Układy scalone
Współczesna technologia elektronowa pozwala na wykonywanie obwodów, w których tysiące elementów elektronicznych mieszczą się na pojedynczej płytce krzemowej mniejszej od paznokcia. Płytka stanowiąca podłoże półprzewodnikowe, jest specjalnie obrobiona, dzięki czemu niektóre jej części stają się tranzystorami, diodami, kondensatorami, rezystorami bądź stanowią doprowadzenia prądu. W ten sposób powstaje obwód scalony, w skrócie IC (intergrated circuit). Ma on rozliczne zastosowania. Może być umieszczony na zegarku elektronicznym, można go wykorzystać jako wzmacniacz w radiu lub "mózg" w kalkulatorze. Najdoskonalszym rodzajem obwodu scalonego jest mikroprocesor. Stanowi on podstawową część każdego komputera. Może sterować silnikiem samochodu, kierować pociągiem, a także czuwać nad lotem samolotu bądź kontrolować ruchy robota. Całość obwodu mieści się w obudowie, z której odstają metalowe "nóżki" łączące obwód scalony z pozostałymi obwodami. Obwody elektroniczne, w których mogą znajdować się układy scalone, spełniają cztery podstawowe funkcje:
Przełączanie
W niektórych obwodach słabe sygnały elektryczne włączają i wyłączają inne obwody elektroniczne. Działają one na zasadzie automatycznie otwieranych drzwi. Kiedy ktoś zbliża się do nich, czujnik podczerwieni wysyła sygnał do obwodu elektronicznego włączając silnik, który otwiera drzwi.
Wzmacnianie
Stosowane jest dla zwiększenia amplitudy sygnału. Sygnały docierające do anteny radiowej są bardzo słabe. Dlatego radioodbiornik wyposażony jest w wzmacniacz, dzięki któremu stają się one silniejsze i mogą pobudzać głośnik, z którego słyszymy dźwięk.
Prostowanie
Istnieją dwa zasadnicze rodzaje prądu elektrycznego. Prąd z baterii na przykład jest prądem stałym ( DC - direct current) i zawsze płynie w tym samym kierunku. Prąd z sieci zasilającej jest prądem zmiennym ( AC - alternating current) i płynie w obu kierunkach: na przemian, okresowo. Obwody prostownicze są podobne do drzwi obrotowych. Pozwalają na przepływ prądu tylko w jednym kierunku, czyli zamieniają (prostują) prąd zmienny na stały. Przenośne radia zasilane z baterii mogą być również zasilane z sieci prądu zmiennego, jeżeli włączymy je przez prostownik.
Generacja sygnału
W wielu układach elektronicznych potrzebne są przebiegi zmienne o różnych częstotliwościach. Wytwarzają je obwody zwane generatorami. Generatorów używa się na przykład w nadajnikach radiowych i telewizyjnych, gdzie wytwarza się tak zwane fale nośne pozwalające na przesyłanie sygnału akustycznego lub wizyjnego na duże odległości.
Wzmacniacze operacyjne.
--------------------------------------------------------------------------------
Wzmacniacz operacyjny pojawił się w latach 60-tych i od tego czasu obserwujemy jego wszechstronny rozwój. Najprościej można go opisać jako wzmacniacz z dwoma wejściami, odwracającym (-) i nieodwracającym (+). Różnica napięć między tymi wejściami jest wzmacniana przez wzmacniacz o bardzo dużym wzmocnieniu. Aby otrzymać żądane wartości wzmocnienia, stosuje się zewnętrzne obwody ujemnego sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie zwrotne obniża wartość wzmocnienia ale poszerza pasmo przenoszenia częstotliwości i poprawia liniowość. Wiele typów wzmacniaczy operacyjnych może pracować z taką wartością sprzężenia zwrotnego, że wzmocnienie jest równe jedności, a jednocześnie stabilność wzmacniacza jest nienaruszona. Dla niektórych wzmacniaczy, mających w takim przypadku problemy ze stabilnością, musi być stosowana kompensacja opóźniająca lub przyspieszająca w postaci zewnętrznych układów RC.
Wielkość maksymalnej zmiany napięcia wyjściowego zależy od zastosowanych napięć zasilających. Najczęściej spotykaną wartością jest ok. 15V. Bardzo szybkie wzmacniacze operacyjne zasila się napięciem ok. 5V.Szybkość działania takich wzmacniaczy uzyskuje się dzięki stosowaniu wyższych prądów wysterowania, a to dla przyspieszenia ładowania wewnętrznych pojemności. Obniżenie napięcia zasilania jest konieczne, aby nie powodować wydzielania nadmiernej mocy w strukturze krzemowej.
Niektóre zastosowania wymagają niskiej wartości wejściowego napięcia niezrównoważenia (napięcia offsetu) tj. napięcia, jakie trzeba przyłożyć między wejściami, aby zniwelować niesymetrię wejściowego stopnia wzmacniacza, a także małej wartości współczynnika cieplnego wejściowego napięcia niezrównoważenia. Aby spełnić szczególnie ostre wymagania dotyczące tych właściwości, zbudowano wzmacniacz z przetwarzaniem. Napięcie wejściowe jest zamieniane przez przełącznik analogowy na ciąg impulsów o dużej częstotliwości, a kondensator podtrzymuje przebieg w czasie między próbkowaniami. Technika przetwarzania umożliwia osiągnięcie wartości napięcia niezrównoważenia rzędu ok. 1uV. Dryft temperaturowy napięcia jest również bardzo mały i wynosi 0,05uV / stopni C. Technikę przetwarzania używa się głównie dla sygnałów stałoprądowych lub wolnozmiennych.
Kiedy sygnał podawany jest między oba wejścia wzmacniacza operacyjnego w układzie wejścia zrównoważonego, ważnym jest, aby jednakowe sygnały o tej samej fazie zostały całkowicie stłumione. Właściwość ta jest opisywana w danych technicznych przez współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (Common Mode Rejection Ratio - CMRR) wyrażany w dB.
O szybkości wzmacniacza mówi parametr szybkość zmian napięcia wyjściowego (slew rate) równy maksymalnej pochodnej napięcia wyjściowego. Pokazuje on po prostu o ile woltów może wzrosnąć sygnał w czasie 1ms. Wysoka szybkość zmian napięcia wyjściowego odpowiada dużej szerokości pasma.
Szumy układów określane są przez współczynnik szumu. Na ogół podaje się go w nV/ Hz. Oznacza to, że napięcie szumu wzrasta z kwadratem zastosowanej szerokości pasma.
W wielu zastosowaniach wymagana jest wysoka impedancja wejściowa. W takich przypadkach należy używać wzmacniacza operacyjnego, który na wejściu posiada tranzystory polowe FET lub MOSFET. Technologia Bi-FET umożliwia jednoczesne umieszczanie na jednym podłożu zarówno układów bipolarnych jak i unipolarnych złączowych FET. Wzmacniacze MOSFET posiadają teoretycznie wyższą oporność wejściową, dzięki w zasadzie czysto pojemnościowemu charakterowi wejść. W praktyce ich oporność wejściowa ma wartość tego samego rzędu jak wejścia z tranzystorami FET. Bierze się to stąd, że wejścia wykonane w technologii MOSFET muszą być chronione diodami zabezpieczającymi, a prądu upływu diod zmniejsza oporność wejściową wzmacniacza.
