CC BY
60
УДК 681.5: 681.3(075.8)
Н.И. Чернов, В.Я. Югай
ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫХ ЦИФРОВЫХ СТРУКТУР В ЛИНЕЙНОЙ АЛГЕБРЕ
Предложен новый подход к синтезу элементной базы для цифровой техники, основанный на использовании в качестве базовых функциональных элементов генераторов то. , для синтеза цифровых схем. Отмечены их улучшенные технические, технологические и
.
достоинствами логических линейных элементов: большей в сравнении с булевыми элементами допустимой девиацией напряжения питания, стойкостью к температурным и дру.
Логичесжие элементы; цифровые структуры; генератор тока; линейный синтез.
N.I. Chernov V.Y Yugay
FEATURES OF SYNTHESIS OF SEQUENTIAL DIGITAL STRUCTURE IN
LINEAR ALGEBRA
The new approach to synthesis of element base for the digital technics, based on use as base functional elements of generators of a current is offered. On their basis synthesis of logic elements and the elements of memory used for synthesis of digital schemes is executed. Their improved technical, technological and operational properties are noted. The proposed circuit solutions have all the advantages of linear logic elements: greater compared with the Boolean elements of permissible deviation of voltage, resistance to temperature and other factors
Logic elements, digital structures; the current generator; linear synthesis.
Вопросы линейного логического синтеза цифровых структур обсуждаются уже достаточно давно[1-7]. Привлекательность этого подхода состоит в его логико-математических [8], схемотехнических и эксплуатационных [9] особенностях. В настоящей работе рассмотрены особенности логического и схемотехнического проектирования линейных триггерных схем в КМДП-схемотехнике.
Как отмечалось в упомянутых выше работах, достоинством линейного элементного базиса является его преемственность: он был реализован на основе использования в качестве исходного булевого представления схем базовых логиче-. -
зациям новые логические, схемотехнические и эксплуатационные качества, позволяющие получать схемотехнические решения с улучшенными техническими ха.
В булевом подходе логические функции отличаются от аналогичных функций элементов памяти тем, что в них в качестве переменных используются значения состояния памяти и входные-выходные сигналы со сдвигом во времени. Дру, -
ствующих в физических схемах триггеров фиктивно приводятся к виду аналогич-, .
, -
ских зависимостей между входными переменными, в принципе не допускает неявного описания временных отношений между переменными, входящими в это опи-
сание. Иначе говоря, она предполагает для логического проектирования последовательностных схем наличие в составе элементного базиса элементов памяти наравне с логическими элементами. При кажущемся недостатке такого подхода в
нем есть рациональное зерно, суть которого состоит в представлении последовательностной схемы в виде некоторого объединения логических элементов и элементов памяти.
, -
тельностных схем (аппаратная реализация автоматов) также основана на этом подходе. Однако это возражение не выдерживает критики, поскольку существующая теория автоматов достаточно далека по своему содержанию от теории логического синтеза схем без памяти, в то время как линейная алгебра, как будет показано да, -тирования логических схем.
, -
метических операций предполагает соответствующее представление сигналов, подвергаемых действию этих операций. Одним из возможных представлений является токовое представление, при котором логической единице «1» соответствует наличие, а логическому нулю «0» - отсутствие кванта тока. Такое представление отличается от булева представления большим разнообразием: квант тока помимо его наличия либо отсутствия может быть втекающим либо вытекающим.
В состав структурного КМДП-б^иса в качестве обязательных должны войти следующие элементы [5]:
♦ управляемый токовый ключ;
♦ задающий генератор тока с системой управляемых «токовых зеркал» для создания необходимого количества параллельно участвующих в реализации логической функции квантов вытекающих и втекающих токов;
♦
;
♦
,
;
♦ элементы памяти для хране ния логической информации;
♦
логических уровней (преобразователь «ток-напряжение»).
Поскольку перечисленные структурные элементы используются для синтеза
,
-.
Простейшая схемотехническая реализация управляемого токового ключа приведена на рис. 1.
Логическое
управление
о +
ч
<э-
Квант
втекающего
I
Квант
вытекающего
Логическое
управление
н
±
а
б
Рис. 1. Принципиальная схема токового ключа: а - вытекающего тока;
б - втекающего тока
Ключ управляется логическим сигналом, при этом логической единице «1» соответствует наличие, а логическому нулю «0» - отсутствие кванта тока на выходе ключа. Величина кванта тока задается сигналом р, она является общей для всех токовых ключей реализуемой логической схемы.
Схемотехническая реализация задающего КМДП-генератора тока не имеет особенностей по сравнению с ТТЛ-реадизацией [2]. В нем могут быть использованы две реализации «токового зеркала»: с источником опорного тока на КМДП-транзисторе в «диодном» включении и с использованием дополнительного транзистора. Эти реализации приведены на рис. 2 и 3 соответственно. К каждому выходу р схемы на рис. 2 можно подключить порядка десяти «токовых зеркал», а на рис. 3
- порядка ста.
