Цифровые микросхемы. типы логики, корпуса

Интегральные микросхемы. Классификация. Назначение

10.11.2011 12:00

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, ммикрочип (англ.

microchip, silicon chip, chip — тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

-толстоплёночная интегральная схема;

-тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема (также микросборка) — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные(толстоплёночные)пассивные элементы размещённые на поверхности кристалла.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции, разная для цифровых и аналоговых микросхем (указано количество элементов для цифровых схем):

-малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

-средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

-большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,

-сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле,

-ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле,

-гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

-толстоплёночная интегральная схема;

-тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема (также микросборка) — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные(толстоплёночные)пассивные элементы размещённые на поверхности кристалла.

Вид обрабатываемого сигнала

Классифицируют на:

-аналоговые;

-цифровые;

-аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения.

Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В — логической единице; а для микросхем ЭСЛ-логики при наприяжении питания −5,2 В диапазон −0,8…−1,03 В — логической единице, а −1,6…−1,75 В — логическому нулю.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов.

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы.

В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

-МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

-КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

-РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

-ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

-ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

-ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

-ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие;

-ИИЛ — интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию.

Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется.

С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света, и даже ближнего ультрафиолета, при засветке давно отказались.

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.

) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле.

Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления.

В 1970-х годах минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, в 1980-х был уменьшен до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы фотолитографического оборудования рентгеновского диапазона обеспечивали минимальный размер 0,18 мкм.

В 1990-х годах, из-за нового витка «войны платформ», экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 1990-х процессоры (например, ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм (500—600 нм). Потом их уровень поднялся до 250—350 нм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+, Athlon) уже делали по технологии 180 нм.

В конце 1990-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с минимальным контролируемым размером около 80 нм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. По состоянию на 2009 год технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 90 нм.

Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 45 нм. Есть и другие микросхемы, давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности, видеопроцессоры и флеш-память фирмы Samsung — 40 нм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы Intel по переходу на уровень 30 нм уже к 2006 году так и не сбылись.

По состоянию на 2009 год альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 32 нм.

В 2010-м в розничной продаже уже появились процессоры, разработанные по 32-х нм тех. процессу.

Ожидается, что, следующим, наверное, будет тех. процесс 22 нм. 

Здесь действителен Закон Мура (Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца).

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

Операционные усилители.

Компараторы.

Генераторы сигналов.

Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).

Аналоговые умножители.

Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители.

Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.

Микросхемы управления импульсных блоков питания.

Преобразователи сигналов.

Схемы синхронизации.

Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

Логические элементы

Триггеры

Счётчики

Регистры

Буферные преобразователи

Шифраторы

Дешифраторы

Цифровой компаратор

Мультиплексоры

Демультиплексоры

Сумматоры

Полусумматоры

Ключи

АЛУ

Микроконтроллеры

(Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

Однокристальные микрокомпьютеры

Микросхемы и модули памяти

ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы

Они имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов.

При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.

Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Аналогово-цифровые схемы

цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).

Модуляторы и демодуляторы.

Радиомодемы

Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

Dial-Up модемы

Приёмники цифрового ТВ

Сенсор оптической мыши

Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

Цифровые аттенюаторы.

Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.

Коммутаторы.

Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.

Бескорпусная микросхема — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтаж на печатную плату).

Корпус микросхемы — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов.

Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями.

В российских корпусах расстояние между выводами (шаг) измеряется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 мм и 1,25 мм. У импортных микросхем шаг измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм.

В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах (20 и более выводов) соответствующие корпуса уже достаточно конструктивно несовместимы: для штыревых выводов — обламывание выводов при монтаже, для планарных — спайка соседних.

Читайте также:  Регулируемый стабилизатор постоянного тока

В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Пример корпусной микросхемы:

Назначение выводов микросхемы К174УН7:1 — питание (+ Un); 4 — вольтодобавка, питание (+Un); 5—коррекция; 6—обратная связь; 7—фильтр; 8—вход; 9— общий (— Un); 10—эмиттер выходного каскада;

12—выход.