Dwoma szczególnymi odmianami wzmacniaczy operacyjnych są wzmacniacz Nortona i wzmacniacz o zmiennej transkonduktancji.
Wzmacniacz Nortona ma bardzo małą oporność wejściową a jego sterowanie odbywa się prądowo. Oba wejścia można traktować jako diodę. Innymi słowami można powiedzieć, że działanie wzmacniacza jest oparte na odejmowaniu prądów wejściowych.
Wejście różnicowe wzmacniacza o zmiennej transkonduktancji posiada duża oporność. Charakterystyczne jest istnienie trzeciego wejścia, poprzez które można terować wzmocnieniem prądowym, zmieniając wartość transkonduktancji.
Komparatory są w zasadzie zbudowane w taki sam sposób jak wzmacniacze operacyjne. Zostały one zoptymalizowane tak, aby dla małych zmian napięcia wejściowego, napięcie wejściowe mogło szybko przełączać się z pełnej wartości dodatniej na pełną wartość ujemną. Aby uzyskać histerezę przełączania stosuje się dodatnie sprzężenie zwrotne. Na ogół pozwala to na pewniejsze przełączanie i zmniejsza ryzyko oscylacji, o ile sygnał wejściowy nie zmienia się zbyt szybko.
Wzmacniacze pomiarowe powstały w wyniku rozwoju wzmacniaczy operacyjnych z wewnętrzną pętlą sprzężenia zwrotnego. Mają możliwość regulacji wzmocnienia jednym rezystorem zewnętrznym. Ponieważ są często używane do wzmacniania niewielkich sygnałów różnicowych w zastosowaniach pomiarowych, charakteryzują się bardzo dużym współczynnikiem tłumienia sygnału współbieżnego (CM-RR). Wzmacniacze pomiarowe są często wysokoomowym obciążeniem źródeł sygnałów o bardzo niskim napięciu.
Wtórnikiem napięciowym nazywamy wzmacniacz operacyjny, w którym wejście odwracające jest połączone z wyjściem. Taki typ wzmacniacza operacyjnego daje wzmocnienie napięciowe równe 1, stąd inna nazwa - wzmacniacz o wzmocnieniu jednostkowym. Podobnie jak tranzystorowy wtórnik emiterowy używany jest do sterowania większych obciążeń. Może być również zastosowany w układach separujących, np. po wzmacniaczu operacyjnym.
Wzmacniacze izolacyjne przekazują liniowo sygnał pomiędzy układami o rozdzielonych masach. Posiadają wejście odizolowane galwanicznie od wyjścia. Przenoszenie sygnału może odbywać się w sposób optyczny, indukcyjny lub pojemnościowy. Wzmacniacz taki może mieć napięcie izolacji między wejściami i wyjściami rzędu tysięcy woltów, a oporność izolacji może mieć wartość powyżej 10 MW. Ten typ wzmacniacza ma również możliwość tłumienia sygnału współbieżnego o ponad 100 dB Pozwala to na pracę z małymi sygnałami, które znajdują się na potencjale zmieniającym się w dużym zakresie. Przykładem zastosowania może być np. technika medyczna, gdzie podczas badania pacjentów musi być zastosowana duża rezystancja między nimi a urządzeniami pomiarowymi. Innym zastosowaniem jest zbieranie danych pomiarowych w środowiskach o silnych polach zakłócających.
Układy logiczne
--------------------------------------------------------------------------------
Standardowe układy logiczne można podzielić na dwie główne grupy:
Układy bipolarne i układy CMOS.
Rodziny układów logicznych bipolarnych
Standardowe układy TTL (54/74) dały początek całej rodzinie układów TTL (Transistor-Transistor Logic). Obecnie stosuje się bardziej nowoczesne wersje. Czas propagacji sygnału przez jedną bramkę wynosi ok 10 ns, a pobór mocy 10 mW.
Układy TTL Schottky'ego (74S) to pierwsza szybka seria w rodzinie TTL. Wchodzące w jej skład diody Schottky'ego zapobiegają nasycaniu się tranzystorów. Obecnie używa się jeszcze szybszej serii AS. Dla serii TTL-S czas propagacji sygnału przez jedną bramkę wynosi ok 3 ns, a pobór mocy 20 mW. Dioda Schottky'ego składa się ze złącza metal-n, zamiast ze złącza p-n, jak ma to miejsce w normalnej diodzie. Dioda Schottky'ego ma małą pojemność oraz mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia niż dioda krzemowa. Jest łatwa do wykonania w procesie produkcyjnym układów bipolarnych.
Układy TTL Schottky'ego z serii bardzo szybkiej - mają czas propagacji sygnału przez jedną bramkę ok 1,5 ns, a pobór mocy 22,5 mW.
Uklady TTL Schottk'ego małej mocy - są używane obecnie jako następcy standardowych ukladów TTL. Czas propagacji sygnału przez jedną bramkę wynosi ok. 9 ns, czyli są nieco szybsze niż standardowe układy TTL. Pobór mocy przez bramkę wynosi jednak tylko 2 mW.
Układy TTL Schottk'ego małej mocy z sreii bardzo szybkiej - łączą dużą szybkość i niski pobór mocy. Czas propagacji sygnału przez jedną bramkę wynosi ok. 4 ns, a pobór mocy 1 nW.
Układy TTL z serii szybkiej - są układami bardzo szybkimi o czasie propagacji sygnału przez jedną bramkę wynoszącym 3 ns oraz poborze mocy 4 mW.
Przedstawione powyżej układy TTL są zasilane napięciem 5 V. Wartość napięcia zasilania jest dość krytyczna. Powinna się ona zanajdować w przedziale od 4,75 do 5,25 V. Zasilanie należy dołączyć do kilku punktów układu złożonego z elementów TTL, aby uniknąć wpływu spadków napięcia spowodowanych zmianami obciążenia ścieżki zasilającej, które są zależne od sygnałów wejściowych bramek. Innym problemem są piki prądu pojawiające się na szynie zasilania w chwili, kiedy oba tranzystory stopnia wyściowego typu "totem pole" chwilowo przewodzą jednocześnie. Rozwiązaniem jest stosowanie kondensatorów odsprzęgających o możliwie krótkich wyprowadzeniach. Dla uzyskania szerokiego marginesu odporności na zakłócenia, a jednocześnie zdolności do przenoszenia szybkich sygnałów, powinien być zapewniony stabilny potencjał masy.
Granicznym poziomem napięcia wyjściowego dla układów TTL w stanie "zera" jest maksymalnie 0,4 V, a w stanie "jedynki" co najmniej 2,4 V (maksymalnie aż do napięcia zasilającego). Graniczny poziom wyjściowy w stanie "jedynki" nie jest wyższy ze względu na spadek napięcia na rezystorze 130 W, na tranzystorze i diodzie stopnia wyjściowego TTL. Na wejściu maksymalna wartość napięcia wynosi 0,8 V, minimalna 2,0 V. W najgorszym przypadku margines zakłóceń zarówno dla "jedynki" jak i dla "zera" jest równy 0,4 V. Dla "jedynki" zwykle przyjmuje się wartość 0,7 V.
