ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ – 2

2.6. Входы и выходы цифровых микросхем

Характеристики ипараметры входов и выходов цифровыхмикросхем определяются прежде всеготехнологией и схемотехникой их внутреннегостроения. Для разработчика цифровыхустройств любая микросхема представляетсобой “черный ящик”, внутренностикоторого знать не обязательно.

При разработкеважно только четко представлять себе,как поведет себя та или иная микросхемав данном конкретном включении, будетли она правильно выполнять требуемуюот нее функцию.

Чаще применяютсядве технологии цифровых микросхем:

• ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) – биполярная транзисторно-транзисторная логика и ТТЛ с диодами Шоттки;
• КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой “металл–окисел–полупроводник”.

Различаются онитипами используемых транзисторов исхемотехническими решениями внутреннихкаскадов микросхем.

В статическомрежиме или на небольших рабочих частотахмикросхемы КМОП потребляют значительноменьший ток от источника питания, чемтакие же микросхемы ТТЛ (или ТТЛШ) -правда, только.

На 2.16показаны примеры схем входных и выходныхкаскадов микросхем, выполненных по этимтехнологиям.

2.6.1. Входы микросхем

Разработчикуцифрового устройства достаточно считать,что при подаче на вход сигнала логическогонуля из этого входа вытекает ток, непревышающий I1min,а при подаче сигнала логической единицыв этот вход втекает ток, не превышающийI1max.

Особым случаемявляется ситуация, когда какой-нибудьвход не подключен ни к одному из выходов- ни к общему проводу, ни к шине питания(так называемый висящий вход).

Иногда возможностимикросхемы используются не полностью,т.е. на некоторые входы не подаетсясигналов. При этом микросхема может неработать или работать нестабильно, таккак ее правильное включение подразумеваетналичие на всех входах логическихуровней, пусть даже и неизменных.

Для некоторыхсерий микросхем, выполненных потехнологии, неиспользуемые входы надоподключать к напряжению питания ненапрямую, а только через резисторопределенной величины. При такомвключении одного резистора достаточнона 20 входов.

На неподключенныхвходах микросхем ТТЛ формируетсянапряжение около 1,5–1,6 В, которое иногданазывают висячим потенциалом. Обычноэтот уровень воспринимается микросхемойкак сигнал логической единицы, норассчитывать на это не стоит.

Потенциал,образующийся на неподключенных входахмикросхем КМОП, может восприниматьсямикросхемой и как логический нуль, икак логическая единица.

Все входы надокуда-то подключать. Неподключеннымидопускается оставлять только те входы(ТТЛ, а не КМОП), состояние которых вданном включении микросхемы не имеетзначения.

2.6.2. Выходы микросхем

Существуют триразновидности выходных каскадов,существенно различающиеся как по своимхарактеристикам, так и по областямприменения:

• стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S, ТТЛ, TTL), или иначе логический выход;
• выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC);
• выход с тремя состояниями или выход с возможностью отключения (обозначается 3С, 3S).

Стандартный (2С)выход

Стандартный выход2С имеет всего два состояния: логическийнуль (U0)и логическая единица (U1),причем оба они активны, то есть выходныетоки в обоих этих состояниях (I0minи I0max)могут достигать заметных величин.

Выходное сопротивлениелогического выхода стремятся сделатьмалым, способным развивать большие токидля перезарядки емкостных нагрузок и,следовательно, получения высокогобыстродействия элемента. Такой типвыхода имеют большинство логическихэлементов, используемых в комбинационныхцепях.

Такой выход можносчитать состоящим из двух выключателей,которые замыкаются по очереди (Рис.2.17.а), причем замкнутому верхнемувыключателю соответствует логическаяединица на выходе, а замкнутому нижнему- логический нуль.

Особенность такихвыходов состоит в том, что их нельзясоединять параллельно:

• во-первых это создает логическую неопределенность, т.к. в точке соединения выхода, формирующего логическую единицу, и выхода, формирующего логический нуль, не будет нормального результата.
• Во вторых, при соединении выходов, находящихся в различных логических состояниях возникло бы «противоборство». Вследствие малых величин выходных сопротивлений уравнительный ток при этом может достигать достаточно большой величины, что может вывести из строя элементы выходной цепи.

Схемы логическихвыходов элементов ТТЛ(Ш) и КМОП подобныдвухтактным каскадам – в них оба фронтавыходного напряжения формируются сучастием активных транзисторов,работающих противофазно, что обеспечиваетмалые выходные сопротивления при любомнаправлении переключения выхода(Рис.2.17.б).

Вторая особенностьлогического выхода двухтактного типасвязана с протеканием через транзисторкоротких импульсов тока при переключенияхиз одного логического состояния вдругое. Эти токи протекают от источникапитания на общую точку «землю».

