Файл: Lektsia_1.docx

Наибольшее распространение получили интегральные элементы, построенные на транзисторах и использующие в качестве межкаскадных связей транзисторы (элементы транзисторно-транзисторной логики ТТЛ).

Основная схема элемента приведена на рис. 3. Она состоит из двух последовательно включенных функциональных частиц схемы выполняющей операции И и схемы инвертора. Отличительная особенность построения схемы И в элементах ТТЛ состоит в том, что в ней использован один многоэмиттерный транзистор.

Рис. 3. Схема ТТЛ элемента И-НЕ с простым инвертором.

Многоэмиттерные транзисторы легко реализуются в интегральной технологии и служат основой ТТЛ-элементов. Если на всех входах действует 1, то все переходы эмиттер-база транзистора VТ1 закрыты. Потенциал базы транзистора VТ2 открыт приложенным в прямом направлении напряжением источника +Е_К.

Ток коллекторного перехода транзистора VТ1 проходит через переход эмиттер-базы транзистора VТ2, переводя его в режим насыщения, а на выходе появляется сигнал 0. Если на одном из выходов появится сигнал 0, то соответствующий переход эмиттер-база транзистора откроется и его базовый ток перебросится из коллекторной цепи в эмиттерную. В результате транзистор VТ2 закроется и на выходе появится высокий потенциал 1. Таким образом, сигнал 0 может быть на выходе только при сигналах 1 на всех входах, что соответствует операции И-НЕ.

На практике используют ТТЛ-элементы со сложным инвертором, позволяющим увеличивать нагрузочную способность.

На рис. 4а показана схема логического элемента И-НЕ на КМОП-транзисторах с индуцированным каналом. Основные транзисторы VТ1 и VТ2 включены последовательно, транзисторы VТ3 и VT4 играют роль нагрузки.

Рис. 4. Схема КМОП-элемента И-НЕ (а) и схема КМОП-элемента ИЛИ-НЕ (б).

В случае, когда на обоих входах элемента действует высокое напряжение - 1, оба транзистора VТ1 и VТ2 оказываются открытыми и на выходе устанавливается низкое напряжение 0. Во всех остальных случаях хотя бы один из транзисторов VТ1 или VТ2 закрыт, а на выходе устанавливается сигнал 1. Таким образом, элемент выполняет логическую функцию И-НЕ.

На рис. 4б приведена схема элемента ИЛИ-НЕ КМОП-технологии. В ней транзисторы VТ1 и VТ2 - основные, транзисторы VТ3 и VТ4 -нагрузочные. Пусть на одном из входов этого элемента действует высокое напряжение 1. При этом транзистор VТ2 открыт, транзистор VТ4 -закрыт и независимо от уровня напряжения на другом входе и состояния остальных транзисторов на выходе устанавливается низкое напряжение 0. Элемент реализует операцию ИЛИ-НЕ.

КМОП-элементы состоят только из МОП-транзисторов, что делает их весьма технологичными, поэтому они широко применяются в больших интегральных схемах (БИС). Напряжение питания КМОП-элементов может быть установлено в пределах от 3 до 15 В. Недостаток КМОП-элементов - сравнительно невысокое быстродействие.

Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств, логические элементы, триггеры, счетчики, элементы арифметических устройств и т. д. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

Основой каждой серии является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И - НЕ либо ИЛИ - НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно-транзисторной (ДТЛ), резистивно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (СТЛ), микросхема на так называемых комплиментарных структурах (КМДП или КМОП). Элементы КМДП (КМОП) цифровых микросхем используют пары МДП-транзисторов (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник) - с каналами р- и n-типов.

В радиолюбительской практике наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ серии К155 и КМДП (КМОП) серии К176 и К561.

Имеется свыше 100 наименований микросхем серии К155. При всех своих преимуществах - высоком быстродействии, обширной номенклатуре, хорошей помехоустойчивости - эти микросхемы обладают большой потребляемой мощностью. Поэтому им на смену выпускают микросхемы серии К555, принципиальное отличие которых - использование транзисторов с коллекторными переходами, зашунтированными диодами Шоттки. В результате транзисторы микросхем серии К555 не входят в насыщение, что существенно уменьшает задержку выключения транзисторов.