Специфические названия микросхем

Фирма Intel первой изготовила микросхему, которая выполняла функции микропроцессора (англ. microproccessor) — Intel 4004. На базе усовершенствованных микропроцессоров 8088 и 8086 фирма IBM выпустила свои известные персональные компьютеры).

Микропроцессор формирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи с периферией выполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет).

Для первых ЭВМ число микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из двух-трёх микросхем.

В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в процессор.

Микропроцессоры со встроенными ОЗУ и ПЗУ, контроллерами памяти и ввода-вывода, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами. Примерами могут служить современные процессоры Intel со встроенными контроллерами ОП, видео и т.д.

Источник: https://emkelektron.webnode.com/news/intjegralnyje-mikroskhjemy-klassifikatsija-naznachjenije-/

Обозначения, типы логических микросхем и структура ТТЛ

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 28Следующая ⇒

Рис. 9.1

Обозначения основных логических микросхем показано на рис. 9.1. В корпусе микросхемы содержится несколько логических элементов. Рассмотрим кратко наиболее распространенные типы цифровых ИС.

Транзисторно-транзисторные логические схемы (ТТЛ) состоят из цепи И, построенной на основе многоэмиттерного транзистора, и транзисторного инвертора.

В случае присоединения хотя бы одного эмиттера этого транзистора к потенциалу, близкому к нулю, транзистор насыщается и присоединяет к нулевому потенциалу вход выходного инвертора.

Наряду с обычными схемами ТТЛ существуют схемы ТТЛШ, в которых базоколлекторные переходы транзисторов шунтированы диодами Шотки. Это позволяет существенно повысить быстродействие логических элементов. Выпускаются серии К133, К155, К555, К1531, К1533.

Транзисторные логические схемы с эмиттерными связями (ЭСЛ) отличаются тем, что открытые транзисторы в них не входят в режим насыщения (К500). Благодаря этому повышается быстродействие таких схем.

Логические схемы на комплементарных МОП – транзисторах (КМОП) основаны на использовании последовательно включенных и управляемых одним сигналом МОП – транзисторов разных типов проводимости К176, К561, К1561. Когда один из последовательно включенных транзисторов открывается, другой – закрывается. Поэтому такой каскад не потребляет мощности в статическом режиме.

В логических схемах на КМОП – транзисторах отсутствуют элементы между выходом одного каскада и входом другого. Это объясняется высоким входным сопротивлением МОП- транзисторов, которое определяется практически только утечками в изоляции и достигает 1012–1014 Ом.

Очень высокое входное сопротивление МОП- транзисторов, являясь, несомненно, их преимуществом, вместе с тем вызывает ряд трудностей при работе с ними. Напряжение пробоя изоляционного слоя оксида между затвором и каналом обычно лежит в диапазоне 30–50 В.

Если на затвор МОП – транзистора попадает более высокое напряжение, то происходит пробой изоляции и транзистор выходит из строя.

Защита входов интегральных КМОП – схем от пробоя обычно осуществляется с помощью встроенных диодов, соединяющих входы с шинами источника питания и образующих диодный ограничитель. Тем не менее при монтаже таких ИС нужно соблюдать определенные меры предосторожности.

В частности, монтажник и все монтажные инструменты должны быть заземлены. В смонтированном узле, где все выходы присоединены к выходам других ячеек или соединены с зажимами питания, опасность пробоя МОП- транзисторов резко уменьшается.

Структура ТТЛ логического элемента 2И-НЕ представлена на схеме рис. 9.2. На входе схемы используется многоэмиттерный транзистор VT1, который имеет 2 эмиттера для организации двух входов. VT2, VT3 образуют усилительные каскады.

