Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные схемы

Подождите немного. Документ загружается.

Появление ИЦМ на основе диодов Шоттки привело к тому, что

все остальные технологии ТТЛ в настоящее время не используются,

но, как видно из табл. 1.1, данные ИЦМ также отличаются по быст-

родействию и энергопотреблению. Подробнее о ИЦМ ТТЛ - техно-

логий с применением диодов Шоттки будет изложено в 2.2.

В настоящее время в свободной продаже появились ИЦМ за-

рубежного производства, поэтому в табл. 1.2 приведено соответст-

вие отечественных ИЦМ ТТЛ - серий зарубежным и попутно обозна-

чены области применения, для которых разрабатывались как отече-

ственные, так и зарубежные ИЦМ.

Таблица 1.2

Отечест-

венные

ИЦМ

Зарубеж-

ные

ИЦМ

Фирма - произ-

водитель

Область применения

133 SN54 Texas Instruments Военное применение

155 SN74 Texas Instruments Коммерческое применение

130 SN54H Texas Instruments Военное применение

131 SN74 H Texas Instruments Коммерческое применение

134 SN74L Texas Instruments Коммерческое применение

158 SN74L Texas Instruments Коммерческое применение

530 SN54S Texas Instruments Военное применение

531 SN74S Texas Instruments Коммерческое применение

1531 SN54F Fairchild Военное применение

1533 SN54ALS Texas Instruments Военное применение

533 SN54HS Texas Instruments Военное применение

555 SN74HS Texas Instruments Коммерческое применение

Рассмотрим сравнительные характеристики КМДП серий ИЦМ.

Ещё раз напомню, что первое название технологии производства

данных ИЦМ было КМОП, и хотя в настоящее время это название

изменилось, но оно более благозвучное и лёгкое в произношении,

поэтому в дальнейшем мы будем пользоваться именно им, подра-

зумевая КМДП.

Первые КМОП ИЦМ были разработаны фирмой RCA в 1968 г.

С тех пор постоянно ведутся работы по совершенствованию данной

технологии. Считается, что она наиболее перспективная среди всех

имеющихся технологий и в дальнейшем вытеснит последние, как

только удастся добиться высокой скорости переключения полевых

транзисторов. Фирмой Fairchild уже разработаны КМОП ИЦМ,

имеющие задержку переключения 5 нс на один транзистор.

В табл. 1.3 приведены электрические характеристики КМОП

серий интегральных цифровых микросхем.

Таблица 1.3

Серии КМОП - логики Параметры микро-

схем КМОП – логики

164 176 561 564 1564

вых

(0), В 0,5 0,3 0 0 0

вых

(1), В 7,7 8,2 3…15 3…15 3…18

вх

(0), мА

Не стан-

дартизи-

ровано

≈0,5

Не стан-

дартизи-

ровано

≈0,5

Не стан-

дартизи-

ровано

≈0,5

Не стан-

дартизи-

ровано

≈0,5

3…15

Зависит

от U и.п.

вх

(1), мА

Не стан-

дартизи-

ровано

≈0,5

Не стан-

дартизи-

ровано

≈0,5

Не стан-

дартизи-

ровано

≈0,5

Не стан-

дартизи-

ровано

≈0,5

2…7

Зависит

от U и.п.

зад

срабатывания, нс ≈200 ≈250 ≈50 ≈50 ≈25

пот

, ср, мВт 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

U и.п., В 9 9 3..15 3..15 3..18

пр

, мГц 3…5 3…5 3…5 3…5 3…8

По аналогии в табл. 1.4 приведём соответствие отечественных

ИЦМ КМОП - серий зарубежным.

Таблица 1.4

Отечест-

венные

ИЦМ

Зарубеж-

ные

ИЦМ

Фирма - произво-

дитель

Область применения

164

CD4000 RCA Коммерческое применение

176

CD4000 RCA Коммерческое применение

561

CD4000A

MC14000A

RCA

Motorola

Коммерческое применение

564

CD4000A

MC14000A

RCA

Motorola

Коммерческое применение

1561

CD4000B

MC14000B

RCA

Motorola

Коммерческое применение

1564

54HC

NSC

Motorola

Военное применение

Номинальное напряжение питания микросхем серии 164 и 176

– 9В±5%, однако, они, как правило, сохраняют работоспособность в

диапазоне напряжений питания 5…12 В. Это специфические ИЦМ,

имеющие в своём составе специализированные микросхемы для

построения устройств, связанных с отсчётом времени (часы, тайме-

ры, генераторы секундных и минутных импульсов). Поэтому за эти-

ми сериями закрепилось негласное название «часовые».

Для микросхем серий 561 и 564 гарантируется работоспособ-

ность при напряжении питания 3…15 В.