В статическихсостояниях таких токов быть не может,т.к. транзисторы Т1 и Т2 работают впротивофазе, и один из них всегда заперт.

Однако в переходномпроцессе из-за некоторой несинхронностипереключения транзисторов возникаеткратковременная ситуация, в которойпроводят оба транзистора, что и порождаеткороткий импульс сквозного токазначительной величины (Рис.2.17.с.).

Выход с открытымколлектором

Транзистор управляется отпредыдущей части схемы элемента так,что может находиться в насыщенном илизапертом состоянии.

Насыщенное состояниетранзистора трактуется как отображениелогического нуля, запертое, как логическойединицы.

Поэтому дляформирования высокого уровня напряженияна выходе элементов с открытым коллектором(типа ОК) требуется подключение внешнихрезисторов величиной порядка сотен Ом(или другие нагрузки), соединенные систочником питания.

Выход с открытымколлектором ОК можно считать состоящимиз одного выключателя, замкнутомусостоянию которого соответствует сигналлогического нуля, а разомкнутому -отключенное, пассивное состояние (Рис.2.18.б.).

Несколько выходовтипа ОК можно соединять параллельно,подключая их к общей для всех выходовцепочке Ucc– R(Рис.2.18.в).

При этом можно получит режимпоочередной работы на общую линию, каки для элементов с тремя состояниями,если активным будет лишь один элемент,а выводы всех остальных окажутсязапертыми.

Если же разрешить активнуюработу элементов, выходы которыхсоединены, то можно получить дополнительнуюлогическую операцию, называемую операциеймонтажной логики.

При реализациимонтажной логики высокое напряжениена общем выходе возникает только призапирании всех транзисторов, т.к.насыщение хоты бы одного из них снижаетвыходное напряжение до уровня U0= Uкэн.

Поскольку каждый элементвыполняет операцию Шеффера над своимивходными переменными, общий результатокажется следующим:

F= X1X2X3X4 … Xm-1Xm= X1X2+X3X4+…+Xm-1Xm

При использованииэлементов с ОК в магистрально-модульныхструктурах требуется разрешать илизапрещать работу того или иного элемента.Для элементов типа ОК кВ качестве входаОЕ может быть использован один из обычныхвходов элемента.

Если речь идет обэлемента И-НЕ, то, подавая ) на любой извходов, можно запретить работу элемента,поставив его выход в разомкнутоесостояние независимо от состояниядругих входов. Уровень 1 на этом входеразрешит работу элемента.

Положительнойчертой элементов с ОК при работе вмагистально-модульных системах являетсяих защищенность от повреждений из-заошибок управления, приводящих кодновременной выдаче на шину несколькихслов, а также возможность реализациидополнительных операций монтажнойлогики.

Недостатком такихэлементов является большая задержкапереключения из 0 в 1. При этом переключениипроисходит заряд выходной емкостисравнительно малым током резистора R.

Сопротивление резистора нельзя сделатьслишком малым, т.к. это привлекло бы кбольшим токам выходной цепи в статикепри насыщенном состоянии выходноготранзистора.

Поэтому положительныйфронт выходного напряжения формируетсяотносительно медленно с постояннойвремени RC.

До пороговогонапряжения (до середины полного перепаданапряжения) экспоненциально изменяющийсясигал изменится за время 0,7RC,что и составляет задержку tз01.

При работе сэлементами типа ОК проектировщик должензадать сопротивление резистора R,которое не является стандартным, аопределяется для конкретных условий.Анализ статических режимов задаетограничения величины сопротивленияRснизу и сверху. Значение сопротивлениярезистора Rвыбирается в этом диапазоне с учетомбыстродействия схемы и потребляемойею мощности.

Ограничение снизувеличины сопротивления резистора Rсвязано с тем, что ее уменьшение можетвызвать перегрузку насыщенноготранзистора по току. На Рис.2.19.

а показанрежим, в котором нулевое состояниевыхода схемы обеспечивается элементом1 с ОК.

Iвых.0= IR+ nIвх.0+(m-1)IZ≈IR+ nIвх.0,где

• Iвх.0 – входные токи элементов приемников сигнала при низком уровне выходных напряжений;
• IZ – токи запертых выходов ОК (обычно пренебрежимо малые);
• IR = (Ucc – U0)/R.

Чтобы ток выходаэлемента 1 не превысил допустимогозначения следует соблюдать условие

R>= (Ucc– U0)/(IВых.0.max – nIВх.0.max).

Ограничение сверхувеличины сопротивления резистора Rсвязано с необходимостью гарантироватьдостаточно низкий уровень напряженияU1формируемого в схеме при запертомсостоянии всех выходов элементов с ОК.

Из схемы Рис.2.19.бвидно, что U1= Ucc– IRR.

В то же время IR= mIZ+ nIВх.1.max.

