При большой протяжённости оптического кабеля наблюдается сильное ослабление светового луча, поэтому для восстановления его интенсивности применяется ретранслятор. В приёмнике оптическое излучение вновь преобразуется в электрический сигнал и усиливается по мощности усилителем. Декодирующее устройство расшифровывает переданную информацию, формируя сообщение, принимаемое приёмником сообщения. Состав реальных ВОКС может отличаться от рассмотренного. Кроме того, разработанные в настоящее время технологии позволяют создавать оптические магистральные каналы связи, в которых отсутствуют преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот. Такие каналы работают на мультигигабитных и терабитных скоростях. 11.2 Основные преимущества ВОЛС перед проводными линиями связи К преимуществам ВОЛС по сравнению с проводными линиями связи можно отнести следующие: а) широкий диапазон рабочих частот – 1 ГГц и выше, что позволяет по одной паре оптических волокон передавать до 1010 телефонных разговоров или 106 телепрограмм; б) высокая помехоустойчивость от внешних электромагнитных воздействий и межканальных взаимных наводок; в) малые габаритные размеры и масса из-за отказа от тяжёлых экранирующих оболочек, что даёт, например, в бортовой аппаратуре выигрыш по сравнению с электрическими кабелями в 3 – 5 раз; г) обеспечение секретности передаваемой информации, так как ВОЛС практически не даёт излучения в окружающее пространство, а изготовление отводов приводит к нарушению целостности оптического кабеля; д) низкая стоимость материала, так как цветные металлы заменяются дешёвыми сырьевыми ресурсами (стекло, кварц, полимеры), хотя технология изготовления оптических волокон пока ещё дорогая; е) надёжная техника безопасности. В ВОЛС применяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, то есть излучение с длиной волны более 760 нм. 93 11.3 Принцип передачи световой энергии по волоконному световоду – эффект полного внутреннего отражения 11.3.1 Основу ВОЛС составляют волоконные световоды, передача световой энергии по которым осуществляется за счёт эффекта полного внутреннего отражения. Это явление наблюдается при падении луча света на границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 , когда излучение распространяется в оптически более плотном материале. При больших углах падения φПад > φКр, где φКр = arcsin (n2 / n1), (11.1) вся энергия световой волны отражается в первую среду. 11.3.2 Принцип передачи оптического излучения в двухслойном цилиндрическом волоконном световоде поясним с помощью рисунка 11.2. φПад n1 > n2 φ0 Рисунок 11.2 – Передачи оптического излучения по волоконному световоду Внутренняя жила оптического кабеля изготавливается из материала с большим показателем преломления, чем внешняя оболочка (n1 > n2). Для лучей, входящих в световод под малым углом, угол падения на границу раздела сердцевина – оболочка оказывается больше критического. В результате полного внутреннего отражения такие лучи света практически без потерь отражаются от поверхности внешнего слоя, распространяясь вдоль оси волоконного световода. 11.3.3 Максимальный угол отклонения от оси световода, при котором ещё выполняется условие полного внутреннего отражения, определяется соотношением  0 max  arcsin n12  n22 ; sin 0 max  A0 . (11.2) Величина А0 называется числовой апертурой волоконного световода. Лучи, входящие в торец световода под углами φ0 > φ0 max (внеапертурные лучи), при отражении от границы раздела внутренней жилы и оболочки частично преломляются, как показано на рисунке 11.3. При этом часть энергии передаётся во внешний слой и там рассеивается. При многократном отражении и преломлении энергия таких лучей резко уменьшается, в результате они практически не 94 достигают фотоприёмника. φ0 > φ0 max Рисунок 11.3 – Потери световой энергии в волоконном световоде 11.3.4 В световодах другого типа, носящих название селфоков или градиентных световодов, показатель преломления изменяется не ступенчато, а постепенно. Центральная часть волокна выполнена из материала с наибольшим показателем преломления. По мере удаления от оси оптическая плотность среды уменьшается. В таких световодах направление распространения лучей меняется плавно, как показано на рисунке 11.4. n φ0 Рисунок 11.4 – Распространение светового луча в селфоке 11.4 Типы волоконных световодов и их параметры 11.4.1 В зависимости от назначения и расстояния между передатчиком и приёмником ВОЛС подразделяют на линии: а) большой протяжённости или магистральные, предназначенные для дальней связи (более 50 км). К ним предъявляют высокие требования по пропускной способности (более 108 бит/с) и малому затуханию. Этим требованиям удовлетворяют кварцевые волокна типа селфоков. В качестве источников излучения применяют твёрдотельные лазеры, а приёмников – фотодиоды; б) средней протяжённости или внутригородские, обеспечивающие связь высокопроизводительных компьютеров с отдалёнными абонентскими пунктами и устройствами сбора первичных данных. Эти ВОЛС характеризуются меньшей скоростью передачи информации и более сильным затуханием (по сравнению с магистральными ВОЛС). В качестве материала служит кварц. Источники излучения – полупроводниковые лазеры, приёмники излучения – фотодиоды; в) малой протяжённости или внутриобъектные, служащие для организации связи между процессорами в вычислительных комплексах, между узлами локальных и корпоративных сетей и пр. Небольшая протяжённость позволяет использовать простые стеклянные волокна с большим затуханием, а также про- 95 стые источники и приёмники светового излучения. 11.4.2 Рассмотрим особенности распространения волн в световодах. Световой импульс, проходя по волокну, из-за явления дисперсии изменяет свою форму – «размазывается», как показано на рисунке 11.5. Дисперсия бывает двух видов: – модовая1; – молекулярная. Световой поток Световой поток или Посланный импульс t Принятые «размазанные» импульсы t Рисунок 11.5 – Иллюстрация искажения формы светового импульса Межмодовая дисперсия возникает в многомодовом волокне из-за разности длин траекторий, проходимых лучами разных мод (смотри рисунок 11.6). Она определяется как разность времени прохождения единицы длины волокна различными модами. Её значения для волокна со ступенчатым профилем лежат в пределах 15 – 30 нс/км. 1 n + U – 2 Входной импульс 3 Выходной импульс Рисунок 11.6 – Распространение световых лучей в многомодовом волокне со ступенчатым профилем Пусть имеется оптоволокно со ступенчатым профилем и источник излучения, у которого выделим три луча – 1, 2, 3, считая сверху. Подавляющая часть световой энергии сосредоточена в луче 2, а лучи 1 и 3 несут гораздо 1 Мода (Mode) – возможный путь распространения светового луча по оптоволокну. 