大规模集成电路1

《大规模集成电路1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大规模集成电路1（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第11章 大规模集成电路,本章介绍了模数转换器（A/D）、数模转换器（D/A）,第11章第1课,在本次课中，我们将介绍数模转换器、模数转换器。,一、模数与数模转换器的引入,在生产实际中，往往还需要将经过数字系统分析处理后的结果（数字量）变换为相应的模拟量，实现这一功能的电路称为数模转换器，简称DAC或D/A转换器,二、数模转换器的基本原理,相邻两个编码信号转换出来的数值是不连续的值，它们之间的差值由最低码位所代表的位权来确定。（右图为1/8满值）,上图 所示为3位二进制输入时的数模转换特性。它表示了3位二进制代码的数字信号经过数模转换器后的输出模拟（电压）信号的对应关系,转换精度常用分辨率和转

2、换误差来描述。转换器所能分辨出的最小电压与最大输出电压之比称为分辨率，n位D/A转换器分辨率为1/（2n-1）。分辨率为D/A转换器的理论精度，其实际转换误差还与其它实际因素有关。,增加数字编码信号的位数，可以使相邻两个编码信号转换输出的差值减小。,输入信号位数越多，输出的模拟信号越接近连续的模拟信号，从而转换精度就越高,分辨率=ULSB/UOMAX= 1/（2n-1）,记住我！,实战：P416 11-1、2、3,转换原理方框图如右,先将需要转换的数字信号以并行或串行的方式存贮在数字寄存器中，然后由寄存器并行输出的每一位数字信号驱动一个数字位模拟开关，又通过模拟开关将参考电压按位权关系加到电阻

3、解码网络，完成转换,2、转换原理,3、理论转换公式,设D/A系统转换比例系数为1（大多数情况下均为1）,上式是D/A转换器的通用计算公式，式中，UREF为参考电源；,记住我！,【例1】已知一个4位权电阻DAC输入的4位二进制数码为D3D2D1D0=1011，参考电源UREF=-8V，转换比例系数为1。求转换后的模拟信号电压UO。,三、D/A转换器的芯片实例,数模转换器集成芯片种类较多，下面简要介绍十位倒T形电阻网络数模转换器AD7520的功能,AD7520内部结构图,倒T形电阻网络D/A电路结构,倒T形电阻网络D/A工作原理,模拟开关Si由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运算放大器反相端

4、，电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si则将电阻2R接地。根据运算放大器线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均将连“地”（地或虚地）。这样，流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。分析R-2R电阻网络可以发现，从每个节点向左看的二端网络等效电阻均为R，流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。 设由基准电压源提供的总电流为I(I=VREF/R)，则流入各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8和I/16。 于是可得总电流 i =VREF/R(D0/24+D1/23+D2/22+D3/21) =VREF/(R24) (Di2i

5、) 故Uo=I *Rf=VREF/24 (Di2i) i=0,1,2,3,右所示为十位数模转换器AD7520的管脚图,由于AD7520内部反馈电阻RF=R，所以，左图的转换关系如上,它采用CMOS型模拟开关，内部没有运算放大器；UDD为CMOS开关工作电源，UREF为转换器的参考电压，IOUT1、IOUT2分别对应外接运算放大器的反相端及同相端,AD7520的典型接法如图,四、模数转换器的一般过程,在模数转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的量，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样，然后再将这些采样值转换为输出的数字量,因此，一般模数转换器的

6、转换过程需要经过采样、保持、量化、编码四个步骤才能完成,uI为输入模拟量，CPS为采样脉冲，uI*为采样后的输出信号。,为了能保证采样输出信号uI*能恢复成原信号，采样脉冲的频率fS应满足（采样定理） fS=2fIM,（a）图中的N沟道MOS管TN作为采样开关用；C作为保持信号用，故称为保持电容；运算放大器用作缓冲放大器。 当采样脉冲CPS到来，在tw时间内TN管导通，运算放大器的输出uI*=uC=uI（解释）。 当采样脉冲CPS结束时，MOS管截止。由于电容的作用，电路将保持采样信号一定的时间，故（a）图为采样保持电路 可类似分析（b）图,实际电路中常使用集成采样保持电路，它具有更好的性能。