ип
а
і
о
о-
На управление «токовыми зеркалами»
і
к
ип
0+ На
управление
«токовыми
зеркалами»
б
Рис. 2. Принципиальные схемы задающих генераторов тока с источником опорного тока на транзисторе в «диодном» включении: а - для втекающих токов;
б - для вытекающих токов
а
№
5
(3_ На управление
------ «токовыми
зеркалами»
М2
0 + На управление «токовыми зеркалами»
а б
Рис. 3. Принципиальные схемы задающих генераторов тока с дополнительным : - ; -
Поскольку в линейном представлении реализуемой логической функции обязательно присутствуют как положительные (представляемые квантами вытекающего тока), так и отрицательные (представляемые квантами втекающего тока) сла-
,
присутствовать «зеркала» как вытекающих, так и втекающих токов, между величинами которых должны быть установлены определенные соотношения. Напри,
х1 - х2 = 0,
где х1 соответствует квант вытекающего тока 1х1, а х2 - квант втекающего тока 1х2, необходимо выполнение соотношения 1х1 < 1х2.
Вероятно, наиболее оптимальным способом обеспечения подобных соотношений и сохранения их в широком диапазоне девиаций возмущающих факторов является формирование стоковых зеркал» втекающих и вытекающих токов друг из друга. Подобное решение этой задачи при использовании в качестве основного генераторов вытекающего и втекающего токов приведено на рис. 4, а и б соответственно.
Рис. 4. Принципиальные сланы двунаправленных задающих генераторов токов с формированием: а - втекающего тока из вытекающего; б - вытекающего тока
из втекающего
Необходимое соотношение между значениями вытекающего и втекающего токов может быть задано соответствующим выбором площадей истоков транзисторов У3 и Уб (VI и У5).
На рис. 5 приведены принципиальные схемы токового инвертора. Он реализует логическую функцию инверсии х = 1 - х с токовым выходом вытекающего (а) или втекающего (б) тока.
°ч
О:
Я
-1-х
Рис. 5. Принципиальная схема логического инвертора: а - для вытекающего тока;
-
Теперь рассмотрим линейную реализацию элементов памяти. В булевой схе-
, ,
объединение двух инверторов. Поступая аналогичным образом, получим линейную схемотехническую реализацию элемента памяти, показанную на рис. б (без ).
а
Он представляет собой объединение двух разнополярных инверторов и является фактически эквивалентной схемой тиристора. Этот факт является важным для организации цепей управления этим элементом памяти.
Как известно, перевод тиристора в проводящее состояние производится подачей положительного сигнала на его управляющий электрод, а вывод его из проводящего состояния - разрывом цепи тока. Этот режим может быть создан, как показано на рис. 7.
. Упит
£
$
о -
ц
\/ч
а
Рис. 6. Схемотехническая реализация элемента памяти
Рис. 7. Схемотехническая реализация асинхронного триггера
Для организации синхронного режима работы необходимо включение цепей синхронизации последовательно с каждым из ключей управления входами, как показано на рис. 8. Здесь управление по входу установки логического нуля «0» производится по схеме И, а по входу установки логической единицы «1» - по схе-. . -ние задачи синхронизации представлено на рис. 9.
Рис. 8. Схемотехническая реализация Рис. 9. Схемотжническая
синхронного триггера реализация синхронного триггера
Предложенные схемотехнические решения обладают всеми достоинствами логических линейных элементов: большей в сравнении с булевыми элементами допустимой девиацией напряжения питания, стойкостью к температурным и другим воздействиям.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чернов Я.Я. Основы логического синтеза цифровых структур над полем вещественных чисел. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. - 146 с.
2. Чернов НИ. Булево линейное пространство как алгебраическая структура для логического синтеза цифровых устройств // Известия ТРТУ. - 2003. - № 1 (30). - C. 73-76
3. Чернов НИ. Структурный синтез цифровых устройств в булевых линейных пространствах // Известия ТРТУ. - 2003. - № 2. (31). - C. 215-220.
4. . .
// . -
«Интеллектуальные системы (IEEE AIS’05)» и «Интеллектуальные САПР (CAD-2005)».
- 2005. - Т. "1. - С. 420-424.
5. . . -
рах тока // Известия ТРТУ. - 2005. - № 11 (55). - C. 78-85.
6. Чернов НИ. Логический синтез цифровых структур в линейных алгебрах // Матер. V
- «
». - , 2006. - . 27-36.
7. Назаров С.П., Чернов НИ. Математический аппарат логического проектирования циф-
// . VI -
« ».
Ч. 2. - Шахты, 2007. - С. 4-14.
8. . . -
// . . - 2008. - 7 (84).
- C. 13-19.
9. Чернов НИ. Методы логического синтеза цифровых структур в линейной алгебре // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 7 (84). - С. 19-25.
10. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. - Л.: Энергия, 1974. - 216 с.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Я.Е. Ромм.
Чернов Николай Иванович
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
.: 88634371773.
Кафедра систем автоматического управления; профессор.
Югай Владислав Яковлевич
Кафедра систем автоматического управления; доцент.
Chernov Nikolai Ivanovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371773.
The Department of Automatic Control Systems; Professor.
Yugay Vladislav Yakovlevich
The Department of Automatic Control Systems; Associate Professor.