96 меньшую часть световой энергии (вспомните диаграмму направленности !). Самой короткой будет мода у луча 3 и он первым достигнет фотоприёмника. Затем появится луч 2, а за ним – луч 1. Не исключено, что луч 1 будет внеапертурным, поэтому он потеряет бóльшую часть своей энергии во внешней оболочке за счёт преломления. Если на входе оптоволокна будет прямоугольный световой импульс, то выходной импульс будет напоминать треугольник. Межмодовую дисперсию можно уменьшить, сокращая количество мод за счёт уменьшения диаметра сердцевины – в пределе до одномодового (смотри рисунок 11.7). Тогда форма выходного импульса света будет приближена к форме входного импульса. U + – n Входной импульс Выходной импульс Рисунок 11.7 – Распространение световых лучей в одномодовом волокне со ступенчатым профилем Кроме того, межмодовую дисперсию уменьшает применение градиентного профиля показателя преломления (смотри рисунок 11.8). В данном случае моды, идущие по длинным траекториям, значительную часть пути проходят по среде с меньшей плотностью – их скорости больше, и приходят они почти одновременно с модами более коротких траекторий. При этом обеспечивается качество передачи сигналов не хуже, чем в одномодовом волокне со ступенчатым профилем. В то же время, наличие в сигнале многих мод снижает энергетические потери и позволяет передавать сигналы на большие расстояния. U + – Рисунок 11.8 – Распространение световых лучей в многомодовом волокне с градиентным профилем n 97 Молекулярная или спектральная дисперсия вызвана тем, что волны с разной длиной распространяются в одной и той же среде с разной скоростью. Присутствие волн разной длины в световом потоке обусловлено неидеальностью источника светового излучения. На данный момент не созданы источники абсолютно монохромного излучения. И даже самые качественные источники излучают не одну волну, а спектр (пусть и узкий). Известно (из физики !), что волны разной длины будут достигать приёмника не одновременно. Молекулярная дисперсия существенна для одномодового волокна, а в многомодовом её влияние малозаметно. 11.4.3 Несмотря на значительное конструктивное разнообразие ВОЛС, они имеют ряд общих элементов. На рисунке 11.9 показана конструкция волоконного световода. Волоконные световоды прежде всего покрывают тонкой защитной плёнкой, исключающей влияние жил друг на друга. У селфока нет оболочки, так как сама сердцевина имеет плавно изменяющийся (градиентный) показатель преломления. Моды не достигают внешней границы сердцевины. Световоды объединяют в кабели, конструкции которых представленны на рисунке 11.10 Защитная плёнка Центральный проводник света (сердцевина) Оболочка, обладающая меньшим показателем преломления, чем сердцевина Рисунок 11.9 – Конструкция волоконного световода Многомодовые Одномодовые Рисунок 11.10 – Конструкции ВОЛС (кабелей) 98 Для придания некоторой жёсткости жгут световодов объединяют общей оболочкой. Для увеличения усилия на разрыв в конструкцию кабеля вводят силовые (упрочняющие) элементы. Все защитные оболочки и силовые элементы – полимерные. Однако кабели имеют броню из тонкой стальной ленты, поскольку они могут использоваться для прокладки протяжённых магистральных линий связи. Несмотря на это, кабели малую массу кабеля (2 – 200 г/м), хорошую эластичность (радиус изгиба 5 – 50 см при наружном диаметре 2 – 20 мм), а прочность на разрыв лежит в пределах (10 – 100 Н). 11.5 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Перечислите основные компоненты и выполняемые ими функции оптического канала связи. 2 Перечислите преимущества волоконно-оптических линий связи по сравнению с проводными линиями связи. 3 Сформулируйте требования к совместному расположению продольных осей источника светового излучения и волоконного световода с точки зрения реализации эффекта полного внутреннего отражения. 4 Каковы особенности передачи светового излучения по градиентному волоконному световоду? 5 Дайте характеристику апертурным и внеапертурным световым лучам. 6 Чем отличаются требования к ВОЛС в зависимости от их назначения и расстояния между передатчиком и приёмником информации? 7 Перечислите основные компоненты ВОЛС, выполненных в виде кабеля, и сформулируйте назначение этих компонентов. 8 Какой тип оптического волокна обеспечивает наиболее качественную передачу светового импульса на большое расстояние и чем это обусловлено? 9 Объясните причину появления нескольких мод при передаче светового излучения по оптическому волокну. 99 12 ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ. ЛЕКЦИЯ 12 План лекции: а) физические принципы, лежащие в основе работы жидкокристаллических индикаторов; б) типы жидких кристаллов; в) электрооптические явления, присущие жидким кристаллам; г) пример «работы» жидкого кристалла. 12.1 Физические принципы, лежащие в основе работы жидкокристаллических индикаторов Материалами, из которых изготавливают жидкие кристаллы (ЖК), служат органические соединения и их смеси. Работа ЖК индикаторов основана на свойствах веществ изменять свои оптические показатели: – коэффициент поглощения; – коэффициент отражения; – коэффициент рассеивания; – показатель преломления; – спектральное отражение или пропускание; – оптическую анизотропию; – оптическую разность хода; – оптическую активность под влиянием электрического поля. ОПРЕДЕЛЕНИЕ: жидкокристаллическим (мезаморфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твёрдым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. Примечание – Анизотропия – физическое явление, заключающееся в том, что физические (механические, оптические, электрические и др.) свойства тел различны по разным направлениям внутри этих тел (смотри рисунок 12.1). Рисунок 12.1 – Трёхмерная характеристика анизотропии 100 Явление анизотропии присуще некоторым производным: – бензола; – дифенила; – стероидов гетероциклических и других сложных соединений. Молекулы ЖК вещества имеют большую длину и малую толщину. Они относятся к группе диэлектриков и имеют удельное сопротивление 106 – 1010 Ом × см. 12.2 Типы жидких кристаллов Различают три основных типа ЖК: – смектические; – нематические; – холестерические. 12.2.1 В смектических жидких кристаллах молекулы расположены параллельно своим длинным осям, как показано на рисунке 12.2,а, и образуют слои равной толщины. Слои в смектическом ЖК лежат на равном расстоянии друг над другом (рисунок 12.2,б), а текучесть кристалла обеспечивается за счёт взаимного скольжения слоёв. а) один слой молекул б) многослойная структура Рисунок 12.2 – Структура смектического ЖК 12.2.2 В нематических жидких кристаллах (рисунок 12.3) оси молекул также параллельны, но они не образуют слоёв. Одинаково ориентированные молекулы группируются в виде небольшой области. Области внутри кристалла размещены хаотично. Скольжение происходит вдоль длинных осей молекул. Так как структура кристалла неупорядочена, то наблюдается оптическая неоднородность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отражённого света. С помощью внешних сил (электрического или магнитного поля) можно добиться оптической однородности среды и полного её просветления. 