Основы цифровой электроники. Введение | HomeElectronics

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Основы цифровой электроники. Введение


микросхемы

Доброго времени суток! Сегодня моя статья о цифровых микросхемах. Как известно все цифровые устройства строятся из логических микросхем, которую изображают в виде прямоугольника, у которого имеется некоторое количество выводов (обычно их называют ножками микросхемы). Выводов иногда бывает много, но все они делятся на следующие группы:

выводы питания: общий вывод («земля») и вывод напряжения питания (на схемах обычно данные выводы не указывают);

выводы входных сигналов: («входы») на данные выводы поступают цифровые сигналы;

выводы выходных сигналов: («выходы») на данные выводы поступают цифровые сигналы из самой микросхемы.

Каждая микросхема преобразует последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов определённым способом, который описывается в виде таблицы истинности или в виде временных диаграмм (то есть графиков зависимостей уровней напряжений от времени).

Цифровые микросхемы работают в основном с двумя уровнями напряжений. Один из этих уровней называется уровнем логической единицы (записывается «1»), а второй – уровнем логического нуля (записывается «0»). Почти всегда уровню нуля соответствует низкое напряжение, а логической единице – высокое напряжение, такие уровни напряжения соответствуют «положительной логике». Но есть и отрицательная логика, которая применяется довольно редко (в случае передачи сигнала на большие расстояния и в некоторых микропроцессорных системах).

Параметры цифровых микросхем

Прежде чем говорить о параметрах цифровых логических микросхем, необходимо сказать о том, что не все они учитываются и не всегда. Как это можете задать вопрос. Но тут очень просто, при разработке и моделировании цифровых устройств исходят из различных моделях логических микросхем. Всего таких модели три:

1. Логическая модель.

2. Модель с временными задержками.

3. Электрическая модель.

Для логической модели всё очень просто, здесь главным параметром является таблица истинности или описание алгоритма работы логического элемента. Примерно 20% всех схем строят на основе логической модели. В данной модели можно считать, что логический элемент срабатывает мгновенно.

Для модели с временными задержками необходимо учитывать то, что выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного сигнала. Данная модель позволяет разрабатывать около 80% всех устройств. Данная модель учитывает параметры задержки при переходе сигнала из единицы в нуль (tPHL) и переход сигнала из нуля в единицу (tPLH).

Для электрической модели логической микросхемы уже учитывают входной и выходной токи, а также входные и выходные напряжения. Данная модель говорит о том что уровни напряжений и токов устанавливаются не мгновенно, а с учётом переходных процессов внутри микросхем. С учётом этой модели разрабатываются все остальные цифровые устройства. Приведу некоторые из них:
входной ток нуля (IIL)и входной ток единицы (IIH);
входное напряжение нуля (UIL) и входное напряжение единицы (UIH);
выходной ток нуля (IOL) и выходной ток единицы (IOH);
выходное напряжение нуля (UOL) и выходное напряжение единицы (UOH).

Также для цифровых логических микросхем имеются общие электрические параметры: допустимое напряжение питания (UCC) и максимальный ток потребляемой микросхемой (ICC).

Выводы микросхем

Как говорилось ранее, все выводы делятся на три группы. Выводы питания можно напрямую подключать к соответствующим проводникам: общему проводу и шине питания, потому что режим работы микросхемы по току и напряжению обеспечивается её внутренними цепями. Иначе же дело обстоит с входами и выходами микросхем.

Начнём с входов логических микросхем. В самом простом случае входы микросхем можно рассматривать как очень большое сопротивление, которое не влияет на выходы микросхем, но бывают ситуации, когда один или несколько входов логической микросхемы не подсоединен, ни к одному из выходов, ни к цепям питания или общему проводу. В таком случае образуется так называемый висящий вход и микросхема может работать неустойчиво, потому, как её нормальная работа подразумевает наличие логических уровней. А на неподключённых входах микросхем (особенно серии ТТЛ) формируется некоторое напряжение («висячий потенциал»), который воспринимается как сигнал логической единицы. Поэтому неиспользуемые выводы необходимо подключать к общему проводу, а в случае микросхем ТТЛ к шине питания через резистор сопротивлением 1кОм (достаточно одного резистора на 20 входов).

Выходы цифровых микросхем коренным образом отличаются от их входов. Различают три принципиально разных выходных каскада логических микросхем:
стандартный выход или выход с двумя состояниями (имеет обозначение 2C, 2S или просто ТТЛ, TTL);
выход с открытым коллектором (имеет обозначение OK, OC);
выход с тремя состояниями или отключаемый вывод (имеет обозначение 3C, 3S).


Типы выводов цифровых микросхем
Типы выходов цифровых микросхем

Рассмотрим стандартный выход 2С. Он имеет всего два состояния: логическую единицу и логический нуль. Данный выход можно представить в виде двух контактов, которые замыкаются по очереди.

Выход с открытым коллектором также имеет два состояния, только состояние логического нуля здесь является активным, оно обеспечивается контактом, а состояние логической единицы обеспечивается нагрузочным резистором R (так называемый pull-up).