7、 图示电路是单片集成采样保持电路LF198的典型电路联接,4、电平量化的两种方式 通常在划分量化等级时有两种方法,只舍不入法，其量化单位为,式中，UIM为输入模拟信号的最大值，n为输出数字的位数,四舍五入法，其量化单位为,式中，UIM、n含义同上,记住我！,实战： P417 11-6、7,五、模数转换器的类型 模数转换器一般分为两大类：直接法、间接法,间接法工作速度低，但转换精度高，抗干扰能力强。常用的有电压时间变换型和电压频率变换型两种,直接法工作速度快，调整方便。但转换精度一般比间接法低。常用的有并联比较型和反馈比较型两种,在模数转换器中，也是用分辨率和转换误差来描述转换精度,2、模数转换

8、器的转换精度及速度,模数转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型的模数的转换器速度相差很大。 并联型模数转换器的转换速度最高，8位输出单片集成模数转换器的转换时间一般不超过50ns。逐次逼近型模数的转换器次之，8位输出单片集成模数转换器的转换时间一般在1050s之间。 间接型转换器的转换速度要低得多,分辨率以输出二进制或十进制数字的位数来表示，它说明模数转换器对输入信号的分辨能力,六、模数转换器的实例,IN0IN7：八路模拟量输入端； A，B，C：八路模拟量输入选择控制端； ALE： 地址锁存输入端，可加正脉冲； D0D7：八路数字量输出端； EOC： 转换结束输出端，高电平有效；

9、EOUT：输出允许端，高电平有效； START：转换启动信号输入端，可加正脉冲； CP： 外部时钟输入端，典型频率为640kHz； UREF（-），UREF（+）：转换器参考电源输入端；,ADC0809应用实例,实现A/D转换的过程如下： 在UL端加一个具有一定时间宽度的正脉冲（解释） 在ALE端加一个正脉冲，选择IN0进入A/D转换器 延时一个时钟信号 在START端加一个正脉冲，启动A/D转换器 反复查询EOC状态，直到EOC=1 令EOUT=1，读取D0D7,第11章第2课,在本次课中，我们将介绍存储器、PLD等大规模集成电路及其进行电子电路设计的一般方法。,谈到存储器，读者不免联想起触

10、发器和寄存器。 触发器具有两个稳定状态，可以存储一位二进制数。 寄存器由触发器组成，n位并行寄存器可存储n位二进制数。 触发器、寄存器均具有存储功能，但它们不是存储器。,一、概述,还有一些设备人们也把它称为存储器，如硬盘、软盘、光盘等。这些设备具有存储大量数据或信号的存储特点，但它的存储单元不属于电气部件，不可与电气设备直接联接，需要接口电路，因而不是电工电子技术课程研究的内容。 存储器是计算机的五大部件之一，是用于存储大量数据或信号的半导体器件 存储器应采用专门的电路结构，以满足大量数据存储的要求。,从集成工艺的角度，存储器可分为MOS存储器和双极型存储器。 从读写方式的角度，存储器可分为只

11、读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）。 ROM从字面意思上看只可读，但现在的ROM芯片均可写，按信息的写入方式分为： 固定ROM： 可编程ROM（简称PROM） 可擦可编程ROM（简称EPROM） 可电改写ROM（简称EEPROM） RAM可方便地读写数据，但当电源去掉后所存的信息立即消失。目前常用的RAM有SRAM、DRAM。,二、 存储器的电路结构,（1） 存储矩阵（由基本存储单元（可存储n位二进制数据）构成的存储阵列）,对存储器的一次读只能读出存储器所存储的大量数据中的一个数据。应通过地址译码器选择对应的存储单元。,将数据写入存储单元需要时间，读出数据也需要一定的时间，可通过输入输出