101 Вектор ориентации молекул Рисунок 12.3 – Структура нематического ЖК 12.2.3 В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены слоями (рисунок 12.4), как в смектических ЖК, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоёв. Распределение молекул имеет спиральный характер. Рисунок 12.4 – Структура холестерического ЖК Направление ориентации осей молекул (называемое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол. Данные ЖК имеют большой показатель вращения плоскости поляризации. Под воздействием внешних сил шаг спирали меняется и соответственно меняется окраска вещества, освещённого белым светом. 12.3 Электрооптические явления, присущие жидким кристаллам Из множества электрооптических явлений, присущих ЖК, в устройствах отображения информации применяют: – эффект динамического рассеивания; – твист-эффект; – эффект «гость - хозяин». Для выяснения сути перечисленных эффектов необходимо определить поведение молекул ЖК под воздействием электрического поля. Условимся, что направление ориентации осей молекул в электрическом поле зависит от знака диэлектрической анизотропии  а . 102 Диэлектрическая анизотропия  а характеризует разницу диэлектрических постоянных ε|| и ε⊥ в направлениях, параллельном и перпендикулярном направлению преимущественной ориентации молекул, то есть:  а = ε|| – ε⊥. (12.1) ε|| ε⊥ При  а > 0 оси молекул располагаются параллельно, а при  а < 0 – перпендикулярно электрическому полю. 12.3.1 Эффект динамического рассеивания заключается в следующем. При приложении электрического поля к слою жидкого кристалла с  а < 0, слабо проводящему электрический ток, молекулы ориентируются поперёк поля. Движущиеся ионы, благодаря которым протекает электрический ток проводимости, стремятся нарушить ориентацию молекул. При некотором значении тока проводимости возникает состояние турбулентного движения, при котором упорядоченность структуры нарушается и ЖК мутнеет. Примечание – Минимальное напряжение, вызывающее турбулентное движение, не более 5 – 6 вольт. 12.3.2 Твист-эффект наблюдается в нематических жидких кристаллах с положительной диэлектрической анизоторпией (  а > 0). Он заключается в том, что у жидкого кристалла, находящегося между двумя светопроводящими пластинами, изменяется угол вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Длинные оси молекул параллельны пластинам (смотри рисунок 12.5), а сами молекулы скручены в спираль, аналогичную холестерическому ЖК. Оси молекул, находящихся около разных пластин, взаимно перпендикулярны. Вид сверху Скрученные в спираль молекулы Светопроводящие пластины Рисунок 12.5 – Структура ЖК с твист-эффектом 103 Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на угол, равный π/2. При приложении электрического напряжения, как показано на рисунке 12.6, все молекулы ориентируются вдоль поля (в материале с  а > 0). В результате эффект скручивания пропадает. Теперь слой ЖК не изменяет поляризации проходящего через него света. + U – Рисунок 12.6 – Структура ЖК с твист-эффектом под действием напряжения Примечание – Если пластинами служат поляроиды с параллельными плоскостями поляризации, то при наличии электрического поля свет будет проходить через систему, а при отсутствии – нет. При перпендикулярности плоскостей поляризации включенное и выключенное состояния противоположны вышерассмотренному. Твист-эффект не требует наличия электротока. Он обеспечивает хороший контраст при напряжениях 0,9 - 1,5 В. 12.3.3 Эффект «гость - хозяин» наблюдается в ЖК, в которых растворён дихроичный краситель. Молекулы красителя также имеют вытянутую форму. Краситель избирательно поглощает свет в зависимости от ориентации своих молекул относительно падающего светового потока. А молекулы ЖК ориентируют молекулы красителя в электрическом поле. Степень поглощения светового потока, зависящая от ориентации молекул красителя, хорошо обнаруживается в поляризованном свете. При этом достаточно только одного поляроида. Примечания – 1 Длительность переходных процессов установления стабильной окраски 30 – 500 мс. 2 Управляющее напряжение 2 – 10 В. 3 В зависимости от использованного красителя окраска может быть различной во включенном и выключенном состояниях. 12.4 Пример «работы» жидкого кристалла Жидкокристаллические мониторы, экраны и индикаторы всё увереннее завоёвывают позиции на рынке компьютерной и водеотехники, вытесняя подобные изделия с электронно-лучевыми трубками. Конструктивным кирпичи- 104 ком таких изделий является жидкий кристалл. Рассмотрим состав и принцип «работы» жидкого кристалла. В зазор между двумя стеклянными пластинами (смотри рисунок 12.7) помещается слой вещества, которое и является жидким кристаллом. Для избежания растекания вещества оно по периметру изолируется диэлектрической прокладкой. Молекулы жидкого кристалла имеют вытянутую форму. Поверхности стеклянных пластин подвергаются специальной обработке, за счёт чего молекулы жидкого кристалла ориентируются в двух взаимно перпендикулярных направлениях в областях, прилегающих к внутренним поверхностям стеклянных пластин. Во внутреннем пространстве между поверхностями пластин за счёт сил взаимодействия ориентация молекул постепенно изменяется от нижней граничной до верхней. Таким образом, структура жидкого кристалла оказывается как бы скрученной на угол 90°. Слой скрученного кристалла вращает плоскость поляризации проходящего света на π/2. Вид сверху Стеклянные пластины Диэлектрическая прокладка Вид сверху Рисунок 12.7 – Ориентация молекул жидкого кристалла в пространстве между двумя стеклянными пластинами 105 Если с обеих сторон жидкокристаллической ячейки разместить две поляроидные пластины, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, как показано на рисунке 12.8, то наблюдателю ячейка представляется прозрачной. Световой поток Поляроидные пластины Наблюдатель Рисунок 12.8 – Размещение поляроидных пластин в структуре жидкокристаллической ячейки для обеспечения её прозрачности Для управления прозрачностью жидкокристаллической ячейки внутрь неё помещают прозрачные электроды, как показано на рисунке 12,9. При подаче на электроды управляющего напряжения, создающего электрическое поле, ориентация молекул начинает меняться. При максимальном значении управляющего напряжения все молекулы ориентируются вдоль поля и эффект скручивания (так называемый твист-эффект) пропадает. Такая структура не вращает плоскость поляризации проходящего оптического излучения, поэтому свет не может пройти через две поляроидные пластины. В результате ячейка кажется наблюдателю непрозрачной. Меняя уровень управляющего напряжения, можно изменять угол вращения плоскости поляризации жидкого кристалла и, как следствие, – изменять прозрачность, манипулируя интенсивностью прошедшего света. 