Простейшие цифровые устройства. Часть 2

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Практические советы

Опубликовано: 25.03.2018 20:59

Просмотров: 2930

Андрей Белый
В этой статье мы продолжим рассказ о сериях наиболее популярных цифровых ИМС малого уровня интеграции.

Серийно производимые цифровые микросхемы отличаются типом используемого электронного ключа. Дело в том, что постоянное повышение требований к быстродействию, помехоустойчивости и уменьшению потребляемой мощности цифровых устройств привело к созданию различных цифровых ИМС, разработка которых, как правило, производится сериями. Серия таких ИМС представляет собой комплект микросхем, в котором используется единое конструктивное и схемное решение. В состав таких серий кроме рассмотренных в предыдущей статье (см. РА 2/2012) входят также счетчики, дешифраторы, сумматоры и другие арифметические устройства. Все они строятся на базе единого электронного ключа, иначе еще называемого логикой. Например, это микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ), комплиментарной металло-оксидной полупроводниковой логики (КМОП) и т.д.
ИМС различных типов плохо совмещаются друг с другом, поскольку имеют различные уровни лог. «0» и лог. «1», а также разное напряжение источника питания. Рассмотрим это более подробно.
ИМС ТТЛ и ТТЛШ
Некоторое время тому назад наиболее широко распространены были ИМС серий ТТЛ или ТТЛШ (т.е. транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки). В этих ИМС используются биполярные транзисторы структуры n-p-n. В ИМС ТТЛШ переходы база-коллектор биполярных транзисторов шунтированы диодами Шотки. Это позволяет значительно увеличить быстродействие таких ИМС при той же или даже меньшей потребляемой ИМС мощностью. Такие ИМС отличаются фиксированным напряжением питания +5 В и фиксированными уровнями логических сигналов: лог. «0» - 0...0.4 В, лог. «1» - 2,4...5 В. Иными словами, уровень входного напряжения менее 0,4 В такая ИМС воспринимает как лог. «0», а напряжение более 2,4 В- как лог. «1». Присутствие на входе такой ИМС напряжения в диапазоне от 0,4 до 2,4 В (от 0,5 до 2,7 В для ТТЛШ) приводит ее в неопределенное состояние, поэтому является запрещенным режимом работы. Особенностью ТТЛ логики является также разное потребление тока такой ИМС по входу, в зависимости оттого, подается на него лог. «0» или лог. «1». Дело в том, что
вход ТТЛ ИМС - это один из эмиттеров многоэмиттерного транзистора (2-входовой элемента «ИЛИ-НЕ»ТТЛ логики показан на рис.1,а).
Поэтому ток потребления такой ИМС по входу при подаче на него лог. «0» значительно больше (у стандартной ИМС серии К155 - 1,6 мА), чем при подаче на него лог. «1» (у стандартной ИМС серии К155 - 0,4 мА). Аналогично и по выходу ТТЛ ИМС в состоянии лог. «0» может отдать в нагрузку куда больший ток, чем в состоянии лог. «1».Существует большое многообразие ИМС логики ТТЛ и ТТЛШ, отличающихся быстродействием, потребляемой мощностью (существуют специальные микромощные серии) и т.д. (см. таблицу). Однако важно отметить, что все ИМС этих серий совместимы друг с другом по уровням логических сигналов и напряжению питания 5 В ±5%.
При этом стандартные ИМС ТТЛ логики серий 133 и К155 работают на частотах до 10 МГц, микромощные (серия 134) - до 3 МГц, с диодами Шот-ки (К555) - до 33 МГц, усовершенствованная с диодами Шотки (К1533) - до 50 МГц. При этом потребляемая мощность у микромощных ИМС серии 134 в 11 раз ниже, чем у стандартных ИМС серии 133 и К155. Аналогично, у ТТЛШ ИМС серии К555 быстродействие в 5 раз выше, чем у ИМС серии 133 и К155, а потребляемая мощность при этом меньше на 15%.
Говоря об ТТЛ ИМС важно отметить, что их предельное напряжение питания не должно превышать 6 В, а максимальная емкость нагрузки, на которую они работают, - 200 пФ.
Надо отметить, что ТТЛ ИМС - это устаревший тип ИМС, который в настоящее время применяется не очень часто, однако такие ИМС дешевы, доступны - радиолюбители могут широко использовать их в своем творчестве.
Более широкое применение в настоящее время находят ИМС ТТЛШ, однако их также «теснят» ИМС КМОП логики.
ИМС ЭСТЛ