Układy ECL (Emitter Coupled Logic) używane są głównie tam, gdzie potrzebna jest ekstremalna szybkość działania. Typowymi poziomami (dla rodziny układów MECL 10000) są: -0,9 V dla "jedynki" i -1,75 V dla "zera", tzn. odstęp pomiędzy dwoma poziomami logicznymi wynosi tylko 0,85 V. Wewnątrz układu wejściowe stopnie różnicowe sterują prądowo prądowo jedno lub drugie wujście kolektorowe. Sterowanie prądowe zapobiega nasycaniu się tranzystorów wyjściowych, co w decydującym stopniu wpływa na szybkość działania układu. Zdarza się, że układy ECL mogą pracować z częstotliwością zegara rzędu wielu GHz. Pobierają one stosunkowo dużą moc ze źródła zasilania.
Układy RTL (Resitor - Transistor Logic) - należą do jednej z najstarszej kategorii półprzewodnikowych układów logicznych. Mają one połączenia rezystancyjne i zawierają stosunkowo mało tranzystorów. Wejścia składają się z pewnej liczby rezystorów dołączonych do tranzystorowego stopnia wejściowego. Wadami układów RTL są: przesłuch między różnymi wejściami oraz mała szybkość działania. Ten typ układów nigdy nie pojawił się w postaci scalonej w przciwieństwie do układów DCTL (Direct - Coupled Transistor Ligic). Są one wariantem kategorii układów logicznych z połączeniami rezystancyjnymi. Posiadają tranzystor na każdym wejściu, co pozwala uniknąć przesłuchów. Czas propagacji takiej bramki jest jednak bardzo duży w porównaniu do wartości osiąganych dzisiaj i wynosi 50 - 100 ns. Margines zakłóceń jest także wąski, tylko 0,2 V. Układy tego typu mają jedynie znaczenie jako czxęsci zamienne w starszej aparaturze.
Układy DTL (Diode - Transistor Logic) były pierwszą wielką rodziną układów logicznych. Był one bardzo poularne w połowie lat 60-tych, kiedy szybko zostały zastąpione znacznie lepszą rodziną TTL. W tatmym czasie zdarzało się, że w tej samej konstrukcji występowały obok sibie układy DTL i TTL, ponieważ ich poziomy pracy różniły się nieznacznie. W tej rodzinie wiele oporników z układów RTL zostało zastąpionych diodami, które zajmują mniej miejsca na płytce krzemowej. Bramka DTL składa się z diod na wejściach i tranzystora formującego sygnał wyjściowy. Wyjście z tranzystorem i opornikiem w kolektorze dawało nie najlepszą szybkość przełączania, zwłaszcza ze stanu "zero" do "jedynki". Drugim problemem wymagającycm rozwiązania były prądy upływu diod wejściowych. Rozwiązaniem takim była rodzina układów TTL ze swoim stopniem wyjściowym typu "totem pole" oraz z wieloemiterowym tranzystorem na wejściu.
Obecnie układy DTL mają znaczenie wyłącznie jako części zamienne.
Układy DTLZ, HLL, HNIL są przykładami starszych rodzin bipolarnych układów logicznych, zaliczanych do klasy układów o wysokiej odporności na zakłócenia. Są one zasilane napięciem 10 lub 15 V. Układy tych typów są powolne, ale mają szeroki margines odporności na zakłócenia. Czasami dołącza się dodatkowe kondensatory, spowalniające co prawda układy jeszcze bardziej, ale czyniąc je jeszcze bardziej odporne na zakłócenia.
STOPIEŃ WYJŚĆIOWY
Wyjście z obciążeniem aktywnym ( typu "totem pole") jest najczęściej spotykane w układach TTL. W pewnych sytuacjach nie jest to jednak rozwiązanie wygodne, dlatego używa się kilku alternatywnych typów stopni wyjściowych.
Wyjście z otwartym kolektorem (open collector) stosuje się wtedy, kiedy chcemy dołączyć kilka wyjść bramek do jednej szyny, aby zrealizować tzw. sumę montażową (wired-OR) albo chcemy wykorzystać stopień wyjściowy do sterowania obciążeń dołączonych do podwyższonego napięcia zasilania lub wymagających wysterowania dużym prądem. Aby móc dalej połączyć wujście do innych układów logicznych, trzeba dołączyć do kolektora zewnętrzny rezystor.
Wyjście z otwartm kolektorem składa się jedynie z kolektora tranzystora npn. Wyjście jest dołączone do masy (pozycja załączona) albo jest całkowicie otwarte (pozycja odłączona).
Wyjścia trójstanowe (TRI-STATE) stosowane są do dołączania pewnej liczby wyjść do jednego wejścia np. w interfejsie komputerowym. Stan specjalnego wejścia uaktywniającego stopień wyjściowy określa, czy wyjście zachowuje się jak wyjście zwykłego układu z obciążeniem aktywnym, czy zostaje wprowadzone w trzeci stan (rozwarcia).
RODZINA UKŁADÓW LOGICZNYCH CMOSMożna w niej wyróżnić dwa podstawowe typy układów. Pracujące z poziomami logicznymi CMOS oraz pracujące z poziomami TTL. Tych ostatnich używa się jednocześnie z bipolarnymi ukladami TTL, kiedy trzeba zachować jednolitość poziomów Iogicznych w zlożonych układach cyfrowych. Cala rodzina wzięła nazwę od komplementarnych tranzystorów MOS, z których zbudowany jest stopien wyjściowy. W stanie statycznym pobór mocy jest bardzo mały i wynosi ok. 10 nW / bramkę. Zwiększa się on wraz ze wzrostem częstotliwości pracy i przy kilku MHz jest tego samego rzędu co w ukladach TTL-ALS.
Uklady CMOS mają dużo szersze marginesy zakłócen. Można je dodatkowo rozszerzyć przez podniesienie wartości napięcia zasilającego. Możliwość ta sprawiła, że układy CMOS przejęły rolę ukladów bipolarnych zaliczanych do klasy o wysokiej odpowrności na zakłócenia i świetnie nadają się do stosowania w środowisku przemysłowym, do pracy z umiarkowanymi częstotliwościami. Trzeba jedynie zwrócić uwagę, aby połączenie wysokiego napięcia zasilania oraz dużej częstotliwości zegara nie doprowadzily do nadmiemego wydzielania się mocy w układach.
Rodzina układów 4000 powstała ona pod koniec lat 60-tych i jest obecnie najczęściej używana. Jest ona wolniejsza w porównaniu z rodziną TTL. Czas propagacji sygnału przez bramkę wynosi ok. 20 ns. Rozkład wyprowadzeń jest inny niż wW rodzinie TTL. Napięcie zasilania może mieć wartość od 3 do 15 V (w niektórych wypadkach 18V).
W rodzinie istnieje seria ukladów 4000B z buforowanymi wyjóciami. W porównaniu z układami bez buforowania, ma ona dłuższy czas propagacji, ale szerszy margines zakłóceń, stałą impedancję wyjściową, wyższe wzmocnienie i niższą pojemność wejściową. lstnieje jednak ryzyko oscylacji w przypadku pracy z sygnałami o wolno narastających zboczach.
Układy 74C są wersją serii 4000 z rozkładem wyprowadzen zgodnym z ukladami TTL, ale pracującą z poziomami logicznymi CMOS.