106 Прозрачные электроды Рисунок 12.9 – Управление ориентацией молекул жидкого кристалла с помощью электрического поля Рассмотренный образец жидкокристаллической ячейки позволяет формировать только чёрно-белое изображение. Для создания цветного изображения необходимо наличие цветных ячеек. Как известно, изображение на видеоэкране формируется с помощью матрицы пикселей. Чтобы воспроизвести богатую цветовую гамму, один пиксель должен содержать три жидкокристаллические ячейки: красного (R), зелёного (G) и синего (B) цветов (смотри рисунок 12.10). Пиксель Жидкокристаллическая ячейка R G B Рисунок 12.10 – Состав пикселя 107 На самом деле все ячейки одинаковые, а цвета генерируются за счёт пропускания излучения сквозь светофильтры соответствующих цветов. Однако, при пропускании через светофильтр излучения его яркость и контрастность уменьшаются. Но технологи нашли более эффективные решения для придания жидкокристаллической ячейке нужного цвета. Но это пусть останется секретом производителей жидкокристаллических видеоэкранов. Устройства на жидких кристаллах характеризуются самым малым энергопотреблением, высокой контрастностью, низким уровнем управляющего напряжения, большим сроком службы. Серьёзным недостатком является сравнительно малое быстродействие. 12.5 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Объясните, как проявляется свойство анизотропии в смектическом жидком кристалле? 2 Объясните, как проявляется свойство анизотропии в нематическом жидком кристалле? 3 Объясните, как проявляется свойство анизотропии в холестерическом жидком кристалле? 4 Какова сущность эффекта динамического рассеивания, присущего жидким кристаллам? 5 Какова сущность твист-эффекта, присущего жидким кристаллам? 6 Какова сущность эффекта «гость – хозяин», присущего жидким кристаллам? 7 С помощью каких технических и технологических решений придаётся цветовой эффект одному пикселю изображения на экране жидкокристаллического монитора? 108 13 ОПТИКА. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. ЛЕКЦИЯ 13 План лекции: а) принцип голографического способа хранения данных; б) методы записи голограмм. 13.1 Принцип голографического способа хранения данных Голографические ЗУ (ГЗУ) существенно превосходят имеющиеся устройства памяти по: – быстродействию; – информационному объёму; – плотности записи. ОПРЕДЕЛЕНИЕ: голографический способ хранения данных – это картинное представление информации на носителе. Голографический способ хранения данных основан на фиксации фоточувствительным материалом интерференционной картины, создаваемой двумя когерентными волнами: 1) отражённой от объекта записи (или прошедшей через него); 2) вспомогательной (или опорной). Голограмма содержит полную информацию об отражённой от объекта (или прошедшей через него) волне как по интенсивности, так и по фазе колебаний. При этом данные об амплитуде и фазе объектной волны фиксируются в каждой точке носителя голограммы. Фоточувствительный материал, выполняя роль регистрирующей среды, изменяет свои оптические свойства под действием света. Опорная волна необходима только в том случае, если регистрирующая среда реагирует только на интенсивность излучения. Тогда опорная волна, взаимодействуя с объектной, позволяет преобразовать фазу колебаний в амплитуду. Интерференция этих когерентных волн в плоскости регистрации голограммы создаёт колебания, интенсивность которых в каждой точке зависит как от амплитуды, так и от фазы опорного луча. Для воспроизведения записанной картины достаточно осветить голограмму одним опорным лучом. Считывание хранимой информации можно осуществить, например, с помощью матрицы фотоприёмников, что означает преобразование оптических сигналов в электрические. Это вынужденная мера, так как в настоящее время чисто оптические компьютеры ещё не созданы. Если при освещении материала меняется его коэффициент отражения или пропускания, то при восстановления картины однородный луч света оказывается промодулированным по амплитуде. В этом случае голограмма называется амплитудной. 109 Если под действием света изменяется коэффициент преломления материала, то при прохождении света через такую голограмму (или отражении от неё) возникает разность фаз между отдельными элементарными волнами. В этом случае выходное излучение модулируется по фазе, а голограмма называется фазовой. 13.2 Методы записи голограмм Рассмотрим два метода записи голограмм. МЕТОД 1 (иллюстрация метода на рисунке 13.1). Источник излучения ИИ генерирует свет, преобразуемый линзой Л в параллельные пучки света. Часть пучков образуют опорный луч 1 (штрих-пунктир), а другая часть – объектный луч 2 (пунктир). Опорный луч поступает на регистрирующую среду Р, отражаясь от зеркала З. Объектный луч достигает регистрирующей среды, отразившись от объекта записи О1. Записанная таким образом голограмма называется голограммой Френеля. З 1 Л О ИИ Р 2 Рисунок 13.1 – Иллюстрация записи голограммы Френеля МЕТОД 2 (иллюстрация метода на рисунке 13.2). Для регистрации изображений используются сферические волны. В качестве опорного луча применяются сферические волны, радиус кривизны которых совпадает со средним радиусом кривизны волн объектного луча. Запись производится в зоне пересечения двух сфер. Записанная таким образом голограмма называется голограммой Фурье. 1 Объект записи содержит информацию, подготовленную для ввода. 110 1 Л2 Л1 Р ИИ О 2 Рисунок 13.2 – Иллюстрация записи голограммы Фурье При описании методов записи изображений не учитывалась толщина регистрирующей среды, которая считалась бесконечно малой (размер молекулярного уровня). В реальном чувствительном слое процесс регистрации информации протекает не только на поверхности, но и в толще материала. По этому признаку голограммы делят на «тонкие» и «толстые». Для создания толстых голограмм служат многослойные регистрирующие среды, как на рисунке 13.3. Использование толстых голограмм, повышает плотность записи информации и расширяет класс материалов, применяемых в качестве регистрирующих сред. Рисунок 13.3 – Многослойная регистрирующая среда Справа показан типичный вид одной страницы голографической памяти. 111 14 ОПТИКА. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. ЛЕКЦИЯ 14 План лекции: а) структурная схема голографического запоминающего устройства; б) свойства голографических запоминающих устройств; в) устройства управления оптическим излучением. 