Эти ИМС были разработаны для получения высокого быстродействия, недостижимого (в 1970-80 гг.) для ИМС ТТЛ логики. В этих ИМС используются биполярные транзисторы структуры n-p-n. Эти ИМС имеют отрицательное напряжение источника питания -5,2 В ±5%. Логические уровни у них составляют: лог. «1» = -0,96 В, лог. «0» = -1,65 В. Т.е. эти ИМС абсолютно не совместимы по входам и выходам с ИМС ТТЛ или других типов логики. К тому же у них очень маленький перепад между лог. «0» и лог. «1» - всего 0,69 В, однако стандартные серии ИМС ЭСТЛ имеют быстродействие примерно в 10 раз выше (т.е. работали на частотах 50... 100 МГц), чем у стандартных серий ИМС ТТЛ логики.
В настоящее время такие ИМС малого уровня интеграции практически не используются, но находят широкое применение при проектировании специальных процессоров или контроллеров, для которых важно высокое быстродействие.
ИМС КМОП
Такие ИМС находят наибольшее применение в радиолюбительской практике. Они основаны на использовании последовательно включенных и управляемых одним сигналом МОП транзисторов. Таким образом, когда один из последовательно включенных транзисторов открывается, другой закрывается. Следовательно, такой каскад практически не потребляет мощность в статическом режиме.-На рис.1,b показана схема 2-входового логического элемента «ИЛИ-НЕ» на КМОП транзисторах.
Из рис.1 ,b видно, что в отличие от ИМС другого типа логики, КМОП ИМС не содержит пассивных элементов, а именно резисторов или диодов, а построены исключительно на МОП транзисторах разного типа проводимости. В таких ИМС диоды используются только как защитные элементы на входах. К достоинствам КМОП ИМС (кроме малой потребляемой мощности) можно отнести:
• широкий диапазон питающих напряжения -3...15 В (некоторые серии 3...18 В);
• малый входной ток - 0,3 мкА;
• высокая помехоустойчивость - до 0,45 Uпит;
• уровень лог. «1» равен (Uпит-0,1 В), т.е. практически равен напряжению питания;
• значительный выходной ток - 0,44 мА (у некоторых ИМС - до 10 мА).
Особенность ИМС КМОП логики в том, что уровень лог. «0» для них составляет 0...0,45Uпит, лог. «1» - 0,55...1Uпит. Т.е. у них очень невелика зона неопределенного входного сигнала, и помеха величиной почти 0,5Uпит не вызывает сбоя.
Входное сопротивление КМОП ИМС очень велико (десятки МОм), так как определяется только утечками в изоляции транзисторов. Однако высокое входное сопротивление КМОП ИМС - это не только преимущество, но и параметр, вызывающий определенные трудности при работе с такими ИМС. Дело в том, что изоляция затвора и канала входных транзисторов КМОП ИМС пробивается при напряжении 30...50 В. А при высоком входном сопротивлении такое напряжение получить очень просто. Особенно большую опасность для КМОП ИМС представляет статическое электричество, от которого их надо тщательно защищать. Конечно, конструкторы приняли защитные меры и установили на входах КМОП ИМС диоды, соединяющие входы ИМС с выводами источника питания, однако при транспортировке и монтаже таких ИМС все равно надо соблюдать меры защиты от статического электричества.
Совместимость логических ИМС разных серий
Как уже отмечалось ранее, ИМС ЭСТЛ логики несовместимы с ИМС других типов из-за того, что питаются от источника отрицательного напряжения и имеют низкие значения уровней лог. «0» и лог. «1». Чтобы согласовать устройство на таких ИМС с, например, ТТЛ ИМС, необходим специальный преобразователь уровня и дополнительный источник положительного напряжения.
Что касается ТТЛ и КМОП ИМС, то они, несмотря на то, что могут работать от одного и того же источника питания +5 В, также не совместимы по стыку «выход КМОП - вход ТТЛ», так как входной ток стандартной ТТЛ ИМС (1,6 мА) превышает максимальный выходной ток стандартной КМОП ИМС серии К561 / К1561 (0,44 мА). Этот вопрос решается применением специальных элементов с повышенной нагрузочной способностью.
Что касается совместимости «выход ТТЛ -вход КМОП», тут также есть проблема: при напряжении питания +5 В выходное напряжение ТТЛ ИМС составляет 2,4. ..2,5 В, а для КМОП ИМС
К561 /К1561 надо хотя бы 2,5 В. Поэтому при таком стыке между выходом ТТЛ (ТТЛШ) ИМС между ее выходом и источником +5 В устанавливают «подтягивающий» резистор номиналом 1...10 кОм.
Основные характеристики совместимых серий ТТЛШ и КМОП ИМС приведены в табл.1.