Układy 74HC i 74HC4000 są współczesnymi następcami ukladów 74C, i odpowiednio serii 4000. Rozkład wyprowadzeń pozostał niezmieniony. Są to układy dużo szybsze, o czasie propagacji przez bramkę wynoszącym ok. 8 ns. Napięcie zasilania może mieć wartość od 2 do 6 V. Margines zakłóceń ma szerokość 1,4 V zarówno dla stanu niskiego jak i wysokiego.
Układy 74HCT są wersją układów 74HC, przystosowaną do pracy z poziomami TTL. Posiadają one taką samą szybkość jak układy HC. Napięcie zasilania może mieć wartość od 4,5 do 5,5 V. Marginwsy zakłóceń wynoszą 0,7 V dla poziomu niskiego i 2,4 V dla wysokiego, pod warunkiem, że układ HCT jest połączony z innymi układem HCT. Z dołączonym do wyjścia układem TTL-LS marginesy zakłóceń będą wynosić opdpowiednio 0,47 V i 2,4 V, a z układem TTL-LS dołączonym do wejścia odpowiednio 0,4 V i 0,7 V, tzn, będą takie same jak dla układu TTL-LS połączonego z innym układem TTL-LS.
Układy 74LV są dalszym rozwinięciem rodziny 74HC, w których udało się zachować taką samą szybkość i obciążalność wyjścia, mimo obniżenia wartości nominalnej napięcia zasilania do 3,3 V. Niższe napięcie oznacza niższy pobór mocy, a dla urządzeń zasilanych bateriami - mniejszą liczbę ogniw w bateriach. Rodzina układów 74LV ma rozkład wyprowadzeń zgodny z układami 74HC i może być zasilana napięciem o wartości od 1,0 do 3,6 V. Rodzina 74LV obejmuje dużą część zestawu funkcji wykonanych przez układy 74HC i występuje jedynie w postaci układów przeznaczonych do montażu powierzchniowego.
Przy połączeniach z układami o poziomach logicznych TTL, układy 74LV mogą być sterowane przez bipolarne układy TTL ale nie mogą przez układy 74HC(T). Natomiast układy 74LV mogą sterować układami TTL i 74HCT. Przy sterowaniu przez układ 74HC, sterowany układ może pobierać większy prąd niż normalnie.
Układy ACL z wariantami AC (poziomy CMOS) i ACT (poziomy TTL) powstały w roku 1985. Są one znacznie szybsze niż układy HC. Czas propagacji sygnału przez jedną bramkę jest krótszy od 3 ns. Wśród zalet można wymienić wysoką i symetryczną obciążalność wyjścia. Wynosi ona 24 mA, zarówno dla stanu wysokiego jak i niskiego. Inne typy mają obciążalność +/- 48 mA lub +/- 64 mA. Stopień wyjściowy może bezpośrednio wysterować przewody transmisyjne. Może to być kabel koncentryczny, skrętkowy lub mikrolinia paskowa. Odbiornik powinien być obciążony rezystorem 300 W, aby uniknąć odbić od wejścia o bardzo wysokiej impedancji (100000MW/7,5 pF). W stanie statycznym układy AC/ACT pobierają prąd tylko 1mA, zarówno dla stanu wysokiego jak i niskiego.
Obciążalność wejściowa i wyjściowa są ważnymi parametrami, które muszą być uwzględniane podczas projektowania układów cyfrowych. Bramka typu 7400 w standardzie TTL, ma obciążalność wyjściową 10 tzn, że może być ona obciążona 10 wejściami innych bramek TTL. Odpowiada to prądowi weyjściowemu o wartości 0,4 mA dla stanu "jedynki" lub 16 mA dla stanu "zera" na wyjściu.
Istnieje również możliwość sprzęgania układów CMOS przystosowanych do poziomów logicznych TTL ze standardowymi układami TTL. Wyjście układu HCT można, np obciążyć alternatywnie 2 standardowymi bramkami TTL, 2 bramkami TTL-S, 2 - TTL-AS, 10 - TTL-LS, 20 - TTL-ALS lub 6 bramkami TTL-F.
Pobór prądu może być bardzo niski dzięki zastosowaniu układów CMOS. W stanie spoczynku, statyczny prąd zasilania pobierany przez układ jest bardzo mały. Wartość prądu zasilania rośnie jednak wraz ze wzrostem częstotliwości pracy. Związane jest to z pojemnościowym obciążeniem wyjścia przez przewody połączeniowe i wejścia innych układów logicznych. Dlatega dla bardzo wysokich częstotliwości nie ma różnicy w poborze prądu między układami bipolarnymi i CMOS.
Odporność na zakłócenia to kolejny parametr wymagający uwzględnienia już w początkowej fazie projektowania urządzeń cyfrowych. Generalnie układy CMOS są bardziej odporne na zakłócenia niż układy TTL, nie należy jednak wybierać układów szybszych niż jest to niezbędne. Szybkie układy powinny być stosowane tylko wtedy gdy są niezbędne. Niższe napięcie zasilania układów CMOS obniża poziom generowanych zakłóceń. Są one mniejsze dzięki wzrostowi natężenia prądów, mimo jednoczesnego zwężenia się marginesów zakłóceń. Aby zmniejszyć zakłócenia należy stosować układy byforowe do sterowania przewodów transmisyjnych, przenoszących szybkie sygnały na dłuższe odległości. Układy powinny mieć jak najkrótsze doprowadzenie do linii transmisyjnej. Linie sygnałowe i linie masy należy prowadzić wspólnie. Najlepiej jeżeli są one umieszczone na płytce drukowanej - linie sygnałowe z jednej, a linie masy z drugiej strony. Należy uważać na tworzące się pętle masy, które mogą odbierać lub wysyłać zakłócenia.
Programowalne układy logiczne zastępują coraz bardziej tradyzyjne rodziny układów logicznych w nowych konstrukcjach. Układy PAL (Programmable Array Logic), składają się z programowalnej matrycy z bramek AND oraz z dołączonej za nią stałej matrycy z bramek OR. Matryca może być zbudowana aż z kilku tysięcy bramek. Układy PAL produkuje się zarówno w technologii bipolarnej jak i CMOS. Istnieją wersje kasowane promieniowaniem ultrafioletowym lub elektrycznie. Układy PLA (Programmable Logic Array) były pirwszym typem programowalnycn układów logicznych, w których można było programować, zarówno matryce z bramkami AND jak również z bramkami OR. Długie drogi sygnałów spowodowały jednak, że były one powolne, a architektura była trudna do programowania.
Architektura PAL nadaje się tylkko do mniejszych układów. W kategorii układów złożonych z 1000 - 4000 bramek dominuje natomiast architektura taka jak EPLD (Erasable Programmable Logic) lub podobne rodziny układów. Zbudowane są one ze stosunkowo nie wielkiej ilości programowalnych, stosunkowo dużych makrokomórek. Sposób połączeń między nimi może być dowolnie wybierany. Większość układów tej kategorii jest kasowana promieniowaniem ultrafioletowym.
Układy LCA lub FPGA są matrycami, składającymi się z dużej ilości małych makrokomórek, które można konfigurować podobnie jak matryce z bramkami. Programowanie odbywa się w komórkach SRAM, które ładowane są z zewnętrznej pamięci EPROM przy starcie systemu. Układy takie mogą zastępować aż do 9000 bramek. Występują również wersje z elementami "anti-fuze", tzn. bezpiecznikami, które stapiają się przy programowniu.