Дальнейшее развитие микросхем серий ТЛЛ - разработка микросхем серии КР1533. Основное эксплуатационное отличие их от схем серии К555 - в 1,5 . . . 2 раза меньше потребляемая мощность при сохранении и повышения быстродействия.

Микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5 В ± 10% . Большая часть микросхем на КМДП структурах работает при напряжении питания 3-15 В, некоторые при напряжении 9 В ± 10%. Уровни логического 0 и 1 должны отличаться возможно больше. Различают пороговое напряжение логической 1 - наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логического 0 до уровня логической 1, а также пороговое напряжение логического 0 - наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логической 1 до уровня логического 0.

Для микросхем на КМДП структурах ³ 0,7Uпит , £ 0,3Uпит . В то же время отклонения выходных напряжений и от нулевого значения и напряжения источника питания соответственно достигают всего несколько десятков милливольт.

Способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется нагрузочной способностью. Чем выше нагрузочная способность, меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Количественно нагрузочная способность оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы. В свою очередь единичной нагрузкой является вход основного логического элемента данной серии. Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов ТТЛ составляет 10, а для микросхем серии КМДП - 100.

Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой. Предельная рабочая частота микросхем ТТЛ серии К155 составляет 10 МГц, а микросхем серии К176 и К561 - лишь 1МГц.

Среднее время задержки распространения сигнала является более универсальным параметром микросхем, так как зная его, можно рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы суммированием tзд.р.ср. для всех последовательно включенных микросхем. Для микросхем серии К155 tзд.р.ср. составляет около 20 нс, а для микросхем серии К176 - 200 нс.

Потребляемая мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях логического нуля (Р0) и логической единицы (Р1). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления . Статистическая средняя мощность потребления базовых элементов серии К155 составляет несколько десятков милливольт, а у элементов серии К176 и К561 она более чем в тысячу раз меньше. Следовательно, при необходимости построения цифровых устройств с малым потреблением целесообразно использовать микросхемы на КМДП-структурах.

Серии цифровых микросхем

• В настоящее время выпускается огромное количество разнообразных цифровых микросхем: от простейших логических элементов до сложнейших процессоров, микроконтроллеров и специализированных БИС (Больших Интегральных Микросхем). Производством цифровых микросхем занимается множество фирм — как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому даже классификация этих микросхем представляет собой довольно трудную задачу.

• Однако в качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые уже несколько десятилетий рядом фирм, например, американской фирмой Texas Instruments (TII). Эти серии включают в себя функционально полный комплект микросхем, используя который, можно создавать самые разные цифровые устройства.

• Рис. 2.5.  Система обозначений фирмы Texas Instruments

• Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозначение, и система обозначений отечественных серий существенно отличается от принятой за рубежом.

• В качестве примера рассмотрим систему обозначений фирмы Texas Instruments (рис. 2.5). Полное обозначение состоит из шести элементов:

• Идентификатор фирмы SN (для серий AC и ACT отсутствует).

• Температурный диапазон (тип семейства):

  • 74 — коммерческие микросхемы (температура окружающей среды для биполярных микросхем — 0...70°С, для КМОП микросхем — – 40...+85°С),

  • 54 — микросхемы военного назначения (температура — –55...+125°С).

• Код серии (до трех символов):

  • Отсутствует — стандартная ТТЛ–серия.

  • LS (Low Power Schottky) — маломощная серия ТТЛШ.

  • S (Schottky) — серия ТТЛШ.

  • ALS (Advanced Schottky) — улучшенная серия ТТЛШ.

  • F (FAST) — быстрая серия.

  • HC (High Speed CMOS) — высокоскоростная КМОП–серия.

  • HCT (High Speed CMOS with TTL inputs) — серия HC, совместимая по входу с ТТЛ.

  • AC (Advanced CMOS) — улучшенная серия КМОП.

  • ACT (Advanced CMOS with TTL inputs) — серия AC, совместимая по входу с ТТЛ.

  • BCT (BiCMOS Technology) — серия с БиКМОП–технологией.

  • ABT (Advanced BiCMOS Technology) — улучшенная серия с БиКМОП–технологией.

  • LVT (Low Voltage Technology) — серия с низким напряжением питания.

• Идентификатор специального типа (2 символа) — может отсутствовать.

