Логические элементы. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем

Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем. Серия микросхем – это совокупность микросхем, характеризуемых общими технологическими и схемотехническими решениями, а также уровнями электрических сигналов и напряжения питания.

Приведенная выше классификация охватывает не только собственно логические элементы, но и другие цифровые устройства, в том числе микропроцессорные. Однако здесь следует учитывать, что при производстве сложных цифровых устройств некоторые логики не использовались и не используются.

Приведем примеры серии микросхем:

ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133;

ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, К1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533;

ЭСЛ – 100, К500, К1500;

КМОП – 564, К561, 1564, КР1554.

Каждая серия микросхем, несмотря на то, что она обычно содержит самые разнообразные цифровые устройства, характеризуется некоторым набором параметров, дающих достаточно подробное представление об этой серии. При определении этих параметров ориентируются именно на логические элементы - простейшие устройства серии микросхем. В соответствии с этим говорят о параметрах не серии микросхем, а о параметрах логических элементов данной серии.

Микросхемы ТТЛ первыми появились на рынке цифровых элементов. Позднее были освоены микросхемы типа КМОП, которые в свое время проигрывали биполярным схемам по быстродействию, но отличались высокой компактностью, энергетической экономичностью, высокой помехоустойчивостью, способностью работать при изменении питающего напряжения в широких пределах. Элементы КМОП по мере повышения их быстродействия стали все более вытеснять микросхемы ТТЛ, оставляя за ними схемотехнику буферных, согласующих и других элементов, которые должны сохранять высокое быстродействие при больших нагрузках.

Новые технологии позволяют размещать на кристалле все больше и больше транзисторов. Это привело к распространению новых средств для построения цифровых устройств – микросхем высокой степени интеграции и программируемой пользователем структурой. Основная часть преобразования информации стала выполняться большими и сверхбольшими интегральными схемами (БИС и СБИС). В настоящее время количество и номенклатура выпускаемых микросхем малой и средней интеграции сокращается, основная работа ложится на схемы высокого уровня интеграции. Однако ограничиться только БИС и СБИС не удается. Практически всегда возникает потребность в реализации одиночных логических функций или преобразовании уровней сигнала или буферизации линий интерфейса.

Для удовлетворения таких потребностей появились одновентильные логические схемы, в которых в одном корпусе размещается один логический элемент. Обычно такие микросхемы изготавливаются в сверхминиатюрных корпусах с поверхностным монтажом. В качестве примера на рис. 18.19 показаны логические микросхемы И-НЕ и ИЛИ-НЕ 74AHC1G01 и 02 фирмы Surface mounted.

Рис. 18.19. Одновентильные логические схемы

Из микросхем малой и средней степени интеграции наиболее часто применяют преобразователи уровня и шинные формирователи. Преобразователи уровня используются для согласования входных и выходных сигналов по напряжению и току при построении цифровых устройств на различных логических элементах.

Логические элементы, в зависимости от элементной базы, на которой они построены, имеют разные напряжения питания и разные значения входных и выходных сигналов. Кроме того, однотипные микросхемы могут допускать разное напряжение питания, и при таком их использовании в разных частях одного устройства также требуется согласование уровней.

Так, для микросхем транзисторно-транзисторной логики (TTJI), которые построены на биполярных транзисторах, уровень логического 0 входного напряжения < 0,8 В, уровень логического 0 выходного напряжения < 0,4 В, уровень логической 1 входного напряжения > 2,4 В, а уровень логической 1 выходного напряжения > 2,8 В. Напряжение питания ТТЛ равно 5В.

Для микросхем, построенных на полевых транзисторах (КМОП), напряжение питания Е_ПИТ обычно лежит в пределах от 5 до 15 В, а уровень логического 0 входного напряжения – 0,2 Е_ПИТ, уровень логического 0 выходного напряжения равен 0 В, уровень логической 1 входного напряжения > 0,8Е_ПИТ, а уровень логической 1 выходного напряжения равен Е_ПИТ.

Пороговое напряжение переключения для ТТЛ составляет 1,2 В, а для КМОП – 0,5 Е_ПИТ.

Кроме того, некоторые КМОП- элементы имеют малые выходные токи, поэтому к ним нельзя подключать |даже один вход ТТЛ даже при одинаковых Е_ПИТ.

Так, для согласования выходов КМОП элементов со входами ТТЛ можно применять микросхемы К176ПУ1, К176ПУ2, К176ПУЗ, К561ПУ4, КР1561ПУ4. По принципу функционирования они аналогичны друг другу, но имеют разное число входов и некоторые помимо преобразования еще осуществляют инверсию сигнала (ПУ1, ПУ2). Например, микросхема КР1561ПУ4 (рис. 18.20 а) имеет 6 входов и выходов и позволяет при подаче на нее напряжения питания 5 В и подключении ее входов к выходам КМОП - микросхем подключать к каждому из ее выходов от двух до восьми микросхем ТТЛ в зависимости от их схемотехнической реализации.

Рис. 18.20. ИМС: а – КР1561ПУ4; б – К561 ПУ7

Для коммутации сигналов в цифровых устройствах, например, сигналов адреса, сигналов управления, подключения внешних устройств к системной шине данных в микропроцессорной системе, используются шинные формирователи (шинные драйверы, буферные элементы).

Реализуются они на логических элементах с повышенной нагрузочной способностью, имеющих открытый выход (коллекторный или стоковый) или три состояния выхода.

Они могут быт как однонаправленные, так и двунаправленные (могут осуществлять передачу данных как со входов на выход, так и наоборот).

Так, микросхема К555АП5 (рис. 18.21, а) представляет собой восемь буферных элементов, выходы которых имеют три состояния. Буферные элементы сформированы в две группы, каждая из которых имеет инверсный вход управления. Включение элементов каждой группы происходит при подаче на соответствующий вход управления E₁ или E₂ логического нуля, переход в высокоимпедансное состояние осуществляется при подаче на эти входы логической единицы.

Рис. 18.21. ИМС: а – К555АП5; б – К555АП6

Микросхема К555АП6 (рис. 18.21, б) представляет собой восемь двунаправленных буферных элементов, все выводы которых имеют три состояния, а также имеются два входа управления. Логический нуль на входе разрешает включение буферных элементов, и если при этом на вход Т подана логическая 1, то выводы А1 – А8 являются входами, а выводы В1 – В8 выходами. При логическом 0 на входе Т выводы В1 – В8 являются входами, а выводы А1 – А8 выходами. При логической 1 на входе все выводы переводятся в высокоимпедансное состояние.

ГЛАВА 19