Серия К555 - это устаревшая ТТЛШ серия, которая широко доступна радиолюбителям. Она с успехом заменит ИМС известной серии К155, при этом имеет большую скорость переключения и потребляет меньшую мощность.
Серия КР1533 (74ALS) - это современная ТТЛШ серия, которая не только потребляет меньшую мощность, чем К555, но имеет и более высокое быстродействие.
Серия К561/КР561 (Н4000) - очень популярная до сих пор и часто незаменимая во многих приложениях серия КМОП ИМС. Это развитие первой серии КМОП ИМС 164/К176 (напряжение питания +9 В). ИМС К561/КР561 совместимы с ИМС 164/К176, но имеют больший диапазон питающих напряжений, большее быстродействие и больший максимальный выходной ток. Особенность КМОП ИМС в том, что в отличие от ТТЛ/ТТЛШ ИМС они имеют одинаковый выходной максимальный ток в состоянии как лог. «0», так и лог. «1».
ИМС К561/КР561 имеют достаточный выходной ток, чтобы быть совместимыми с одним входом ИМС серий К555 или 2 входами ИМС серии КР1533. В то же время, подключать непосредственно к выходу ИМС этой серии светодиодный индикатор нельзя, нужны согласующие транзисторы или специальные ИМС с повышенным выходным током.
При одинаковом напряжении питания эти ИМС также совместимы с КМОП ИМС серий 1564 и КР1554.
Серия 1564 - это своеобразный КМОП аналог ТТЛШ ИМС К555. Эти КМОП ИМС имеют диапазон питающих напряжений 2...6 В, почти какуТТЛ, такое же быстродействие, как ИМС серии К555, но при этом потребляют гораздо меньшую мощность. Выходной ток таких ИМС позволяет им работать на 10 входов ИМС серии К555.
Серия КР1554. Отличается более высоким быстродействием, чем ИМС серии КР1533, малой потребляемой мощностью и заметно большим быстродействием, чем ИМС ТТЛШ. Так же, как 1564, совместима с КМОП ИМС по входам и выходам. При этом отличается большим выходным током (до 24 мА), что облегчает построение на ее основе схем индикации или управления электромагнитными реле.
Желающие могут скачать полный цикл статей в формате pdf
Литература
1. Петровский И.И. и др. Логические ИС КР1533, КР1554. Справ, (в 2 частях). - М.: Бином, 1993.