Для микросхем серии 1561 диапазон изменения напряжений

питания 3…18 В, а для серии 1564 - 2…6 В.

Рассмотрим сравнительные характеристики ЭСЛ - серий инте-

гральных цифровых микросхем или, как их ещё называют, «логиче-

ские элементы на переключателях тока».

В табл. 1.5 приведены электрические характеристики ЭСЛ -

серий интегральных цифровых микросхем.

Таблица 1.5

Серии ЭСЛ - логики Параметры микро-

схем ЭСЛ – логики

137 100 500 700 1500

вых

(0), В -1,6 -1,6 -1,6 -1,6 -1,65

вых

(1), В -0,8 -0,9 -0,9 -0,9 -0,96

вх

(0), мкА 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

вх

(1), мкА 200 265 265 265 200

зад

(1,0), нс 6 2,9 2,9 2,9 0,7

зад

(0,1), нс 6 2,9 2,9 2,9 0,7

пот

, ср, мВт 70 35 35 35 50

U и.п., В -5,2 -5,2 -5,2 -5,2 -4,5

пр

, мГц ≈2000 ≈2000 ≈2000 ≈2000 ≈2000

Как видно, у серии 137 время задержки срабатывания даже

превышает аналогичный параметр наиболее современных ТТЛ

ИЦМ, выполненных по технологии с применением диодов Шоттки.

Дело в том, что эта серия была разработана в то время, когда дио-

ды Шоттки ещё не применялись, следовательно, эта серия является

устаревшей и в настоящее время снята с производства. Одновре-

менно с этим новейшая серия 1500 имеет параметр времени за-

держки, на порядок лучший, чем у самых современных ТТЛ ИЦМ с

диодами Шоттки. Технология не стоит на месте, и лично я думаю,

что ТТЛ ещё не скоро догонит по быстродействию ЭСЛ, если вооб-

ще когда-нибудь догонит. Но обратите внимание на потребляемую

мощность. За скорость надо платить. Поэтому если у Вас имеется

устройство, выполненное на ЭСЛ ИЦМ, то ставьте на него сверху

копилку и бросайте всё время деньги, чтобы заплатить за электри-

чество.

В табл. 1.6 приведём соответствие отечественных ИЦМ ЭСЛ -

серий зарубежным.

Таблица 1.6

Отечест-

венные

ИЦМ

Зарубеж-

ные

ИЦМ

Фирма - произво-

дитель

Область применения

137

MC101 Motorola Коммерческое применение

100

MC1001 Motorola Коммерческое применение

500

MC1001 Motorola Коммерческое применение

700

MC1001 Motorola Коммерческое применение

1500

MECL

100000

Motorola Коммерческое применение

1.2. КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЦИФРОВЫХ

МИКРОСХЕМ

Все современные цифровые системы построены на инте-

гральных схемах, в которых на кусочке кремния образованы сотни и

тысячи компонентов. Количество отдельных полупроводниковых

элементов на кристалле обычно связывается со степенью интегра-

ции (объединения), численные характеристики которой приведены в

табл. 1.7.

Таблица 1.7

Степень интеграции ИЦМ

Сокращён-

ное назва-

ние

Число логических

элементов в ИЦМ

Малая МИС 1…10

Средняя СИС 10…100

Большая БИС 100…1000

Сверхбольшая СБИС 1000…10 000

Супербольшая - 10 000…100 000

Кристаллы, на которых сформированы логические элементы,

закрепляют в специальных корпусах, содержащих жёсткие выводы,

к которым подпаивают выводы с кристалла. Эти выводы использу-

ются для крепления корпуса на печатной плате и электрического

соединения отдельных логических элементов в схему.

Самый распространенный тип корпуса для интегральных схем

- пластмассовый корпус с двусторонним расположением выводов

или контактов (типа DIP). Количество контактов на корпусе зависит

от сложности интегральной схемы и, в частности, от количества

требуемых внешних связей. Например, обычные логические эле-

менты выпускаются в корпусах с 14 и 16 контактами, а корпуса мик-

ропроцессоров и сложных вспомогательных схем могут содержать

несколько сотен выводов. Широко распространенные корпуса мик-

росхем и нумерация контактов показаны на рис. 1.1. Здесь изобра-

жен вид микросхем сверху, т. е. так, как они выглядят на печатной

плате со стороны компонентов. Такой вид, наверное, самый естест-

венный, но все же иногда нумерация контактов вызывает путаницу.

Контакт 1 находится слева от выемки; иногда его отмечают точкой.

Рис. 1.1. Нумерация контактов на корпусах ИЦМ

Контакты микросхем нумеруются последовательно, начиная с

выемки, в направлении против часовой стрелки. Например, при рас-

смотрении 14-контактного корпуса сверху контакты 1 и 14 находятся

соответственно слева и справа от выемки.

