Основы цифровой электроники. Введение

0


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.

Параметр Серия микросхем
K155 K531 K555 K1531 K1533
74 74S 74LS 74F 74ALS
tPHL, нс 22 17,5 15 5,5 11
tPLH, нс 15 12 15 5,6 8
IIL, мА -1,6 -1,6 -0,4 -0,6 -0,1
I, мА 0,04 0,04 0,02 0,02 0,02
IОL, мА 16 16 8 20 15
IОН, мА -0,4 -0,8 -0,4 -1 -0,4
UОL, B 0,4 0,2 0,5 0,3 0,5
UОН, B 2,4 3,4 2,7 3,4 2,5
ICC, мА 12 11 4,4 4,1 3

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.

Параметр Серия микросхем
K176 K561 K1561 K1554 K1564 K1564
4000 4000A 4000B 74AC 74HCT 74ACT
tPHL, нс 250 120 50 8,7 18 3,2
tPLH, нс 250 120 50 8,7 18 3,2
IIL, мА -0,0001 -0,0001 -0,0001 -0,0001 -0,0001 -0,0001
I, мА 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001
UОL, B 0,3 0,3 0,3 1,65 1,65 1,65
UОН, B 8,2 8,2 8,2 3,9 3,9 3,9
ICC, мА 0,0005 0,0002 0,0002 0,4 0,08 2,4

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

Добавить комментарий

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

*

code