14.1 Структурная схема голографического запоминающего устройства Процесс записи информации заключается в следующем (смотри рисунок 14.1). З1 ИИ М Д Управляющий сигнал – адрес З3 З2 2 1 О Л1 Т Л2 Л3 ФП Р З4 Данные из компьютера Запись Считывание Рисунок 14.1 – Структурная схема голографического ЗУ Луч лазера, пройдя через модулятор М, подаётся на двухкоординатный дефлектор Д (устройство и принцип действия упоминаемых здесь узлов рассматриваются в лекции ниже). Дефлектор отклоняет луч в заданном направле- 112 нии в соответствии с поступившим из компьютера адресом. На полупрозрачном зеркале З2 пучок света разделяется на опорный 1 и объектный 2 лучи. Опорный луч, отражаясь от зеркала З3, поступает непосредственно на регистрирующую среду Р. Перед записью поступающие из компьютера данные предварительно запоминаются на управляемом транспаранте Т. Когда страница данных подготовлена, открывается оптический затвор О. Объектный луч проходит через Л1, Т и Л2 на регистрирующую среду Р. На чувствительном материале записывается сразу вся страница данных. Восстановление голограммы осуществляется одним опорным лучом. При считывании данных затвор О перекрывает объектный луч. Опорный луч, отклонённый дефлектором в соответствии с требуемым адресом, проходит через Р и фокусируется на матрице фотоприёмников ФП. 14.2 Свойства голографических запоминающих устройств Ниже перечислены только основные свойства голографических ЗУ: 1) высокая плотность хранения данных, что обусловлено: – малой длиной волны света; – возможностью записи большого количества голограмм на одном и том же носителе при изменении направления опорного луча; – применением многослойных регистрирующих сред; 2) способность ввода-вывода данных в виде массива большого размера (более 106 бит). Параллельная обработка данных резко повышает производительность компьютерных систем; 3) высокая помехозащищённость, обусловленая избыточностью голографического способа записи. Так как каждый элемент голограммы содержит информацию о всей интерференционной картине, ЗУ этого типа нечувствительны к микродефектам; 4) возможность записи данных непосредственно в аналоговой форме и удобство сопряжения с системами обработки изображений. При этом в одном устройстве можно реализовать функции хранения и логической обработки, например, ассоциативный поиск требуемой информации; 5) менее жёсткие требования к точности механической юстировки отдельных элементов оптической системы по сравнению с символьными и побитовыми ЗУ. Это связано с тем, что голограмма в кодированной форме несёт информацию о положении транспаранта, то есть содержит как бы «встроенную оптику». 14.3 Устройства управления оптическим излучением При записи информации в оптических ЗУ необходимо изменять интенсивность луча света от ИИ. Такую функцию выполняют модуляторы. Так как большинство приёмников излучения реагирует на изменение интенсивности 113 светового потока, то все виды модуляции сводят к амплитудной. Модулятор, работающий в дискретном режиме (полностью пропуская свет либо прекращая распространение излучения), называется оптическим затвором. Рассмотрим принцип функционирования электрооптического модулятора – оптического затвора. В основе работы многих электрооптических модуляторов лежит линейный эффект Поккельса. Сущность эффекта. Некоторые кристаллы изменяют свои оптические свойства под действием внешнего электрического поля. Возникает явление двулучепреломления (анизотропия), при котором скорости распространения световых волн с различной ориентацией плоскости поляризации отличаются друг от друга. В результате плоскополяризованный луч света, пройдя через анизотропный кристалл, изменяет направление поляризации, которое с помощью поляризатора может быть преобразовано в амплитудную модуляцию. В качестве примера рассмотрим поперечный электрооптический модуля1 тор (смотри рисунок 14.2). Основу электрооптического модулятора составляет анизотропный кристалл. Электроды наносятся на боковые поверхности кристалла. На входе и выходе светового потока из кристалла располагаются два поляроида, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Если источником света является лазер, то входной поляризатор не нужен, так как лазерный луч является плоскополяризованным. Анизотропный кристалл Электрод I2 I1 е е е UУпр Поляризатор I1 – входящий луч света, I2 – промодулированный луч света. Рисунок 14.2 – Устройство поперечного электрооптического модулятора 1 Наряду с поперечными существуют и продольные электрооптические модуляторы. 114 Смена направления поляризации луча света под действием управляющего напряжения UУпр выглядит таким образом: – при UУпр = 0 плоскость поляризации перпендикулярна – сплошная линия вектора плоскости поляризации на рисунке 14.2; – при UУпр = UУпр 1 >0 плоскость поляризации слегка повернётся – пунктирная линия вектора плоскости поляризации на рисунке 14.2; – при UУпр 2 > UУпр 1 плоскость поляризации повернётся ещё больше – штрих-пунктирная линия вектора плоскости поляризации на рисунке 14.2. Для записи данных на носитель промодулированный луч света должен быть направлен в заданную точку пространства в соответствии с адресом, формируемым в блоке управления. Функцию пространственного управления излучением выполняет дефлектор. Как пример рассмотрим работу электрооптического дефлектора, представляющего собой дискретное многокаскадное устройство (в данном случае трёхкаскадное), состав которого показан на рисунке 14.3. Каждый каскад такого устройства содержит: – модулятор, вращающий плоскость поляризации проходящего света; – двулучепреломляющий кристалл, по-разному отклоняющий плоскополяризованные лучи. Первый каскад Второй каскад Третий каскад 1 2 3 4 5 6 7 8 U1 U2 Возможные положения выходного луча Двулучепреломляющий кристалл Модулятор U3 Рисунок 14.3 – Структура трёхкаскадного дефлектора Трёхкаскадный дефлектор обеспечивает перемещение луча по восьми направлениям (вспомните традиционное логическое соотношение – количество 115 комбинаций при наличии трёх аргументов (N = 2n = 23 = 8)). Управляется дефлектор комбинацией трёх напряжений U1, U2, U3. Управляющие напряжения представляет собой трёхпозиционный двоичный код, имеющий восемь комбинаций. Каждая комбинация задаёт свою траекторию распространения луча. Варианты траекторий входного луча в зависимости от комбинаций значений управляющего сигнала сведены в таблицу 14.1. Таблица 14.1 – Траектории входного луча Логические значения управляющих напряжений U1 U2 U3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Номер выходного луча 1 2 3 4 5 6 7 8 14.4 Контрольные вопросы для самопроверки 1 Перечислите основные преимущества голографических запоминающих устройств в сравнении с полупроводниковыми запоминающими устройствами с произвольной выборкой. 2 Дайте характеристику принципу создания голограмм Фурье. 3 Дайте характеристику принципу создания голограмм Френеля. 4 В типичной структуре голографического запоминающего устройства присутствует оптический затвор. Охарактеризуйте его назначение. 5 В типичной структуре голографического запоминающего устройства присутствует транспарант. Охарактеризуйте его назначение. 6 Какую роль играет матрица фотоприёмников, входящая в состав типичной структуры голографического запоминающего устройства? 7 Для управления оптическим излучением применяют модуляторы. Объясните состав и принцип их работы на примере одного устройства. 8 Для управления оптическим излучением применяют дефлекторы. Объясните состав и принцип их работы на примере одного устройства. 116 15 НАНОТЕХНОЛОГИИ. ЛЕКЦИЯ 15 План лекции: а) нанофотоника; б) наноэлектроника. 