При использовании ИЦМ сразу же возникает вопрос об их

идентификации или маркировке. Чтобы помочь нам решить этот во-

прос (а иногда - чтобы запутать нас!), фирмы-изготовители наносят

маркировку на наружной части корпуса. Обычно она состоит из но-

мера типа микросхемы (включая общепринятое кодирование), на-

звания фирмы (обычно в виде начальных букв) и классификации

микросхемы.

Довольно часто маркировка содержит информацию о типе

конструкции, дате выпуска и специальных характеристиках микро-

схемы. К сожалению, эта в принципе полезная информация часто

приводит к путанице из-за отсутствия единого стандарта.

Обозначение ЦИС состоит из четырех знаков (ГОСТ 18682 -

73. Микросхемы интегральные. Классификация и система условных

обозначений).

Первый знак - цифра, соответствующая конструктивно - техно-

логической группе, применительно к которой различают:

полупроводниковые ЦИС - обозначены цифрами 1, 5, 7 (7 -

бескорпусные полупроводниковые ЦИС);

гибридные ЦИС - обозначены цифрами 2, 4, 6, 8;

прочие ЦИС - обозначены цифрой 3 (пленочные, вакуумные,

керамические).

Второй знак – две - три цифры, соответствуют порядковому

номеру разработки данной серии ЦИС. Первые два знака, состав-

ляющие 3-4 цифры, определяют номер серии ИС.

Третий знак - две буквы, соответствующие подгруппе (первая

буква) и виду (вторая буква). Подгруппа и вид образуют понятие

«типономинал».

Четвертый знак - одна или несколько цифр, соответствует по-

рядковому номеру разработки ЦИС в данной серии, в которой может

быть несколько одинаковых по функциональному признаку ЦИС.

Например, в обозначении 155ЛА1: 1 - первый знак; 55 - второй знак;

ЛА - третий знак; 1 - четвертый знак (первый и второй знаки - 155 -

образуют название серии).

В некоторых сериях (это оговаривается в технической доку-

ментации) буква в конце условного обозначения ИС определяет тип

корпуса, в котором выпускается данный типономинал.

Например, буква Р обозначает пластмассовый корпус, а буква

М – керамический, металлокерамический или стеклокерамический

корпусы. Иногда в конец условного обозначения добавляется буква,

определяющая технологический разброс электрических параметров

данного типономинала. Конкретное значение параметров и отличие

каждого типономинала один от другого приводятся в технической

документации. Например, ЦИС 155ЛА1А отличается от ИС

155ЛА1Б.

Для микросхем широкого применения («коммерческое приме-

нение») в начале условного обозначения указывается буква К, на-

пример К133ЛА1А. Если после буквы К, перед номером серии ука-

зывается еще буква М, это означает, что данная серия выпускается

в керамическом, металлокерамическом или стеклокерамическом

корпусе, например КМ155ЛА1, а если вместо буквы М стоит буква Р,

то это означает, что микросхема выпускается в пластмассовом кор-

пусе. Например, КР155 означает, что эта микросхема может исполь-

зоваться в аппаратуре широкого класса и выполнена в пластмассо-

вом корпусе. Серии в бескорпусном варианте исполнения отмеча-

ются буквой Б перед обозначением серии, например КБ524РП1А.

Микросхемы, не имеющие перед кодом серии букв, как прави-

ло, были подвергнуты особой сортировке (ОС) или военной приёмке

(ВП) и были отобраны для использования в военной или особо от-

ветственной технике, например 155ЛА1, так что если у Вас имеются

такие микросхемы, то Вам сильно повезло, поскольку они более на-

дёжные, обладают высокой стабильностью параметров и т.п.

Теперь перейдём к рассмотрению внутреннего устройства

ИЦМ. Схемно различные микросхемы реализованы по-разному, но

основу любой реализации составляют одинаковые схемные реше-

ния, которые образуют те кирпичики, из которых можно построить

любую логическую схему, реализованную на кристалле кремния

ИЦМ. Такие схемные решения называются базовыми элементами

ИЦМ соответствующих технологий изготовления.

2. СХЕМОТЕХНИКА БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛОГИЧЕСКИХ

СЕМЕЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

Перед началом изучения схемотехники базовых элементов

проведём небольшой экскурс в историю появления и развития логи-

ческих элементов.

Первые появившиеся логические элементы были реализованы

на диодных матрицах. На рис. 2.1 приведена принципиальная элек-

трическая схема диодного элемента «ИЛИ».

