Файл: Пакулов, Н. И. Мажоритарный принцип построения надежных узлов и устройств ЦВМ.pdf

Г л а в а 1

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАЖОРИТАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА

1.1.КЛАССИФИКАЦИЯ МАЖОРИТАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Мажоритарные элементы (МЭ) относятся к классу

где у — значение сигнала на выходе ПЭ; х*е0,1— зна­ чение сигнала на t-м входе ПЭ; 6*— весовой коэффи­ циент («вес») i-го входа; V — порог элемента, т — ко­ личество входов ПЭ,

если Z О,

если Z <[ О,

т

где Z = 2 biXi — V.

i=i

Мажоритарный элемент работает по принципу боль­ шинства и его выходной сигнал определяется из следую­

вых коэффициентов bi производится на тех входах, где

9

йкачение входного сигнала равно i или б соответственно. В вычислительной технике получили широкое рас­ пространение МЭ с нечетным количеством входов, вес каждого из которых равен единице. Порог МЭ в этом случае равен V = (m + l)/2. Функция, описывающая ра­

боту таких МЭ, имеет вид

( 1. 2)

где т — нечетное число.

МЭ в соответствии с выражением (1.2) могут быть построены тремя основными способами: суммированием гармонических сигналов; суммированием импульсных или потенциальных сигналов с использованием весовых резисторов и элемента, имеющего пороговую характери­ стику, и с помощью логических элементов И—ИЛИ—НЕ с диодной логикой на входе.

Первый способ построения МЭ используется в том случае, когда информация содержится в фазе гармони­ ческих колебаний. МЭ, построенные по этому способу, называются параметронами. Параметроны обладают исключительно высокой надежностью и нагрузочной спо­ собностью, по имеют сравнительно низкое быстродейст­ вие. Увеличение быстродействия параметронов встреча­ ет технические препятствия, связанные с трудностями канализации высокочастотных сигналов. Кроме того, изготовление параметронов интегральным способом вызывает затруднения технологического порядка. Поэто­ му параметроны как логические элементы не получили пока широкого распространения в вычислительной тех­ нике.

МЭ, построенные по второму способу, отличаются простотой схемы и экономичностью. В качестве элемен­ тов с пороговой характеристикой в этом случае исполь­ зуют транзисторы или туннельные диоды. Однако МЭ с резистивной логикой на входе имеют сравнительно не­ большое быстродействие и невысокую помехоустойчи­ вость. Для повышения быстродействия МЭ резистивного типа целесообразно применять переключатели тока.

МЭ, построенные по третьему способу, имеют ряд преимуществ по сравнению с МЭ с резистивной логикой на входе. Они обладают более высоким, быстродействи­ ем, большей помехоустойчивостью и сравнительно широ­

10

кой областью устойчивой работы. Однако реализация этим способом МЭ с количеством входов больше трех вызывает большие технические трудности из-за сложнос­ ти входной цепи.

МЭ, построенные по второму и третьему способам, могут быть изготовлены в виде интегральных схем. Луч­ шими по технологичности и ряду других параметров являются интегральные схемы с непосредственными свя­ зями по постоянному току внутри элементов и между ними. Поэтому в дальнейшем будут рассматриваться только интегральные МЭ подобного типа. Интегральные МЭ в зависимости от вида входной цепи и характера

транзисторной логикой (ТТЛ), с транзисторно-транзис­ торной логикой и переключателем тока (ПТТТЛ).

Перечисленные типы МЭ отличаются друг от друга временем включения и выключения, нагрузочной спо­ собностью, помехоустойчивостью и другими параметра­ ми. Ниже дается анализ и оценка основных статических и динамических параметров МЭ различных типов.

1.2. МАЖОРИТАРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С РЕЗИСТИВНОЙ ЛОГИКОЙ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕМ ТОКА (ПТРЛ)

Характеристики передачи

Мажоритарный элемент с резистивной логикой и по­ роговым элементом па переключателе тока (рис. 1.1) отличается от известных элементов типа ПТТЛ тем, что входные напряжения ивхь и„х2 и иПхз подаются не на базы транзисторов переключателя тока, а на резистив­ ный делитель, а переключатель тока содержит только два транзистора 77 и Т2.

Резистивный делитель Rl, R2, R3 и R4 вместе с переключателем тока обеспечивает выполнение мажоритарной логики и формирова­ ние уровней напряжений. Эмиттерные повторители на транзисторах ТЗ и 77, как и в элементах типа ПТТЛ, служат для повышения на­ грузочной способности элемента и обеспечивают смещение уровней напряжений, формируемых на выходах переключателя тока. Смеще­ нием уровней -напряжения с помощью эмиттер-ных повторителей до­ стигается согласование потенциалов выходов и входов элементов (потенциальное согласование элементов).

11

Резистор R7 вместе с источником питания Е0 образует генератор тока. Номинальные значения этих элементов должны выбираться так, чтобы изменение напряжения, действующего на базе транзи­ стора Т], не приводило к заметному изменению тока, протекающего через резистор R7. Опорное напряжение (и0п), как правило, фор­ мируется не за счет отдельного источника, а с помощью резистив­

ного делителя или эмиттерного повторителя уровня напряжения, сни­ маемого с резистивного делителя (рис. 1.2). Делитель R2, R3 вклю­ чается .между коллекторной и эмиттерной шинами питания. Транзистор Т исключает влияние тока базы транзистора Т2 на вели­ чину «оп. Диоды Д1 и Д2 предназначены для температурной стабилизации уровня

опорного напряжения.

рис. 1.3. На этом рисунке для простоты эквивалентными схемами замещены только транзисторы 77 и 77, входные цепи не показаны, а все элементы, выполняющие одно­ родные функции, обозначены одинаковыми символами; здесь гки и /кп — коллекторные токи транзисторов 77 и Т2

12

ми передачи элемента по отношению ко входному на­ пряжению (н<ц). В эти выражения в неявном виде вхо­ дят характеристики передачи по току:

Рис. 1.4. Характеристики передачи переключателя тока:

а — по току, б — по напряжению.

нению токов и напряжений от уровня 0,1 до уровня 0,9 их максимального размаха. Эту область обычно назы­ вают шириной области переключения.

При

что соответствует запертому состоянию 77 и открытому состоянию Т2, по выражениям (1.4) и (1.5) находим

Из соотношения (1.9) следует, что ширина области переключения определяется типами транзисторов, темпе­ ратурой их переходов и не зависит от режима и парамет-

Ц