15.1 Нанофотоника Кремниевая технология, используемая сегодня для создания процессоров компьютеров и систем, достигает своего предела. Вот некоторые факты, указывающие на это: – стремление довести технологию создания полупроводниковых традиционных транзисторов до 10 нанометров (нм) приведёт к значительному увеличению рассеиваемой мощности на единицу поверхности чипа и как следствие – к неразрешимой проблеме отвода избыточного тепла; – частота переключения цифровых электронных элементов достигает своего предела, так как длительности тактовых интервалов становятся сопоставимыми с временем переходных процессов и скоростью распространения электрического сигнала внутри чипа; – физические габариты функциональных узлов и конструктивы, на которых они размещаются, также достигли определённого предела, так как время распространения электрических сигналов по шинам и шлейфам намного превосходит тот же показатель для микросхем; – передача дискретных электрических сигналов по металлическим проводникам приводит к возникновению электромагнитного излучения и, как следствие, к взаимным помехам; – стремление к уменьшению энергопотребления приводит к уменьшению токов и напряжений электрических сигналов, а это в условиях наличия электромагнитных помех может привести к снижению или полной потере работоспособности систем. Выход из данной тупиковой ситуации многим исследователям видится в привлечении оптических технологий – нанофотоники. Вот некоторые аргументы в подтверждение перспективности её применения: 1) частота оптического излучения составляет 1012 … 1016 Гц, что позволяет создать до 105 информационных каналов со спектральной шириной 100 ГГц; 2) большое число световых пучков могут свободно проходить по одной и той же области пространства, пересекаться и из-за отсутствия у фотонов электрического заряда не влиять друг на друга; 3) использование двумерного (изображение) и трёхмерного (голограмма) характера световых полей позволяет значительно увеличить плотность и скорость передачи информации; 4) возможна когерентная обработка информации с использованием фа- 117 зовых соотношений; 5) оптическая система практически не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту от перехвата информации, и нечувствительна к электромагнитным помехам. Сведения о возможности выполнять аналоговые оптические вычисления появились сравнительно давно. Рисунок 15.1 иллюстрирует, как выполняются оптические вычисления на примере операций сложения и умножения в гипотетическом процессоре аналогового оптического компьютера. А В С А В С А+В+С А+В+С Сложение с помощью линзы Сложение T I I´=T×I I Умножение на основе эффекта пропускания света R I´=R×I Умножение на основе эффекта отражения света Рисунок 15.1 – Иллюстрация оптических сложения и умножения Поскольку световое излучение способно выполнять параллельную (одновременную) обработку больших объёмов информации, то использование лишь свойств прямолинейного распространения света для реализации двух операций, как это видно из рассмотренных примеров, недостаточно. Для выполнения сложных вычислений необходимо воспользоваться другими свойствами света, такими как преломление (рефракция) и дифракция, лежащими в основе работы линз и дифракционных элементов (решёток, голограмм). На рисунке 15.2 дана иллюстрация операции инвертирования и масштабирования, которая выполняется со скоростью света. Ни один электронный компьютер так быстро эту операцию не выполнит! Входная плоскость Выходная плоскость Линза Рисунок 15.2 – Реализация операций инвертирования и масштабирования 118 Физики и математики давно доказали, что, используя Фурье-образы двумерных оптических сигналов, можно производить различные математические операции методами пространственной фильтрации. Это можно реализовать с помощью простой оптической системы, схема которой приведена на рисунке 15.3, где S – источник света; (XI, YI) – входная плоскость (в ней располагается устройство ввода информации); (XH, YH) – спектральная Фурье-плоскость (в ней располагается операционный фильтр); (XD, YD) – выходная плоскость (в ней располагается детектор выходных сигналов). Л2 YI Л1 Л3 YH XD S XH XI f f f f f YD f – фокусное расстояние оптической системы; линзы Л2 и Л3 осуществляют первичное и повторное преобразования Фурье. Рисунок 15.3 – Модель системы, выполняющей математические операции методом пространственной фильтрации с использованием Фурье-образов Аналоговые вычисления на основе оптического Фурье-преобразования реализованы в следующих моделях компьютерных систем: – оптоэлектронного процессора фирмы Global Holonetics, предназначенного для распознавания упаковок в супермаркетах и распознающего до 30 изображений в секунду; – оптического коррелятора компании Litton Data System на базе магнитооптики, распознающего бронетехнику на многокилометровой дистанции. Другим примером практического использования аналоговых оптических компьютеров являются операционные устройства, выполняющие операции с множеством аналоговых числовых данных (смотри рисунок 15.4). Объектом операций, или данными, являются вектор, состоящий из n чисел, и двумерная матрица размерностью (n × n). Слева показаны три источника света, расположенные горизонтально. В центре расположен оптический транспарант размером 3×3, а справа – вертикально три фотодетектора. Оптическая система создана таким образом, чтобы свет, излучаемый одним из источников, например Х1, распространялся веерообразно по вертикали и падал только на часть маски а11, а12, а13 (в данной схеме оптическая система не показана). Свет от соседнего с Х1 источника Х2 распространяется также вертикально веерообразно и падает на соседние участки маски а21, а22, а23 и до других участков не доходит. Интенсивность света, прошедшего через транспарант, определяется произведением интенсивности входного луча Хi на коэффициент пропускания аij данного участка транспаранта. 119 Маска Источники света а31 a31×X3 а21 X3 X2 X1 a21×X2 а32 а11 a11×X1 а22 а33 а12 а23 а13 Оптические датчики Y1 Y2 Y3 Yi  a1i  X 1  a 2i  X 2  a3i  X 3 , (i  1,2,3) Рисунок 15.4 – Модель выполнения операции с множеством аналоговых числовых данных Далее, свет, прошедший через транспарант, фокусируется с помощью другой оптической системы (также не показанной на рисунке), но только по горизонтали. Световые лучи, прошедшие через элементы а11, а21, а31 в верхней части транспаранта, достигают только самого верхнего оптического датчика У1. Аналогично световые лучи, прошедшие через второй ряд ячеек транспаранта а12, а22, а32 достигают только датчика У2. В конечном итоге интенсивность света в i-м оптическом датчике будет определяться суммой трех произведений aij, и Xi. Итак, приведенные примеры демонстрируют возможность выполнять математические операции с помощью оптических устройств и внушают оптимизм в достижение цели создания оптических компьютеров. Сказанное следует дополнить тем фактом, что оптические устройства способны выполнять и логические операции (какой же компьютер обходится без этого?). Это подтверждается тем, что имеется много наработок по созданию элементарного ключа (элемента ключевой схемы) на молекулярном уровне. На базе последних строятся основные логические элементы НЕ, И, ИЛИ. В частности, реализовать логические функции можно с помощью волноводного модулятора, представляющего собой интерференционный прибор, осуществляющий амплитудную модуляцию входного оптического сигнала. Варианты реализации логических элементов основного базиса показаны на рисунке 15.5. Существуют и другие способы оптических реализаций базисных логических функций. 