Największa grupa programowalnych układów logicznych posiada budowę bardzo podobną do matryc bramkowych. Układy ERA to nowa rodzina, która w ciągu kilku lat będzie w stanie realizować układy równoważne aż 100.000 bramek.
Układy FCT Układy tej rodziny są wykonane w technologii CMOS, ale mogą być również dołączone do wejść i wyjść układów TTL. Dla stanu niskieg na wyjściu układ pobiera prąd 64 mA, a dla stanu wysokiego - 15 mA. W jednej z odmian, w układach FCT-T wysoki stan na wyjściu odpowiada napięciu 3,3 V i jest równy wysokiemu stanowi w układach TTL. Natomiast w układach FCT, dzięki komplementarnym tranzystorom CMOS, wyjście zachowuje się jak rezystor dołączany do napięcia zasilania lub masy. Układy FCT-T są mniej więcej równie szybkie jak TTL-Fast, a układy FCT są szybsze.
Rodzina układów BiCMOS
Wykonana jest w technologii BiCMOS, co oznacza, że zawiera zarówno tranzystory bipolarne jak i komplementarne tranzystory MOS. Te pierwsze używane są wstopniach wyjściach, które dzięki nim są zdolne do sterowania obciążeń o dużej pojemności. Tranzsytorów MOS używa się natomiast jako wejść o wysokiej impedancji i w stopniach pośrednich o małym poborze prądu.
Układy BCT są jedną z rodzin BiCMOS. Przeznaczone są przede wszystkim do sterowania interfejsów. Wyjścia mogą wysterować 25 omowe przewody transmisyjne. Oznacza to. że układ w stanie niskim może chwilowo pobierać prąd o wartości 188 mA. Kiedy napięcie zasilania zostanie odłączone, wejścia i wyjścia przechodzą w stan wysokiej impedancji (rozwarcia). Wejście wykonane w technologii CMOS, posiada napięcie progowe 1,5 V i dlatego jest dopasowane do układów TTL.
Układy ABT są bardzo szybką rodziną BiCMOS. Częstotliwość graniczna tranzystorów bipolarnych wynosi aż 13 GHz, a czas propagacji sygnału przez bramkę - 4,6 ns. Szczególnie nadają się do stosowania w układach dopasowujących do interfejsów, w których wymagane są wysoka szybkość i dobre możliwości wysterowania obciążeń. Przy zmianie stanu wyjścia z wysokiego na niski, układ pobiera prąd o wartości 64 mA, oraz 32 mA przy zmianie przeciwnej. Do zalet należy niezależność czasu propagacji od temperatury. Statyczny pobór prądu jest bardzo mały, a przy wysokich częstotliwościach jest on niższy niż w układach CMOS.
Pamięci półprzewodnikowe
--------------------------------------------------------------------------------
W większości urządzen cyfrowych występują różnego rodzaju elementy pamięciowe. Poniżej zostanie opisanych kilka typów najczęściej spotykanych pamięci półprzewodnikowych.
Pamięć RAM (Random Access Memory) jest pamięcią w której dane mogą być zarówno zapisywane, jak i z niej odczytywane. lstnieją dwa gtówne typy tych pamięci służących do zapisywania i odczytu : pamięć statyczna SRAM i pamięć dynamiczna DRAM. Pamięć SRAM przechowuje bity informacji w postaci stanów przerzutników bistabilnych. Natomiast w pamięci DRAM informacja przechowywana jest w postaci ładunków zgromadzonych w kondensatorach, jakie powstają pomiędzy emiterami tranzystorów MOS i połtożem uktadu. Dane w tych pamięciach mają tendencję do samoistnego zanikania i wymagają ciągłego odnawiania. Proces taki nazywa się "odświeżaniem" i wymaga specjalnych uktadów do wytwarzania sygnatów odświeżających (zostaną one opisane nieco dalej). Mimo tej wady układy DRAM występują w komputerach częściej niż pamięci SRAM. Najważniejszą przyczyną takiego stanu jest niski koszt produkcji pamięci DRAM, ze względu na niewielką powierzchnię zajmowanej powierzchni krzemu. Każda komórka w pamięci DRAM ma tylko jeden tranzystor MOS, podczas gdy w pamięci SRAM ma ona od 4 do 6 tranzystorów. W zastosowaniach wymagających ekstremalnie niskiego poboru prądu, np. w systemach zasilanych bateriami, używa się pamięci SRAM w wersji CMOS. Układy SRAM z wbudowanymi bateriami litowymi zaliczają się do kategorii pamięci nieulotych, tj. przechowujących informacje po wyłączeniu napięcia zasilania.Układy SRAM mogą mieć względnie niski pobór prądu w trybie podtrzymywania zawartości pamięci, natomiast w trybie pracy pobierają dość duży prąd i dlatego wymagają dobrego chłodzenia. Również nie nadają się one do stosowania w komputerach przenośnych. Wysoka moc przełączania prowadzi do powstawania zakłócen radiowych na zewnątrz urządzeń oraz zakłócen wewnętrznych, wpływających na pracę innych elementów komputera, np. zakłócenia mogą przenosić się na kabel do dysku twardego. Megabajt pamięci SRAM zajmuje dużo miejsca, co uniemożliwia zbudowanie całej pamięci pierwotnej komputera PC z takich układów.
Pozostate typy pamięci SRAM i DRAM należą do kategorii pamięci ulotnych, tracących przechowywaną informację po wyłczeniu napięcia zasilania.
Adresowanie pamięci DRAM jest stosunkowo skomplikowane w porównaniu z innymi typami pamięci. Pamięć DRAM adresuje się jak macierz. Adresy dla rzędów i kolumn są multipleksowane, co pozwala im na używanie wspólnych wyprowadzeń. Dzięki temu obudowy nie muszą być powiększane, ale stosowanie multipleksowania wymaga zewnętrznych układów sterujących. Aby odczytać/zapisać informacjć z/do pamięci najpierw ustala się adres wiersza poprzez zmianę sygnatu RAS (Row Address Strobe). Nastepnie ustala się adres kolumny przez podanie sygnatu CAS (Column Address Strobe). O tym czy dane zostaną zapisane do pamięci, czy z niej odczytane zależy od stanu linii kierunku (R/W) w chwili uaktywnienia sygnatu CAS.
Odświeżanie (refresh), czyli po prostu ponowne ładowanie, wymagane jest jak wspomniano do utrzymania informacji w pamięciach DRAM. Sama komó6rka pamięciowa jest kondensatorem, który ze względu na prądy upływu może przechowywać ładunek elektryczny tylko przez 20 - 30 ms. Przy zapisie informacji kondensator zostaje naładowany.
Ładowanie musi być później stale ponawiane z częstotliwością co najmniej kilkuset kHz. Odświeżanie może być wykonywane na różne sposoby. Jedną z metod jest po prostu wczytywanie, do pamięci adresów rzędów (podaje się tylko sygnaty RAS). W niektórych typach pamięci odświeżania dokonuje się przez zamianę kolejności występowania sygnałów RAS i CAS.