Рассмотрим работу схемы. При нулевом сигнале на входе 1 протекает ток через резистор R1, Б–Э VT1, ключ Кл на ОТ. Транзистор VT1 работает в ключевом режиме, на эмиттер подан ноль, напряжение на базе составляет примерно 0,6 В.

Тогда через переход Б–К транзистора VT1 и базовые переходы транзисторов VT2, VT3 ток протекать не может, т.к. эта цепь закорочена переходом Б–Э VT1.

Значит, ток через Б–Э VT2 и Б–Э VT3 отсутствует, транзисторVT3 закрыт, напряжение питания приложено к выводам К–Э VT3, следовательно, напряжение на выходе схемы соответствует 1. Логический элемент по одному из входов реализует логическую функцию НЕ (0 на входе, 1 на выходе).

Рис. 9.2

При 1 на входе ток по входной цепи протекать не может. Закоротка Б–К VT1 отсутствует. Ток может протекать по цепи +5В, R1, Б–К VT1, Б–Э VT2, Б–Э VT3. Транзистор VT3 открыт. Он закорачивает выход с ОТ, что соответствует 1 на выходе.

Рис. 9.3

Для реализации функции ИЛИ – НЕ в рассматриваемой структуре используют параллельное включение транзисторов. На рис. 9.3 приведена схема элемента 2ИЛИ–НЕ. В этой схеме параллельно включены транзисторы VT2 и VT2'. Работу схемы поясняет таблица.

Рис. 9.4 Рис. 9.5

Основные функции И, ИЛИ, НЕ могут быть изображены в виде схем из контактов реле. Катушки реле являются входами таких схем. Элементу И соответствует последовательное соединение контактов – рис. 9.4.

Элементу ИЛИ соответствует параллельное соединение контактов (рис. 9.5). Работа схем поясняется приведенными таблицами. Сигнал 0 на входе соответствует разомкнутому состоянию контакта, 1– замкнутому.

Столбец значений выходного сигнала записывается на основе аксиом.

Источник: https://lektsia.com/2x44c0.html

Микросхемы и их функционирование

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. Даже при компьютерном проектировании современных сложных микросхем с программируемой логикой (ПЛИС) применяются модели простейших микросхем этих серий семейства 74.

При этом разработчик рисует на экране компьютера схему в привычном для него элементном базисе, а затем программа создает прошивку ПЛИС, выполняющую требуемую функцию.

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:

  1. Идентификатор фирмы SN (для серий AC и ACT отсутствует).
  2. 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).
  3. 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.
  4. Идентификатор специального типа (2 символа) — может отсутствовать.
  5. Тип микросхемы (от двух до шести цифр). Перечень некоторых типов микросхем приведен в приложении.
  6. 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.

Рис. 2.6. Обозначения отечественных микросхем

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

  1. Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует.
  2. Тип корпуса микросхемы (один символ) — может отсутствовать. Например, Р — пластмассовый корпус, М — керамический, Б — бескорпусная микросхема.
  3. Номер серии микросхем (от трех до четырех цифр).
  4. Функция микросхемы (две буквы).
  5. Номер микросхемы (от одной до трех цифр). Таблица функций и номеров микросхем, а также таблица их соответствия зарубежным аналогам приведены в приложении.

Например, КР1533ЛА3, КР531ИЕ17, 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.

Чем отличается одна серия от другой?

Таблица 2.2. Сравнение параметров одинаковых микросхем в разных стандартных сериях

К155ЛА3(SN7400N)К555ЛА3(SN74LS00N)КР1533ЛА3(SN74ALS00N)КР1554ЛА3(SN74AC00N)
tPLH, нс не более 22 15 11 8,5
tPHL, нс не более 15 15 8 7,0
IIL, мА не более -1,6 -0,45 -0,1 -0,001
IIH, мА не более 0,04 0,02 0,02 0,001
IOL, мА не менее 16 8 15 86
IOH, мА не менее -0,4 -0,4 -0,4 -75
UOL, В не более 0,4 0,5 0,5 0,3
UOH, В не менее 2,4 2,7 2,5 4,4
ICC, мА не более 12 4,4 3 0,04

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 (рис. 2.3).