120 а а Вход Вход Логическая функция НЕ b а+b 1 Логическая функция ИЛИ а b Вход 1 а*b Логическая функция И 1 Рисунок 15.5 – Оптические реализации базисных логических элементов Из работ, посвящённых оптическим вычислителям, следует, что компоненты этих устройств, а также оптические процессоры, уже существуют, но пока они собираются из отдельно взятых линз, зеркал, фильтров и пр. Поэтому ни о каких персональных или сколько-нибудь массовых оптических системах речи быть не может. Их массовое распространение будет возможно только с приходом интегральных, а особенно, наноинтегральных технологий. Для достижения этой гигантской цели к настоящему времени сформировались следующие направления по разработке наноматериалов: обработка и получение наноматериалов; нанофотоника; наноэлектроника. И, конечно, должна быть решена Главная Проблема – программирование оптических процессоров и систем, а эта задача колоссальной математической сложности! 15.2 Наноэлектроника Несмотря на все видимые преимущества оптических компьютеров, в которых переносчиком информации является фотон, ученые не спешат распрощаться с кремниевыми технологиями. Многим выход из сложившейся тупиковой ситуации видится в переходе не к новой элементной базе, а на более мелкий, атомный и молекулярный уровень технологий. В таком случае размеры чипов будут измеряться не в микро-, а в наноразмерах. Поэтому данное направление получило название наноэлектроника, которая зародилась в начале 80-х годов двадцатого столетия. Наноэлектроника является новой областью науки и техники, формирующейся сегодня на основе последних достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники. Ее содержание определяется необходимостью установления фундаментальных закономерностей, определяющих физико-химические особенности формирования наноразмерных структур (структур с размером от единиц до десятков нанометров, 1 нм = 10-9 м), их электронные и оптические свойства. Исследования в области наноэлектроники важны для разработки новых принципов, а вместе с ними и нового поколения сверхминиатюрных супербыстродей- 121 ствующих систем обработки информации. Достижения наноэлектроники придали новый импульс для концентрации усилий в решении проблемы поднятия производительности электронных средств вычислительной техники на качественно новый уровень. Это научнопрактическое направление можно рассматривать как конкурентное нанофотонике. Тем не менее, оптоэлектроника взяла на себя функцию по «примирению» этих дух направлений. Наноэлектроника базируется на глубоких знаниях свойств каждого атома и использует силы притяжения между ними при нанометровых расстояниях, когда на первое место выходят квантовые свойства частиц. В результате действия сил притяжения могут образовываться атомные конфигурации, стабильность которых определяется типом и прочностью внутренних связей, абсолютной температурой и характером окружения. Например, учёные провели такой эксперимент. Они брали атом железа и помещали его в структуру другого вещества, в результате чего этот атом стал выступать как самостоятельный магнит (показано на рисунке 15.6). За счёт взаимодействия с окружающими атом железа немагнитными атомами возникло явление магнитной анизотропии: магнитный момент сориентировался в определённом направлении. Следовательно, направление магнитного момента можно использовать как значение бита: 1 или 0, доведя размер одного запоминающего элемента до размера одного атома. Рисунок 15.6 – Предпочтительное расположение магнитного момента атома железа, находящегося на подложке Если это свойство воспроизвести массово, то появятся диски, информационная ёмкость которых возрастёт во многие тысячи раз по сравнению с существующими. Для того чтобы проиллюстрировать, насколько велико это достижение, стоит сказать, что устройство атомарного хранения данных размером с плеер iPod сможет хранить, например, ВЕСЬ видеоконтент такого популярно- 122 го ресурса YouTube. А это миллионы видеороликов общим объемом около 1000000 миллиардов бит! Одной из проблем является то, что эксперимент проводился при температурах, близких к абсолютному нулю. Поэтому усилия учёных сосредоточены на поиске таких материалов, которые могут обладать отмеченным свойством при гораздо более высоких температурах. Исследования в области наноэлектроники ведутся всеми крупнейшими компаниями мира. С помощью замены чипов новыми наночипами будут уменьшены практически все составные элементы цифрового компьютера. В настоящее время ученые разделили направления исследований наноэлектроники на несколько ветвей. Это реализация: – запоминающих устройств; – процессора; – передающих устройств. Были достигнуты различные результаты в этих направлениях, предложено множество вариантов. Одним из главных требований к этим элементам являются: стабильность в работе, высокая скорость переходных процессов, интегрируемость, невысокая стоимость производства и внедрения в массовое производство. Вот некоторые полученные факты. Специалисты IBM создали первый в мире молекулярный ключ, состоящий из одной молекулы и переключающийся без нарушения внешней структуры молекулы-ключа (смотри рисунок 15.7). Рисунок 15.7 – Молекулярный ключ Такой ключ может работать множество циклов без нарушений молекулярной структуры. Добиться этого было достаточно трудно, так как молекулыключи зачастую после переключений деформируются, из-за чего (и также из-за других причин) до сих пор невозможно сконструировать по-настоящему работоспособный молекулярный компьютер. Более того, на основе молекулярного ключа ученые смогли сконструировать простую логическую ячейку. Однако не стоит ждать скорого появления полностью «молекулярных» компьютеров, так как даже эти отдельные молекулярные ключи необходимо 123 располагать отдельно в составе модулей. Более сложные системы, состоящие из большого количества молекул-ключей, достаточно тяжело создать, но, как показали ученые, это возможно. Естественно, по сравнению с традиционной CMOS-логикой, компьютерный чип, сконструированный на основе молекулярных ключей, будет меньше по размерам и быстрее, поэтому ученые смотрят оптимистично на дальнейшее развитие микроэлектроники и молекулярных компьютеров в целом. Ученые из Мэриленда сообщили об успехах в разработке технологий массового производства нанострун (нанопроволоки) из оксида цинка (смотри рисунок 15.8). Рисунок 15.8 – Наноструны из оксида цинка На их основе можно сконструировать