Odświeżanie pamięci DRAM może być wykonywane przez procesor lub specjalne układy sterujące. Występują również pseudostatyczne pamięci RAM z ukrytą funkcją odświeżania (hiden refresh).
Precharge jest inną formą odświeżania. Przy czytaniu z pamięci DRAM "opróżnia" się wszystkie ładunki tak,żZe "jedynki stają się "zerami". Dlatego przed rozpoczęciem kolejnego cyklu dostępu do pamięci musi upłynąć pewien czas pozostawania linii RAS w stanie nieaktywnym (precharge time). Jest on równie długi jak zwykły cykl czytania z pamięci. Czas precharge nie jest wliczany do podawanego dla pamięci DRAM czasu dostępu (access time), wynoszącego ok.60-80 ns. Precharge wymaga, tak samo jak odświeżanie, specjalnych zewnętrznych układów pomocniczych.
Jako szybkich pamięci, np. typu cache, używa się pamięci SRAM. W systemach, gdzie wymaga się bardzo krótkich czasów dostępu, pamięci DRAM nie są dostatecznie szybkie i ze względu na stratę czasu, konieczną na odświeżanie i demultipleksowanie. Bardzo szybkie pamięci SRAM z czasem dostępu, poniżej 1 ns, wytwarzane są z arsenku galu (GaAs). Używa się je np.w dużych komputerach i pamięci podręcznej cache.
VideoRAM jest specjalnym typem pamięci wielowejściowej. W tym przypadku są to dwa porty, jeden równoległy, a drugi szeregowy. Port równoległy jest adresowany jak w zwykłej pamięci SRAM, podczas gdy portu szeregowego używa się do wysyłania do monitora informacji o obrazie i kolorach.
Pamięci nieulotne.
lstnieje cały szereg pamięci nieulotnych. Poniżej prezentuje kilka jej typów.
Pamięć ROM (Read Only Memory) służy tylko do odczytywania. Informacja w pamięci ROM jest zapisywana w czasie produkcji w formie maski, na podstawie dostarczonego wzorca. Dla zamawiającego taką pamięć oznacza to wysoki koszt jednostkowy. Pamięci ROM używa się dlatego jedynie w urządzeniach, które są produkowane w długich seriach.
Pamięć EPROM jest pamięcią programowaną elektrycznie. Produkuje sią je jako układy standardowe, co obniża cenę. Użytkownik sam programuje swój wzór informacji, jaką chce zapisać. Gdy układ posiada okienko ze szkła kwarcowego, można taką pamięć kasować i programować ponownie. Jest to duża zaleta w fazie uruchamiania układów cyfrowych. Kasowanie odbywa się na ogół przy pomocy światta ultrafioletowego. W przypadku kiedy układy EPROM są częścią składową urządzeń produkowanych masowo, bardziej celowym może być wybranie układów OTP (One Time Programmable). płytka krzemowa jest w nich taka sama, ale obudowa jest wykonana z taniego tworzywa sztucznego. Okienko szklane wymaga obudowy ceramicznej, która jest znacznie droższa.
Komórki pamięci są tranzystorami MOS z pływającymi bramkami. Są one programowane przez wstrzykiwanie elektronów o wysokiej energii. Komórka taka zawiera "zero", podczas gdy nie zaprogramowane komórki zawierają "jedynkę". Zaprogramowanego w ten sposób tranzystora nie można wprowadzić w stan przewodzenia i usunąć zgromadzonego w nim ładunku. Możne tego dokonać jedynie przez kasowanie światłem ultrafioletowym (UV). Promienie UV dostarczają elektronom energii wystarczającej do ponownego przejścia przez barierę energetyczną w warstwie izolacyjnej dwutlenku krzemu wokół pływającej bramki. Układy EPROM mogą być kasowane i ponownie programowane ok. 100 razy.
Pamięci PROM były poprzednikami układów EPROM. Pmięci tego typu są nadal używane, jednak nie występują zbyt często. Programowanie odbywa się przez przepalanie wbudowanych polączeń-bezpieczników wykonanych ze stopu niklowo-chromowego. Dlatego też taki układ nie może być kasowany i programowany ponownie.
Pamięci EEPROM są układami, które są nie tylko elektrycznie programowane, ale również elektrycznie kasowane. Płytka półprzewodnikowa pamięci EEPROM jest większa i dlatego droższa w produkcji od odpowiadających im pamięci EPROM. W zamian za to funkcja kasowania nie jest związana z technologią wykonania obudowy.
Pamięci EEPROM mają ograniczoną liczbę cyklów programowania, które dla niektórych typów wynoszą 10000 razy, dla innych 100000 razy. Może to stanowić wadę w pewnych zastosowaniach, w których w zamian wybiera się układy SRAM z podtrzymywaniem bateryjnym. Istnieją wersje układów EEPROM z szeregowym wejściem i wyjściem, co pozwala umieszczać je w bardzo małych obudowach, np. przystosowanych do montażu powierzchniowego. Komórka pamięci EEPROM składa się z tranzystora MNOS (Metal Nitride Oxide Semiconductor). Do każdej komórki można wprowadzić ładunek elektryczny, który przechowywany jest w izolowanej warstwie azotku krzemu, znajdującej się między bramką tranzystora a podłożem z tlenku krzemu. Ładowanie inicjuje się poprzez tzw. efekt tunelowy. Powstaje on po przyłożeniu wysokiego napięcia (20-40 V) do bramki tranzystora. Przez zmianę polaryzacji tego napięcia, układ można programować bądź też kasować.
CD - ROM.
Na płytach CD można przechowywać dużą ilość informacji, nawet powyżej 600 MB. Na jednej stronie płyty CD - ROM wytrawia się wzór małych zagłębień, które później czytane są przy pomocy techniki laserowej. Z tego powodu, do zapisu informacji na płycie CD - ROM potrzebne jest odpowienie wyposażenie.
Ze względu na niskie koszty materiałów płyta CD - ROM jest tania, pod warunkiem że wyprodukowane będzie w dużej ilości egzemplarzy. CD - ROMów używa się coraz częściej jako medium dystrybucyjnego np. dla dużych programów i baz danych. Produkowanych jest wiele różnych typów czytników CD - ROM.Prędkość transmisji odczytywanych danych wynosi 150 kB/s i jest to odpowiednik pojedynczej prędkości. Czytniki CD - ROM można dołączać do kart sterujących przy pomocy interfejsu SCSI, E-IDE lub specyficznego interfejsu producenta np. Sony lub Panasonic. Różnią się one zarówno sposobem łączenia fizycznego, jak i sterownikami programowymi.
Pamięć błyskowa (Flash-ROM)
Pamięć błyskowa jest nowym typem pamięci elektronicznej kasowanej elektrycznie. Koszt jej produkcji jest niższy niż układuEEPROM. Można liczyć, że w przyszłości cena pamięci błyskowej będzie taka sama jak ukladów EPROM w obudowach z tworzywa sztucznego, chociaż na razie takie układy są znacznie tańsze. Tak jak w innych typach pamięci nieulotnej, układy Flasf-ROM zachowują informacje po wyłączeniu zasilania. Zawartość pamięci błyskowej może być bardzo łatwo zmieniana przy pomocy specjalnego oprogramowania. Już obecnie stosuje się ją jako układy pamięciowe (ROM) w komputerach PC i drukarkach laserowych, gdzie używane są do przechowywania krojów czcionek.