12、缓冲器完成。,存储器由存储矩阵、地址译码器、I/O缓冲器构成。,常用下面两个参数来描述存储器的存储容量 存储器的字数 通常把存储器的每个输出代码叫一个“字”。存储器所具有的地址线的根数m反映了存储器的字数。存储器的字数反映了存储器的存储单元的多少。 显然，具有m根地址线的存储器的字数为2m。 存储器的位数 存储器每个输出“字”所具有的二进制位数称为存储器的位数。存储器所具有的数据线的根数n反映了存储器的位数 上面两个参数常用“字数位数”形式来表示。 如8位8K存储器表示存储器的字数为8K，位数为8位，记为“8K8”。,三、芯片实例 1、RAM,2、 ROM集成芯片,简要说明如下： 具有11根地

13、址线A10 A0、8根数据线D7 D0； 输出使能控制端（当=0时，存储单元内容允许输出）； 片选控制（当=0时，芯片工作）； 专用设备擦除、专用设备写入,四、存储器的扩展,当使用一片RAM器件不能满足对存储容量的要求时，可以将若干片RAM组合起来，连接成一个容量更大的RAM 如果每一片RAM中的字数已经够用，而每个字的位数不够用时，可以采用位扩展法，将多片RAM组合成位数更多的RAM存储器,当使用一片RAM器件不能满足对存储容量的要求时，可以将若干片RAM组合起来，连接成一个容量更大的RAM。 【例1】请用2114实现一个“1K16”的存储系统（解答）,【例2】请用2114实现一个“2K4”

14、的存储系统（解答）,继续学习下一个例题,五、用 ROM实现组合逻辑函数,可用ROM实现组合逻辑电路,有一个44 ROM阵列的存储数据如右,这种方法称为采用大规模器件设计组合逻辑电路。,将地址单元用地址线A1A0表示，可得到如上表所示的真值表。 如果将地址端A1、A0作为输入变量，将D3、D2、D1、D0作为输出变量，上表对应四个两变量的逻辑函数。,可通过修改存储器内容实现任意的两变量函数。,【例3】请用44 ROM阵列实现下面的函数。,44 ROM有两个地址输入端A1、A0和四个数据输出端D3D0，可令： A=A1、B=A0、Y3=D3、 Y2=D2、Y1=D1、Y0=D0,将“0100”、“

15、1010”、“1010”、“0011”四个数据写入ROM的前四个单元即可,可通过几个例题来理解用大规模器件设计组合逻辑电路的方法,六、其它类型可编程逻辑器件,1、可编程逻辑器件的引入 如果从逻辑功能的特点上将数字集成电路分类，则可以分为通用型和专用型两类。 中、小规模器件均为通用型数字集成电路，可组成各种复杂的数字系统。 可以将自己设计的数字系统做成一片大规模集成电路，这种为某种专门用途设计的集成电路叫做专用集成电路。 将会大幅提高成本，延长设计、生产周期，产生一个很大的矛盾，在很大程度上限制了它的应用 可编程逻辑器件（简称PLD）是上个世纪80年代蓬勃发展起来的数字集成电路，用户可根据实际应

16、用需要，按某种规定方式改变PLD器件内部的结构，从而获得所需要的逻辑功能。,显然，PROM、EPROM均是一种可编程逻辑器件 PLD器件有多种类型，除前面介绍的PROM、EPROM外，常用的PLD产品主要有： FPLA（现场可编程逻辑阵列）、PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）、FPGA（现场可编程门阵列）及EPLD（可擦除的可编程逻辑器件）等。 其中FPGA和EPLD的集成度比较高，有时又把这两种器件称为高密度PLD。 伴随着PLD的发展，其设计手段的自动化程度也日益提高，新一代的在系统可编程（ISP）器件的编程就更加简单，只须将计算机运行产生的编程数据直接写入PLD即可。,黑点“”表示该点为固定联接点，出厂时已做好，用户不能修改；叉点“”表示该点为用户编程点，芯片出厂时该点也是接通的，用户可根据需要继续保持接通或将其断开；既无黑点“”也无叉点“”表示