Выход с тремя состояниями 3С похож на стандартный выход, но к двум стандартным состояниям добавляется ещё третье состояние, так называемое пассивное состояние. В схематическом исполнении с контактами, в случае со стандартным выходом должно быть включен или логический нуль, или единица, а в случае с тремя состояниями оба контакта могут быть разомкнуты одновременно. Такое третье состояние называется высокоимпендансным или Z-состоянием. Для перевода выводов в Z-состояние используется специальный вход, который имеет обозначение ОЕ (Output Enable– разрешение выхода) или EZ (Enable Z-state – разрешение Z-состояния).

Семейства цифровых микросхем

Современные цифровые микросхемы очень разнообразны по своему функциональному назначению и электрическим параметрам, но среди этого разнообразия можно выделить два принципиально разных семейства цифровых микросхем: микросхемы семейства ТТЛ и микросхемы семейства КМОП. Давайте выясним их принципиальные различия.

Семейство ТТЛ

Цифровые микросхемы семейства ТТЛ (TTL) выполнены на основе биполярных транзисторов по транзисторно-транзисторной логике. Микросхемы семейства ТТЛ за счёт применения биполярных транзисторов обладают высоким быстродействием, но в тоже время для обеспечения высокого быстродействия необходима значительная мощность, то есть относительно большая сила тока.

Для всех ТТЛ-микросхем обычным является напряжение источника питания +5 В. Для правильной работы схемы эта величина должна оставаться в пределах 4,75…5,25 В и ни при каких обстоятельствах не должна превышать напряжения порядка 7 В. Каждый вход «стандартной» ТТЛ-микросхемы потребляет ток 40 мкА, когда на его входе поддерживается логическая 1, и отдает ток 1,6 мА при значении входного сигнала, равного логическому 0. Каждый выход логического элемента способен отдать ток величиной 400 мкА и принимать ток величиной не менее 16 мА. Поэтому к входам и выходам можно подключить до 10 логических элементов ТТЛ (говорят, что «логический элемент имеет нагрузочную способность по выходу равную 10»).

В настоящее время «стандартные» ТТЛ-микросхемы устарели, их заменили маломощные ТТЛ-микросхемы с диодами Шотки (ТТЛШ), которые потребляют в 4 раза меньшую мощность при такай же величине быстродействия, а в некоторых случаях увеличилось и быстродействие.

Сегодня в большинстве промышленных применений микросхемы типа ТТЛ и ТТЛШ заменяются КМОП-микросхемами. Однако ТТЛ-микросхемы продолжают оставаться наиболее удобными для экспериментов. Выходной ток ТТЛ-микросхем достаточен для работы светодиодов, а в некоторых случаях и для непосредственного подключения реле.

Ниже представленны типовые значения параметров различных серий ТТЛ и ТТЛШ микросхем.

ПараметрСерия микросхем
K155K531K555K1531K1533
7474S74LS74F74ALS
tPHL, нс2217,5155,511
tPLH, нс1512155,68
IIL, мА-1,6-1,6-0,4-0,6-0,1
I, мА0,040,040,020,020,02
IОL, мА161682015
IОН, мА-0,4-0,8-0,4-1-0,4
UОL, B0,40,20,50,30,5
UОН, B2,43,42,73,42,5
ICC, мА12114,44,13

Семейство КМОП

Микросхемы семейства КМОП (CMOS) выполнены на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник. То есть КМОП микросхемы выполнены на полевых транзисторах, благодаря чему ток покоя данных микросхем составляет меньше 1мкА, а большое входное сопротивление исключает проблемы нагрузки, приводя к бесконечной нагрузочной способности на низких частотах. Однако при переключениях с высокой частотой (больше 10 МГц), за счёт более частого разряда емкостей, увеличивается ток, и его величина достигает таких же значений, как и у ТТЛШ-микросхем.

Изначально цифровые КМОП-микросхемы обладали большим уровнем задержки (порядка 100 нс против 10 нс у ТТЛШ), что было большим недостатком, но они обладают большой помехоустойчивостью и слабо реагируют на высокочастотные помехи. Однако на сегодня используемые технологии позволяют достигать времени задержки порядка 10 нс, что сравнивает их с ТТЛШ. Разрабатываемые и перспективные серии КМОП-микросхем в настоящее время позволяют достигать величин задержек всего в 3 – 4 нс, а также уменьшить напряжение питания вплоть до нескольких десятых долей вольта.

Ниже представленны типовые значения параметров различных серий КМОП микросхем.

ПараметрСерия микросхем
K176K561K1561K1554K1564K1564
40004000A4000B74AC74HCT74ACT
tPHL, нс250120508,7183,2
tPLH, нс250120508,7183,2
IIL, мА-0,0001-0,0001-0,0001-0,0001-0,0001-0,0001
I, мА0,00010,00010,00010,00010,00010,0001
UОL, B0,30,30,31,651,651,65
UОН, B8,28,28,23,93,93,9
ICC, мА0,00050,00020,00020,40,082,4

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code