Zaletą elektrycznego kasowania pamięci błyskowej i EEPROM jest nie tylko niższy koszt obudowy. Testowanie pamięci EPROM, tzn. zapisanie programu, a potem skasowanie układu, trwa przy kilkukrotnych próbach bardzo długo, ponieważ kasowanie przy pomocy promieniowania ultrafioletowego zajmuje ok 20 min. Pamięć błyskową i EEPROM można skasować w ciągu kilku sekund, co bardzo ułatwia testowanie układów. Poza tym dają one możłiwość uaktualnienia zawartego w nich systemu, przy pomocy specjalnego prgramu, bez konieczności wymiany układu, czy nawet otwierania komputera.
Mikroprocesory
--------------------------------------------------------------------------------
Mikroprocesory tradycyjnie dzielone są na dwie główne grupy. Procesory i mikrokomputery jednoukładowe (one chip processor). Mikrokomputer jednoukładowy ma zintegrowane w jednym układzie scalonym zarówno procesor jak i pamięć oraz układy peryferyjne.
W wyniku ciągłego rozwoju, mikrokomputery jednoukładowe mają coraz więcej pamięci typu RAM, ROM lub EPROM ( lub EEPROM). Nowsze typy przystosowane są do programowania w języku wysokiego poziomu, takim jak C, Pascal i Forth.
Procesory rozwijają się w dwóch kierunkach. Pierwszy stanowią procesory o złozonej liście rozkazów - CISC, drugim są procesory o zredukowanej liście rozkazów - RISC. Dominującą rolę odgrywały długo, powstałe wcześniej procesory CISC (Complex Instruction Set Computer). Procesory RISC (Reduced Instruction Set Computer) używane są najczęściej w stacjach roboczych i w bardzo szybkim sprzęcie współpracującym z komputerami. Wsptółczesne typy procesorów CISC przejęły caty szereg właściwości, które poprzednio można było odnaleźć jedynie w procesorach RISC, np. przetwarzanie potokowe, oddzielne szyny danych i rozkazów (architektura typu Harvard), pamięć cache itd.
Przykładami procesorów RISC są: MIPS R4000, Sun SParc, DEC Alpha, AMD 29000, Intel i960 i Power PC 601. Power PC jest wynikiem trwającej od niedawna współpracy między firma mi Motorola, IBM i Apple. Typowe procesory CISC to: seria układów 80x86 firmy Intel, seria 680x0 Motoroli oraz będące w zasadzie kopiami serii 80x86, procesory firm AMD i Cyrix. Pro- cesory Pentium i przyszłe P6 firmy Intel, mają wiele wspólnych cech z procesorami RISC.
0 wyborze procesora do konkretnej aplikacji decyduje nie tylko najlepsza wydajność przetwarzania danych. Dla pewnych zastosowań decydującym kryterium może być koszt, dla innych - pobór prądu. Bardzo ważnym jest również istnienie systemów uruchomieniowych, które zawierają emulatory i oprogramowanie dla procesorów lub mikrokomputerów jednoukładowych.
Język wysokiego poziomu oszczędza czas programisty. Obliczono, że czas napisania i uruchomienia jednego wiersza programu w języku wysokiego poziomu, jak i w asemblerze jest jednakowo długi, ale ilość wierszy w tym drugim przypadku jest znacznie większa. Jednak program napisany w języku wysokiego poziomu jest wykonywany dużo wolniej. Układy, które mają pracować z dużą szybkością wymagają napisania programu lub jego części w asemblerze. Szczególnie wolno programy wysokiego poziomu wykonywane są w mikrokomputerach jednoukładowych. Jednak i tutaj można zauważyć stopniowe zmiany w ich architekturze, dążące do coraz lepszego dopasowania do języków wysokiego poziomu.
Mikrokomputery jednoukładowe występujś także w wersjach z wbudowanym interpreterem (ttumaczem) np. języka Basic. Są one używane do budowy urządzen łatwych do programowania, ale od których nie wymaga się wysokiej wydajności.
Słowo to porcja danych, na której wykonywane są obliczenia. Może mieć ono długość 8 bitów (= 1 bajt), 16 bitów, 32 bitów lub większą. Większa długość słowa odpowiada szybszemu przetwarzaniu danych. Układy peryferyjne na ogół są przystosowane do pracy ze słowem o dtugości 8 bitów, ale mogą być również używane razem z procesorami 16 lub 32-bitowymi.
Możliwe jest stosowanie procesorów i układów peryferyjnych różnych rodzin i od różnych producentów. W niektórych wypadkach potrzebne są układy dopasowujące. lstnieją dwa rodzaje 8-bitowych układów peryferyjnych: typu 68000, 6502, 6300 - bez multipleksowania magistral adresowych i danych, oraz np. typu 8086 - z multipleksowaną magistralą. Zaletą drugiego rozwiązania jest mniejsza liczba wyprowadzeń w procesorach i innych układach dołączonych do magistrali, ponieważ przenosi ona na przemian adresy i dane. Z drugiej strony stosowanie przełączania magistrali wymaga dodatkowego sygnału zegarowego.
Zadaniem układów peryferyjnych jest pośredniczenie w przekazywaniu danych między magistralą procesora w komputerze i różnymi urządzeniami wejściowymi i wyjściowymi (I/0).
Układ czasowy (timer, czasomierz) jest układem peryferyjnym zbudowanym z liczników. Odciążają one mikroprocesor od wykonywania operacji związanych z mierzeniem czasu. Układ ten może odmierzać interwały czasu wykorzystywane w układzie przerwań lub stuży c do pomiaru cz estotliwosci.
Koprocesor arytmetyczny odciąża główny procesor od wykonywania obliczeń. Najczęściej wykorzystywany jest do obliczeń zmiennoprzecinkowych. Obecność koprocesora w systemie komputerowym jest często niezbędna do efektywnego korzystania z programów typu CAD.
Procesor graficzny jest kolejnym typem procesora pomocniczego, który zajmuje się przetwarzaniem obrazów graficznych widocznych na monitorze komputera.
Cyfrowy procesor sygnałowy jest specjalnym typem procesora, który przeznaczony jest do wykonywania bardzo szybkich algorytmów. Przykładem może być operacja mnożenia, która w zwykłym mikroprocesorze wykonywana jest przez sekwencję rozkazów, wymagającą wielu cykli zegarowych, - podczas gdy w procesorze sygnałowym wszystko odbywa się w czasie jednego cyklu zegara.
Cyfrowych procesorów sygnałowych używa się przede wszystkim do obróbki sygnałów analogowych, które najpierw przetwarzane są na sygnaty cyfrowe w przetworniku analogowo-cyfrowym. Na wejściu takiego przetwornika znajduje się na ogół układ próbkująco-pamiętający, jak również filtr, który zapobiega powstawaniu częstotliwości lustrzanych sygnału wokół częstoliwości próbkowania.