На третьем уровне представления (электрическая модель) серии различаются величинами входных и выходных токов и напряжений, а также, что не менее важно, токами потребления (рис. 2.3). 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.

Читайте также:  Термоэлектрическая печь на основе элементов пельтье

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).

Рис. 2.7. Сопряжение TTL с CMOS

При выборе той или иной серии микросхем следует также учитывать, что микросхемы мощной и быстрой серии КР531 создают высокий уровень помех по шинам питания, а микросхемы маломощной серии К555 очень чувствительны к таким помехам.

Поэтому серию КР531 рекомендуется использовать только в крайних случаях, при необходимости получения очень высокого быстродействия.

Не рекомендуется также применять в одном устройстве мощные быстродействующие микросхемы и маломощные микросхемы.

Источник: http://www.intuit.ru/studies/courses/104/104/lecture/3031?page=3

Записки программиста

Сегодня мы познакомимся с очень полезными элементами, которые выполняют прекрасно знакомые всем программистам логические операции, типа AND, OR, XOR и NOT. В русскоязычной литературе эти компоненты называются логическими вентилями, а в англоязычной — logic gates. Соответствующие микросхемами называют микросхемами стандартной логики.

Будучи выполненными по технологии CMOS, микросхемы маркируются, как 74HCxx, например, 74HC08, 74HC32, и так далее.<\p>

Примечание: На самом деле, полное название микросхемы будет чем-то вроде SN74HC32N, где SN обозначает производителя, а N — тип корпуса. В приведенном примере чип произведен Texas Instruments и предназначен для сквозного монтажа.

Аналогичный чип от Fairchild Semiconductor для поверхностного монтажа имел бы маркировку MM74HC32D.

Немного теории

На следующей картинке приведены основные логические операции, используемые в электронике, соответствующие названия чипов, а также обозначения операций по ANSI и DIN 40700:

Обозначения в соответствии с ANSI являются наиболее распространенными. Однако по неизвестным мне причинам EAGLE конкретно для чипов 74HCxx использует обозначения DIN 40700. К счастью, они не так уж сильно различаются. Еще есть IEC 60617-12, и, конечно же, ГОСТ. Но они используются намного реже, поэтому здесь я их не привожу. Если интересно, можете найти эти обозначения в Википедии.

Операции NAND и NOR не слишком часто используются в программировании, но с ними все просто:

NAND(x, y) == NOT(AND(x, y)) == OR(NOT(x), NOT(y))
NOR(x, y)  == NOT(OR(x, y))  == AND(NOT(x), NOT(y))

Операция NOR, к примеру, очень удобна, если у нас есть выходы с представлением числа в бинарном виде и нужно определить, что число делится нацело на некую степень двойки, или что после очередного инкремента произошло целочисленное переполнение.

Fun fact! Имея названные логические элементы, можно сравнительно просто получить и арифметические операции. В частности, полусумматор строиться с использованием операций XOR и AND.

Одна микросхема 74HCxx содержит в себе сразу несколько логических вентилей, со следующим расположением входов и выходов:

Эти иллюстрации позаимствованы из потрясающей книги Чарльза Платта «Электроника для начинающих», которую я категорически рекомендовал в прошлом и продолжаю рекомендовать всем, кто хочет начать заниматься электроникой. На Амперке, на которую ведет приведенная выше ссылка, есть и сама книга, и готовые наборы электронных компонентов к ней.

Впрочем, входы и выходы у чипа от конкретного производителя могут оказаться расположены и иначе, поэтому будет не лишним свериться со спекой.

Помимо рассмотренных выше бывают еще чипы с тремя входами (NAND — 7410, AND — 7411, NOR — 7427), четырьмя (NAND — 7420, AND — 7421), и даже восемью входами (NAND — 7430).