Рис. 2.1. Принципиальная электрическая схема диодного элемента «ИЛИ»

Если хотя бы на один из входов Х

, Х

подать напряжение

питания (как это пунктиром показано для входа Х

), что соответству-

ет уровню логической единицы, то на сопротивлении нагрузки Rн

также появится напряжение. Диоды VD

, VD

предотвращают

протекание тока на общий провод, что соответствует уровню логи-

ческого нуля (как это пунктиром показано для входа Х

), с других

входов, если на них поданы уровни логической единицы. Диодные

матрицы остались в несколько модифицированном виде и в ТТЛ

ИЦМ, поэтому можно сказать, что именно диодные матрицы выпол-

няют заданные логические операции.

Диодный логический элемент «И» реализуется несколько по-

другому. Принципиальная электрическая схема диодного элемента

«И» приведена на рис. 2.2.

Если на все входы Х

, Х

подаётся положительный потен-

циал (как это пунктиром показано для входа Х

), на выходе Y мы

также будем иметь положительный потенциал (логическую едини-

цу). Однако, если какой-либо из входов будет иметь нулевой потен-

циал (как это пунктиром показано для входа Х

), то на выходе уста-

новится потенциал, близкий к нулю (логический ноль), поскольку ди-

од на входе с нулевым потенциалом перейдёт в проводящее со-

стояние и через него потечёт ток, причём падение напряжения на

диоде в проводящем состоянии мало ввиду его незначительного со-

противления.

Рис. 2.2. Принципиальная электрическая схема диодного элемента «И»

Диодные логические элементы могут оказаться полезными в

некоторых разработках, но их широкому использованию в качестве

базовых логических элементов препятствуют два присущих им не-

достатка. Первый заключается в том, что потенциал на выходе ока-

зывается чувствительным к небольшим вариациям в уровне потен-

циала на входе. Особенно сильно этот недостаток проявляется, ко-

гда на одном из входов - логический ноль. В этом случае любое от-

клонение от идеального нулевого потенциала на входе приводит к

такому же точно отклонению в величине выходного потенциала,

вдобавок некоторое отклонение от нулевого напряжения на выходе

обусловлено ненулевым падением напряжения на диоде, имеющем

прямое смещение.

Подобная чувствительность к колебаниям входного сигнала

может привести к большим нарушениям, если диодные логические

элементы включены последовательно, - в этом случае отклонения

будут накапливаться при прохождении сигнала от одного элемента к

другому.

Второй недостаток диодных логических элементов заключает-

ся в том, что работа элемента зависит от нагрузки на выходе. При

высоком уровне выходного сигнала ток течет от выхода элемента в

нагрузку и при этом проходит через резистор R

, в результате чего

появляется падение напряжения на резисторе и уровень потенциа-

ла на выходе уменьшается.

Это уменьшение составляет довольно значительную величи-

ну, поскольку сопротивление резистора должно быть сравнительно

большим, чтобы избежать перегрузки входных цепей при низких по-

тенциалах на входе. При низком уровне выходного сигнала ток те-

чет от нагрузки в логический элемент. Этот ток должен протекать

через те входы, которые имеют низкий потенциал. Это может при-

вести к ситуации, когда один вход должен принять ток, приходящий

от многих других подключённых логических элементов, что также

приводит к определенным трудностям.

Недостатки, присущие диодным схемам, вообще говоря, объ-

ясняются тем, что диод - это пассивный прибор. Транзисторы, на-

против, являются активными приборами в том смысле, что слабый

сигнал управляет сильным сигналом. Описанные выше недостатки

диодных вентилей можно устранить, подключив к диодам транзи-

сторы. В частности, можно ввести в логический элемент дополни-

тельную схему, которая восстанавливала бы уровень потенциала на

выходе до величин, близких к идеальному значению, и тем самым

уменьшала бы чувствительность элемента к небольшим колебани-

ям в уровне входного сигнала. Другая дополнительная цепь могла

бы изолировать выходной ток нагрузки от входов, а также обеспе-

чить ток, достаточный для управления большим количеством вхо-

дов других логических элементов или иных электронных устройств,

подключаемых к выходам схем логических автоматов, реализован-

ных на логических элементах.

Эти две дополнительные схемы можно назвать соответствен-

но «восстановителем» и «буфером». Исходная схема на диодах,

поскольку она комбинирует входные сигналы, может быть названа

комбинационной частью логического элемента или просто «комби-

натором». Улучшенная таким образом схема, состоящая из трёх

частей, имеет конфигурацию, показанную на рис. 2.3.

Такое условное разбиение схемы ИЦМ позволяет достаточно

свободно конструировать логические элементы. В частности, бу-

ферную часть логического элемента можно подвергать тем или

иным модификациям для достижения тех или иных целей, не затра-

гивая остальных компонентов.