Procesory sygnałowe sterowane są programami, które zawierają algorytmy decydujące o ich sposobie działania. W zależ ności od rodzaju algorytmu procesor sygnałowy pracuje jako filtr rekursywny o nieskonczonej odpowiedzi impulsowej (Infinite Impuls Response - IIR), jako filtr nierekursywny o skończonej odpowiedzi impulsowej (Finite Impuls Response - FIR) lub jako analizator wykorzystujący szybką transformatę Fouriera (Fast Fourier Transform - FFT). Procesor sygnałowy wykorzystujący FFT przetwarza sygnał zmienny w czasie na jego obraz w skali częstotliwości, tzn. jest analizatorem widma. Może być także używany do przetwarzania DCT (Discrete Cosinus Transform) stosowanego do kodowania obrazów przed ich kompresją. Istnieją również wyspecjalizowane cyfrowe procesory sygnałowe z wbudowanym programem do filtrowania lub FFT, przeznaczone do wykonywania jednego konkretnego zadania.
Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe
--------------------------------------------------------------------------------
Układy przetwarzające sygnały analogowe na cyfrowe i odwrotnie, znajdują coraz więcej zastosowań. Składa się na to wiele powodów. Układy cyfrowe i mikroprocesory są tanie w produkcji masowej. Natomiast produkcja układów czysto analogowych jest trudna, ponieważ trzeba uporać się z takimi problemami jak szum, napięcie niezrównoważenia, dryft napięcia, charakterystyki częstotliwościowe itd.
Poprzez cyfrową obróbkę sygnałów analogowych, można uzyskać lepszą kontrolę nad parametrami systemu. Dzięki temu zmniejsza się potrzeba wykonywania operacji dostrajających podczas produkcji oraz pomiarów kontrolnych i regulacji przy serwisie. Tradycyjne układy analogowe np. w radiowych odbiornikach komunikacyjnych, zostały zastąpione przez procesory sygnałowe. Korzystając z algorytmów zawartych w programach sterujących, mogą one działać jako filtr (IIP lub FIR), detektor, czy też modulator.
Przetworniki analogowo-cyfrowe (A/D)
Układy te są często stosowane w komputerach, np. do zbierania danych z pomiarów. Analogowe wartości sygnałów pomiarowych przetwarzane są na wartości cyfrowe w przetworniku analogowo-cyfrowym. Przetwornik A/D na ogół poprzedzony jest multiplekserem, który pozwala na kolejne przetwarzanie wyników pomiarów z różnych czujników przez ten sam przetwornik. Istnieją przetworniki A/D z wbudowanym multiplekserem i dodatkowo z układami dopasowującymi do bezpośredniej współpracy z mikroprocesorem, co ułatwia łączenie i zmniejsza liczbę koniecznych dodatkowych układów. Czasami na wejściu przetwornika A/D używa się układu próbkującego z pamięcią w celu zapamiętania wartości sygnału analogowego na czas potrzebny do przetwarzania.
Czas przetwarzania zmienia się w zależności od zasady działania przetwornika. Trzy główne metody przetwarzania w przetwornikach analogowo-cyfrowych to: metoda z kolejnym porównywaniem (kompensacyjna), integracyjna oraz bezpośredniego porównania.
Najczęściej spotykane są przetworniki A/D z kolejnym porównywaniem {aproksymacją). Porównują one najpierw pierwszy bit (ten najbardziej znaczący), później drugi, itd. Przetwornik kontynuuje swoją pracę tak długo, aż wartość cyfrowa na wyjściu odpowiada wartości sygnału analogowego na wejściu.
Multimetry na ogół korzystają z przetwornika o integracyjnej metodzie przetwarzania, nie dotyczy to precyzyjnych przyrządów pomiarowych, które używają metody z kolejnym porównywaniem. W przetwornikach wykorzystujących metodę integracyjną, przetwarzanie trwa dość długo, ale są one bardzo tanie w produkcji. Istnieje cały szereg wariantów tego typu przetworników. W multimetrach cyfrowych najczęściej używa się przetworników z podwójnym całkowaniem. W stałym przedziale czasu, wyznaczonym przez zliczenie np. 1000 impulsów zegara, na kondensatorze narasta napięcie. Jest one proporcjonalne do napięcia wejściowego. W pewnej chwili sygnał wejściowy zostaje odłączony, kondensator rozładowuje się, a czas tego rozładowania wyznaczany jest przez zliczanie ilości impulsów zegara. Liczba tych impulsów jest proporcjonalna bezpośrednio do napięcia wejściowego.
Niektóre zastosowania wymagają bardzo szybkich przetworników A/D, np. w oscyloskopach cyfrowych i cyfrowych analizatorach widma. Używa się wtedy niezwykle szybkiego przetwornika z bezpośrednim porównaniem (flash). Producenci przyrządów pomiarowych, produkują do własnego użytku przetworniki, które pracują z częstotliwością przetwarzania 1 GHz lub większą. Na wolnym rynku dostępne są układy standardowe pracujące z częstotliwością aż do setek MHz. Przetwornik z bezpośrednim porównaniem składa się z drabinki komparatorów. Przełączają się one jednocześnie i dają bezpośrednio wartość cyfrową.
Odmianą przetwornika flash jest, przetwarzający sygnał w dwóch etapach, przetwornik z dwustopniowym bezpośrednim porównaniem (half-flash). Metoda ta jest o połowę wolniejsza niż stosowana w przetwornikach flash, ale daje wyższą rozdzielczość przy tym samym koszcie. Ponieważ przetworniki z bezpośrednim porównaniem mają na wejściu dużą ilość komparatorów, dlatego ich impedancja jest niska i zmieniająca się. Z tego powodu powinny być one poprzedzone stopniem sterującym o dobrych parametrach sygnału wyjściowego, aby zmiany impedancji nie powodowały błędu nieliniowości.
Poprzez stosowanie uśredniania możliwe jest zwiększenie rozdzielczości przetwarzania powyżej tej jaką zapewnia przetwornik w jednym cyklu przetwarzania, np. 8-bitowy przetwornik może dać rozdzielczość 10-bitową. Przetwarzanie takie wymaga na każdy pomiar pewnej ilości słów cyfrowych żeby wytworzyć wartość średnią, z tego względu czas przetwarzania znacznie się wydłuża.
Szczególną wersją przetworników uśredniających jest przetwornik delta-sigma, nazywany często także przetwornikiem ze strumieniem bitów. Funkcjonalnie jest to przetwornik 1-bitowy, który dzięki uśrednianiu może pracować z rozdzielczością aż do 20 bitów, ale wówczas szerokość pasma jest bardzo mała. Technikę przetwarzania 1-bitowego stosuje się obecnie w odtwarzaczach CD. Przetworniki delta-sigma mają dobrą liniowość i nie występują w nich zakłócenia szpilkowe. Poza tym są one tańsze w produkcji dzięki temu, że większa część układu wykonuje funkcje cyfrowe.
Przetworniki cyfrowo-analogowe (D/A)
Przetworniki D/A mogą być budowane z rezystorami o wartościach wagowych (1, 2, 4, 8,16 W itd.) lub z zasilanymi prądowo lub napięciowo rezystorowymi matrycami drabinkowymi. Istnieją również inne układy przetworników D/A stosowane w układach monolitycznych.
Dane techniczne przetwornika D/A zawierają informację o rozdzielczości (ilość bitów, dokładność sygnału wyjściowego), czasie ustalania (setting time), szybkości narastania (slew rate) i współczynniku maksymalnej zmiany napięcia wyjściowego. Sprzęt audio, np. odtwarzacze CD, stawia wysokie wymagania przetwornikom D/A.