• Тип микросхемы (от двух до шести цифр). Перечень некоторых типов микросхем приведен в приложении.

• Код типа корпуса (от одного до двух символов) — может отсутствовать. Например, N — пластмассовый корпус DIL (DIP), J — керамический DIL (DIC), T — плоский металлический.

Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.

• Обозначения отечественных микросхем

• Отечественная система обозначений микросхем отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 2.6). Основные элементы обозначения следующие:

• Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует.

• Тип корпуса микросхемы (один символ) — может отсутствовать. Например, Р — пластмассовый корпус, М — керамический, Б — бескорпусная микросхема.

• Номер серии микросхем (от трех до четырех цифр).

• Функция микросхемы (две буквы).

• Номер микросхемы (от одной до трех цифр). Таблица функций и номеров микросхем, а также таблица их соответствия зарубежным аналогам приведены в приложении.

• Например, КР1533ЛА3, КМ531ИЕ17, КР1554ИР47.

• Главное достоинство отечественной системы обозначений состоит в том, что по обозначению микросхемы можно легко понять ее функцию. Зато в системе обозначений Texas Instruments виден тип серии с его особенностями.

• На первом уровне представления (логическая модель) серии не различаются ничем. То есть одинаковые микросхемы разных серий работают по одним и тем же таблицам истинности, по одним и тем же алгоритмам. Правда, надо учитывать, что некоторые микросхемы имеются только в одной из серий, а некоторых нет в нескольких сериях.

• На втором уровне представления (модель с учетом задержек) серии отличаются величиной задержки распространения сигнала. Это различие может быть довольно существенным. Поэтому в тех схемах, где величина задержки принципиальна, надо использовать микросхемы более быстрых серий (табл. 1.3).

• На третьем уровне представления (электрическая модель) серии различаются величинами входных и выходных токов и напряжений, а также, что не менее важно, токами потребления (табл. 1.3). Поэтому в тех устройствах, где эти параметры принципиальны, надо применять микросхемы, обеспечивающие, к примеру, низкие входные токи, высокие выходные токи и малое потребление.

• Серия К155 (SN74) — это наиболее старая серия, которая постепенно снимется с производства. Она отличается не слишком хорошими параметрами по сравнению с другими сериями. С этой классической серией принято сравнивать все остальные.

• Серия К555 (SN74LS) отличается от серии К155 малыми входными токами и меньшей потребляемой мощностью (ток потребления — почти втрое меньше, чем у К155). По быстродействию (по временам задержек) она близка к К155.

• Серия КР531 (SN74S) отличается высоким быстродействием (ее задержки примерно в 3–4 раза меньше, чем у серии К155), но большими входными токами (на 25% больше, чем у К155) и большой потребляемой мощностью (ток потребления — больше в полтора раза по сравнению с К155).

• Серия КР1533 (SN74ALS) отличается повышенным примерно вдвое по сравнению с К155 быстродействием и малой потребляемой мощностью (в четыре раза меньше, чем у К155). Входные токи еще меньше, чем у К555.

• Серия КР1531 (SN74F) отличается высоким быстродействием (на уровне КР531), но малой потребляемой мощностью. Входные токи и ток потребления примерно вдвое меньше, чем у К155.

• Серия КР1554 (SN74AC) отличается от всех предыдущих тем, что она выполнена по КМОП-технологии. Поэтому она имеет сверхмалые входные токи и сверхмалое потребление при малых рабочих частотах. Задержки примерно вдвое меньше, чем у К155.

• Наибольшим разнообразием имеющихся микросхем отличаются серии К155 и КР1533, наименьшим — КР1531 и КР1554.

• Надо отметить, что приведенные здесь соотношения по быстродействию стандартных серий довольно приблизительны и верны не для всех разновидностей микросхем, имеющихся в разных сериях. Точные значения задержек необходимо смотреть в справочниках, причем желательно в фирменных справочных материалах.

• Микросхемы разных серий обычно легко сопрягаются между собой, то есть сигналы с выходов микросхем одной серии можно смело подавать на входы микросхем другой серии. Одно из исключений — соединение выходов ТТЛ-микросхем со входами КМОП-микросхем серии КР1554 (74AC). При таком соединении необходимо применение резистора номиналом 560 Ом между сигналом и напряжением питания (рис. 2.7).