Из полученныхвыражений следует R

Источник: https://studfile.net/preview/4308026/page:14/

Цифровые микросхемы – 2

   Добрый день, мои юные друзья по сайту «Радиосхемы». В этой статье мы будем рассматривать два основных, в цифровом мире, логических элемента. Но до того, как мы их разберём, надо кое-что прояснить. Есть так называемая структура микросхем – это «внутренняя схемотехника элемента».

Самыми распространёнными структурами являются: ТТЛ – транзисторно – транзисторная логика и КМОП (МОП) – комплементарная структура металл-оксид-полупроводник. ТТЛ была реализована в сериях микросхем 133 и 155. Мы их разбирать не будем, ведь их считают устаревшими и у них есть непостоянства работы.

Сейчас будем разбирать только КМОП (МОП) – это серии 561 и 176. Серия 176 более старая, 561 – более новая. У них есть некоторые различия, в которые мы сильно вдаваться не будем. Но обязательно проверяйте по справочнику назначение выводов – в каждой серии есть разница в наименовании и т. п. Но по возможности буду приводить аналоги в этих двух сериях.

 Первый логический элемент называется «НЕ». Его ещё называют инвертором. На схемах он обозначается так: 

   За рубежом его обозначение другое:

   Этот Л.Э делает только одну вещь – он отрицает: на вход (Х) подаёшь 1 – на выходе (Y) получаешь 0 – и наоборот. Данный элемент для вашего понимания можно представить и так:

   Выключатель S1 с нормальнозамкнутыми контактами пропускает через себя ток – лампа LA1 горит (лог. 0). Но если нажать на этот выключатель (лог.1), то выключатель разомкнётся и лампа погаснет. Также и в Л.Э «НЕ».

   Типичный представитель этого элемента – отечественная микросхема К561ЛН2, которая содержит в себе 6 таких инверторов.

Разводка выводов у неё такая (первая цифра – вход (Х), вторая – выход (Y)): 1-2, 3-4, 5-6, 9-8, 11-10, 13, 12, питание 7 – «земля» (минус), 14 – плюс. Счёт ведётся по часовой слева направо.

Напряжение питания – от 5 до 15 v, порог срабатывания – половина напряжения питания.

Типичные схемы на этом элементе

   1. Генератор прямоугольных импульсов. Вообще-то их много, но мы рассмотрим стандартный:

   Частота равна (по ж.Радио): F~0.48/R1*C1, где

   R1 – в Омах,
   C1 – в Фарадах.

   Резистор R1 должен быть в пределах от нескольких кОм до 10 МОм; Конденсатор С1 – в пределах от нескольких десятков пФ до многоФарад, не электролит.

   2. Неординарная схема: усилитель на логических элементах. Коэффициент усиления можно определить по формуле : R2/R1. Входной сигнал должен быть выше порога срабатывания.

   Второй Л.Э, который мы с вами разберём – это «И» – обозначается символом «&». Сразу скажу, что их две разновидности, но об этом потом. Рисуют его так:

   Вообще-то у этого элемента входов может быть сколько угодно, но наш пока будет с двумя. Логика элемента «И» такова – пока на всех его входах не будет единицы, на выходе единицы на выходе не будет. Этот элемент для вашего понимания можно представить в виде такой схемы:

   На принципиальных схемах обозначается:

   Как вы поняли, логика этого элемента обратна логике элемента «И» – нуль на выходе будет только тогда, если на всех входах будет единица. Во всех остальных случаях будет единица. Реализована эта логика в микросхеме К176ЛА7 и К561ЛА7 – двухвыводный элемент. Вот назначение выводов:

Типичные схемы

   1. Генератор прямоугольных импульсов. Это – просто небольшая доработка предыдущей схемы:

   Расчет немного другой (по ж. Радио): F~0.52/R1*C1, где

   R1 – в Омах,
   C1 – в Фарадах.

   Резистор R1 должен быть в пределах от нескольких кОм до 10 МОм; Конденсатор С1 – в пределах от нескольких десятков пФ до много Фарад, не электролит.

   Эту схему привёл не просто так – когда вы будете создавать свои цифровые схемы, и будет необходимость в создании генератора, а у вас останутся лишние логические элементы, то вы можете сделать его по этой схеме.

   2. Детектор скрытой проводки – ещё одно неординарное решение использования элементов цифровых микросхем:

   По этому индикатору есть отдельная статья с подробным описанием работы данного устройства. А вообще множество схем с этими элементами вы сможете найти как на нашем сайте, так и на просторах Сети. Следующий урок читайте тут. С вами был Antracen. Удачи!

   Ваши вопросы и пожелания пишите на форум

   Обсудить статью Цифровые микросхемы – 2

Источник: https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim/cifrovye_mikroskhemy_2/5-1-0-794