В рамках этой заметки они не рассматриваются, но знать об их существовании все же стоит.

О стабилизаторе напряжения

При использовании микросхем стандартной логики Платт рекомендует использовать стабилизатор напряжения LM7805. Эта штука подключается следующим образом:

Электролитический конденсатор имеет емкость 0.33 мкФ, а керамический — 100 нФ. Источник питания должен подавать от 7.5 до 35 В. В результате LM7805 подает на рельсы макетной платы 5 В стабилизированного напряжения.

Fun fact! Две последние цифры в конце названия стабилизатора означают выходное напряжение. Соответственно, существуют аналогичные стабилизаторы LM7806, LM7808, LM7810, LM7812, LM7815, и так далее. Также существуют L7805, L7806, L7808, и так далее.

Стабилизаторы L78xx способны выдавать ток до 1.5А в отличие от стабилизаторов LM78xx, способных лишь на 1А. На практике может оказаться, что L78xx найти проще, чем LM78xx. Наконец, существуют L78Lxx (ток до 0.1А), L78Mxx (ток до 0.5 А), а также L78L33 и UA78M33, выдающие напряжение 3.

3В и ток до 0.1А и 0.5А соответственно.

На практике использовать стабилизатор напряжения не всегда удобно или возможно, например, если ваша цепь питается от USB.

На stackexchange подтвердили, что совет этот немного странный и что строго говоря для работы 74HCxx использование стабилизатора не является обязательным.

Для рассмотренных в этой заметке цепей я обошелся без него, используя лишь конденсатор на 100 мкФ в качестве сглаживающего фильтра, как это делалось в предыдущих постах.

Никаких глюков замечено не было, из чего я прихожу к выводу, что на самом деле стабилизатор напряжения здесь не очень-то нужен. Подозреваю, что Платту просто нужен был повод показать в своей книге пример использования еще одного интересного компонента.

Дополнение: В контексте стабилизаторов напряжения вас также может заинтересовать пост Паяем BEC для квадрокоптера на базе регулятора LM2596.

Примеры использования

Рассмотрим несколько простых примеров использования логического И:

В первой схеме есть две кнопки. Светодиод не горит, если ни одна из кнопок не нажата или нажата только одна из них. Загорается он только в том случае, если нажаты обе кнопки одновременно.

Заметьте, что, как обычно, входы микросхемы никогда не должны быть подключены ни к чему. Для этого в цепи используется два дополнительных резистора R1 и R2. Таким образом, когда кнопка не нажата, вход микросхемы подключен к земле, что трактуется, как ложь.

Когда кнопка нажата, напряжение на входе микросхемы возрастает, что трактуется, как истина.

На второй схеме один из входов подключен напрямую к плюсу, что является вполне допустимым. На втором входе используется кнопка, как и в первой схеме. При этом выход микросхемы подается на этот же вход через диод D1.

После нажатии на кнопку светодиод загорается и продолжает гореть вечно, так как на обоих входах логического И всегда будет истина.

Это дичь какая-то с точки зрения программиста, но совершенно обычная практика в мире электроники.

Важно! Помните, что на выход логических элементов никогда не должен подаваться никакой сигнал, он должен быть только источником. Иначе микросхему можно вывести из строя. Казалось бы, это довольно простое правило. Но когда у вас в цепи появляются такие вот петли, его становится очень просто нарушить.

Теперь попробуем сделать что-то поинтереснее. Ранее в заметке Интегральные схемы: работа с таймером 555 мы узнали, как зажечь светодиод на определенное время, а затем погасить. Но что, если мы хотим, чтобы светодиод загорелся не сразу, а спустя какое-то время?