множество коммерчески успешных устройств: ультрачувствительных наносенсоров, светодиодов и транзисторов. Эти полупроводниковые приборы будут востребованы в недорогой и компактной электронике. Например, на рисунке 15.9 изображён участок матрицы с нанотранзисторами на основе нитей ZnO. Рисунок 15.9 – Матрица с нанотранзисторами 124 Благодаря новой технологии производства, на основе нанонитей можно производить устройства с двумя и тремя соединительными металлическими проводниками. Так, ученые исследовали как 2-х, так и 3-х полупроводниковые устройства в пределах одной матрицы. Для демонстрации эффективности технологии ученые успешно создали пробную матрицу полевых нанотранзисторов на площади 8×8 миллиметров. Учёные утверждают, что при увеличении разрешения оптической литографии можно будет достичь более точного выращивания нанонитей ZnO на подложке, и, как следствие, массового производства более сложных электронных устройств. Ученые из Университета Пенсильвании создали наноячейку на основе сплава германия и теллурида сурьмы, который достаточно распространен в производстве наноэлектронных компонентов. Ячейка нанопамяти представляет собой нить длиной 10 микрон и диаметром около 30 нанометров (смотри рисунок 15.10). Рисунок 15.10 – Ячейка нанопамяти на основе сплава германия и теллурида сурьмы При записи информации в нанонить-ячейку меняется ее электропроводность из-за смены фазы материала. Так, кристаллическая фаза соответствует логической «0», аморфная – «1». Из-за различной электропроводности материала в разных фазах (в кристаллической проводимость меньше, в аморфной — наоборот) ученым и удалось использовать нанонить из германиевого сплава в качестве логической ячейки. Время хранения данных, таким образом, в нанонити – около 10000 лет, время цикла обращения к ячейке – 50 наносекунд, потребляемая мощность – 0,7 мВт 125 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Учебная 1 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие; Изд. 2 – е, перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. 2 Забродин Ю. С. Промышленная электроника. - М.: Высш. шк., 1982.- С. 207 - 257. 3 Информатика: Учебник/Под ред. проф. Н. В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 1997. 4 Миловзоров В.П. Элементы информационных систем: Учеб. для вузов по спец. "Автоматизированные системы обр. информ. и упр.". – М.: Высш. шк., 1989. 5 Парамзин А.П. Физические основы ЭВМ: Методические указания и индивидуальные задания к практическим (лабораторным) работам для студентов специальностей 5В070300 «Информационные системы», 5В070400 «Вычислительная техника и программное обеспечение. – Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2012. – 58 с. Дополнительная 6 Беспалов В.Г. Основы оптоинформатики. Часть 1. Информационные технологии – от электронного к оптическому компьютеру. – СПб.: Издательство «Питер», 2006. 7 Бурин Е. А. Введение в основы информатики и вычислительной техники: Курс лекций. - Алма-Ата: Мектеп, 1988. 8 Гук М. Аппаратные средства IBM PC: Энциклопедия. – СПб.: Издательство «Питер», 2002. – 816 с. 9 Ефанов В.И. Введение в специальность. Физика и техника оптической связи: Учебное пособие / Ефанов В.И. – 2006. – 166 с. 126 ПРИЛОЖЕНИЕ А Основные законы булевой алгебры (алгебры логики). Таблицы истинности логических операций Примем к исполнению следующие соглашения: 1) в дальнейшем будем использовать вместо символа операции ДИЗЪЮНКЦИЯ “  ” – символ “ + ”; вместо символа операции КОНЪЮНКЦИЯ “  ” – символ “ * ” ; вместо символа операции ОТРИЦАНИЕ “  ” – надстрочную черту, например Х ; 2) иные принятые названия логических операций: ИЛИ – логическое сложение; И – логическое умножение. Они будут использоваться на равных правах с исходными: ДИЗЪЮНКЦИЕЙ и КОНЪЮНКЦИЕЙ. Коммутативный закон: X + Y = Y + X; X * Y = Y * X. Ассоциативный закон: X + (Y + Z) = (X + Y) + Z; X * (Y * Z) = (X * Y) * Z. Законы единицы и нуля: X + 1 = 1; X + 0 = X; X * 1 = X; X * 0 = 0. Законы комбинации с дополнением: X + Х = 1; X * Х = 0. Дистрибутивные законы: X + (Y * Z) = (X + Y ) * (X + Z); X * (Y + Z) = (X * Y ) + (X * Z). Инволютный закон (двойное отрицание) Х = X. Законы поглощения: X + (X * Y) = X ; X * (X + Y) = X; X + ( Х * Y) =X + Y; Х + (X * Y) = Х + Y. Закон склеивания (X * Y) + (X * Y ) = X; Законы идемпотентности: X + X = X; X * X = X; Законы де Моргана: Х  Y  Z  ...  X *Y * Z *...; X *Y * Z *...  X  Y  Z  .... Приведённые законы используются для упрощения (минимизации) булевых функций. 127 Таблица ПА.1 – Операция ИМПЛИКАЦИЯ X Y F 1 1 1 1 1 1 1 Таблица ПА.2 – Штрих Шеффера Таблица ПА.3 – Стрелка Пирса X Y F X Y F 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Таблица ПА.4 – Операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ X Y F 1 1 1 1 1 1 Таблица ПА.5 – Операция РАВНОЗНАЧНОСТЬ X Y F 1 1 1 1 1 1 Таблица ПА.6 – Операция ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ X 1 1 Y 1 1 X Y 1 1 1 128 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Графические изображения моделей ключа и ключевой схемы В тех случаях, когда интерес представляет только состояние (замкнуто или разомкнуто) одного ключа или ключевой схемы в целом, достаточным будет использовать ключевые модели. Изображение ключей и их соединений на принципиальных и функциональных схемах Модели ключей и их соединений Краткое описание Одиночный ключ. Исходное состояние «разомкнуто» Одиночный ключ. Исходное состояние «замкнуто» Параллельное соединение двух ключей. Исходное состояние обоих ключей «разомкнуто» Параллельное соединение двух ключей. Исходное состояние левого ключа «замкнуто», правого ключа «разомкнуто» Последовательное соединение двух ключей. Исходное состояние нижнего ключа «замкнуто», верхнего ключа «разомкнуто» А А А Выход Синхронное противофазное управление двумя ключами ключевой схемы. А – входной сигнал, подаваемый на входы обоих ключей 129 ПРИЛОЖЕНИЕ В Изображения логических элементов на функциональных и принципиальных схемах Даются изображения двухвходовых элементов, но может быть и любое другое количество входов. Выполняемая элементом функция Повторение логического значения входного сигнала Название элемента Символическое Графическое изображение обозначение Буферный элемент х y y Логическое отрицание входного сигнала Инвертор НЕ х Логическое умножение входных сигналов Конъюнктор И х1 х2 & Логическое сложение входных сигналов Дизъюнктор ИЛИ х1 х2 1 Логическое умножение входных сигналов с последующим отрицанием результата умножения Штрих Шеффера И-НЕ х1 х2 & Логическое сложение входных сигналов с последующим отрицанием результата сложения Стрелка Пирса ИЛИ-НЕ х1 х2 1 y y y y Примечание – На принципиальных и функциональных схемах входным сигналам элементов присваивается символ «хi» с индексированным порядковым номером, а выходным сигналам присваивается символ «yj» также с индексированным порядковым номером. Рекомендуемые размеры элементов (справочные данные): 6 х 12 y