Решение с использованием чипов 74HCxx выглядит как-то так:

В верхней части схемы расположен таймер 555 в моностабильном режиме. При нажатии на кнопку таймер подает сигнал в течение примерно 2.5 секунд, а затем перестает его подавать. Выход таймера подается на вход 74HC32 (логическое ИЛИ), второй его вход при этом подключен к земле.

Казалось бы, этим мы ничего не делаем, так как выход будет таким же, как и вход. Дело в том, что выходное напряжение таймера 555 несколько меньше напряжения источника питания и, чтобы схема работала при напряжении 3 В, его нужно усилить, для чего и был использован 74HC32.

В общем и целом, это такой хак, и при напряжении 5 или 6 В все прекрасно работает без него. Здесь я привожу этот хак только для демонстрации, что логические элементы можно использовать для усиления сигнала.

Напомню также, что по спецификации 3 В не является нормальным рабочим напряжением для таймера 555.

Принцип работы остальной части цепи к этому моменту вам должен быть уже понятен. При получении сигнала от таймера логическое И, обозначенное на схеме IC1C, начинает постоянно подавать на выход истину. При этом на выходе остальных логических элементов получается ложь. По истечении 2.

5 секунд выход логического НЕ (IC4A) меняется на истину, в результате чего на входе второго логического И (IC1D) оказываются две истины. На выход он также начинает подавать истину и светодиод загорается.

Кроме того, так как выход IC1D зациклен на один из его входов, светодиод будет гореть вечно.

С точки зрения пользователя картина получается следующей. После нажатия на кнопку 2.5 секунды ничего не происходит, затем светодиод загорается и продолжает гореть вечно, даже после последующих нажатий на кнопку.

Заключение

Так выглядят все три рассмотренных выше схемы в собранном виде:

Использованные чипы слева направо — 74HC08 (логическое И), 74HC04 (логическое НЕ), таймер 555, 74HC32 (логическое ИЛИ). Заметьте, что неиспользуемые входы микросхем подключены к земле. Выходы при этом можно ни к чему не подключать. В качестве диодов подойдут импульсные диоды 1N4937 или сигнальные диоды Шоттки 1N5818.

Также мне удалось заставить схему работать на выпрямительных диодах 1N4007, но в этом случае потребуется небольшой хак. Вход логического НЕ (IC4A) потребуется подключить напрямую к земле через резистор сопротивлением 4.7 кОм, а выход IC3A соответственно защитить дополнительным диодом.

Читайте также:  Принцип работы электронного счетчика

Будучи новичком в мире электроники, я не до конца уверен, почему выпрямительные диоды не работают без этого хака. Рабочая версия заключается в том, что при обратном течении тока они закрываются медленнее импульсных диодов и описанный хак подпирает утечку на вход логического НЕ через диод D2.

Буду рад, если вы подтвердите или опровергните эту версию в комментариях.

Описанная проблема касается только последней из приведенных схем. Первые две схемы работают на любых из упомянутых диодах. Проект EAGLE со всеми приведенными схемами я выложил на GitHub.

Стоит отметить, что многие очень полезные микросхемы 74xx остались за кадром, например, сдвиговые регистры и декодеры. Просто невозможно рассмотреть их все в рамках одной статьи.

В качестве домашнего задания можете придумать схему, включающую и выключающую светодиод при помощи одной-единственной кнопки без фиксации. Любые вопросы и дополнения, как всегда, горячо приветствуются!

Дополнение: Также вас могут заинтересовать статьи Больше чипов 74xx: сдвиговые регистры и декодеры и Хардварный крякми: необычный кодовый замок.

Источник: https://eax.me/ic74xx/

Основы цифровой электроники. Введение

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 «»).

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 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
IIН, 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
IIН, 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

Теория это хорошо, но теория без практики – это просто сотрясание воздуха. Перейдя по ссылке всё это можно сделать своими руками

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

Источник: http://www.electronicsblog.ru/cifrovaya-sxemotexnika/osnovy-cifrovoj-elektroniki-vvedenie.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector