Сопряжение логических КМОП и ТТЛ элементов

Иногда в одних и тех же устройствах приходится по тем или иным соображениям применять элементы разных схемотехнологических типов. Наиболее часто встречающаяся ситуация – одновременное использование элементов ТТЛ и КМОП. Так как ТТЛ и ТТЛШ близки по параметрам и схемотехнике, будем рассматривать только ТТЛ, как представителя от этих обоих семейств. Знание входных и выходных характеристик логического семейства необходимо для организации любых взаимосвязей с внешним миром.

Входные и выходные характеристики элементов ТТЛ и КМОП. Все цифровые логические семейства строятся таким образом, чтобы к выходу каждого элемента можно было подключить большое число входов, принадлежащих элементам того же семейства. Типичное значение коэффициента разветвления по выходу равно 10. Это означает, что к выходу, например, вентиля или триггера без нарушения технических требований можно подсоединить 10 входов.

Другими словами, в обычной практике цифровых разработок можно обходиться без каких-либо сведений, касающихся электрических свойств используемых кристаллов. Это возможно до тех пор, пока схема состоит только из цифровых логических элементов одного и того же семейства и фактически нечасто приходится думать о том, что же в действительности происходит на логических входах и выходах.

Однако как только необходимо управлять цифровыми схемами при помощи внешних сигналов, аналоговых или цифровых, или же использовать выходы цифровой логики для управления другими устройствами, придется выяснить, что в действительности потребляет логический вход и чем может нагружаться логический выход. Кроме того, при объединении логических семейств надо знать схемотехнические свойства входов и выходов.

Между микросхемами возможны три возможных типа несовместимости логических семейств: либо ИС-приемник управляется слишком высоким напряжением, либо ИС-источник не обеспечивает достаточно высокое напряжение, которое достоверно распознавалось бы ИС-приемником как сигнал высокого логического уровня, либо ИС-источник не может обеспечить необходимого тока для управления ИС-приемником.

Для того чтобы воспользоваться современными, все более доступными БИС, выполненными по МОП-технологии, необходимо знать, каким образом объединяются логические схемы различных типов. В последующих разделах подробно рассматриваются схемотехнические свойства логических входов и выходов и приводятся примеры сопряжения, как между разными логическими семействами, так и между логическими устройствами и внешним миром.

Входные характеристики. На рисунке 19.1 показаны важные характеристики входов ТТЛ и КМОП – зависимости входных токов от входных напряжений. По оси входного напряжения графики расширены за пределы диапазона, встречающегося в чисто цифровых схемах, так как при сопряжении схем значения входных сигналов могут легко превысить напряжение питания.

Рис. 19.1. Входные характеристики логических элементов ТТЛ и КМОП

Когда на вход элемента ТТЛ подается низкий уровень, он действует как источник тока заметной величины, а при высоком уровне – как нагрузка, потребляющая малый ток (до 40 мкА). Входной ток высокого уровня фактически представляет собой коллекторный ток «инверсного» выходного транзистора VT₃ (рис. 20.11). Для правильного управления входом элемента ТТЛ необходимо обеспечить отвод тока порядка 1 мА при уровне входного напряжения не более 0.4 В. Недопонимание этого условия часто приводит к неправильной работе элемента в интерфейсной схеме.

Для отрицательных напряжений вход ТТЛ действует как фиксирующий диод, включенный на землю, а для напряжений выше +5 В вход эквивалентен транзистору с небольшим напряжением пробоя (несколько выше +5,5 В).

У элементов КМОП отсутствует входной ток при входных напряжениях в диапазоне от 0 до E_ПИТ (за исключением тока утечки). Для сигналов, превышающих диапазон напряжений питания, вход микросхемы представляет собой два фиксирующих диода, один из которых подключен к положительному полюсу источника, а второй – к земле (рис. 19.2).

Эти входные диоды защищают элементы КМОП, которые крайне подвержены повреждениям от статического электричества.

Выходные характеристики. Выходная схема вентиля ТТЛ содержит n-p-n-транзистор, включенный на землю, и n-p-n-повторитель, подключенный к шине E_ПИТ с токоограничивающим резистором в коллекторной цепи, а иногда диодом, включенным последовательно с эмиттером (рис. 20.10). Когда один из транзисторов насыщен, другой закрыт. В результате элемент ТТЛ может отводить на землю значительный ток (до 16 мА) при небольшом падении напряжения (насыщение), а при высоком уровне на выходе (около +3,5 В) может служить источником тока порядка нескольких миллиампер. Схема выхода предназначена для управления входами ТТЛ и имеет коэффициент разветвления по выходу 10.

Рис. 19.2. Модель КМОП вентиля для больших входных сигналов

Выходная схема элемента КМОП представляет собой двухтактную пару комплементарных полевых МОП-транзисторов, один из которых открыт, а другой закрыт (рис. 19.2). При малых токах выходная схема ведет себя как резистор в несколько сотен Ом, подключенный к земле или к шине E_ПИТ, а при выходных токах, для которых выходное напряжение приблизительно на 1В отличается от E_ПИТ, выход в известном смысле превращается в «источник тока». Суммарные выходные характеристики представлены на рисунке 19.3.

Рис. 19.3. Выходные характеристики логических вентилей

Здесь приведены зависимости выходного напряжения от выходного тока для обоих состояний – высокого и низкого. Для упрощения рисунка выходной ток показан положительным. Заметим, что в элементах КМОП выходы в любом случае подключены либо к земле, либо к шине E_ПИТ, что обеспечивает при отсутствии перегрузки полный перепад напряжения питания.

При нормальном использовании выходы КМОП управляют входами КМОП. Так как входной ток отсутствует (за исключением токов заряда небольшой входной емкости), на выходах происходит полный перепад до E_ПИТ или до нуля. Для сравнения отметим, что уровни ТТЛ в типичном случае составляют 50…200 мВ (низкий) или 3,5 В (высокий), если в качестве нагрузки используются также элементы ТТЛ. При включении нагрузочного резистора (почти любого номинала) высокий уровень на выходе элемента ТТЛ приближается к 5 В.

Сопряжение ТТЛ и КМОП. Для того чтобы не испытывать затруднений при работе с обоими семействами, нужно знать, как элементы этих семейств стыкуются друг с другом.

На элементах КМОП реализованы некоторые функции, которых нет на ТТЛ. Имея систему на элементах ТТЛ, работающую с невысокой скоростью, без труда можно добавить к ней некоторые функции, выполняемые на элементах КМОП. Кроме того, для облегчения стыковки с внешними устройствами, совместимыми с ТТЛ, а также при согласовании логической КМОП-схемы с кабелем на входах и выходах бывает полезно использовать буферные элементы ТТЛ. Для согласования ТТЛ и КМОП также применяются преобразователи уровня, описанные в п. 20.9.

Управление КМОП от ТТЛ. Если элемент КМОП работает от напряжения +5 В, то уровни почти совместимы. Единственная трудность заключается в том, что высокий уровень ТТЛ (типичное значение 3,4 В) является граничным для КМОП и желательно, чтобы он был не ниже 3,4 В. Однако достаточно подключить к выходу ТТЛ подтягивающий резистор (например, 5 кОм, что эквивалентно нагрузке одним элементом ТТЛ), соединенный с шиной E_ПИТ, выходное напряжение будет практически равно 5 В (рис. 19.4, а). Резисторы можно устанавливать как на выходах с открытым коллектором, так и с активной нагрузкой. Если элемент КМОП работает от более высокого напряжения питания, можно также включить нагрузочный резистор, но для этого нужно использовать «высоковольтные» кристаллы ТТЛ, имеющие выходы с открытым коллектором.

Другой способ заключается в использовании преобразователя уровня КМОП типа 40109, на вход которого подаются сигналы относительно источника E_ПИТ1 (уровни ТТЛ), а на выходе формируются сигналы с уровнями КМОП относительно второго источника E_ПИТ2 (рисунок 19.4, б).

Для того чтобы схема ТТЛ могла управлять элементом КМОП, работающим от источника напряжением E_ПИТ > 5 В, контактный вывод E_ПИТ1 соединяется с источником питания ТТЛ (5В), а вывод E_ПИТ2 подключается к источнику питания КМОП. Как и прежде, на стандартных выходах ТТЛ надо устанавливать нагрузочные резисторы.

Рис. 19.4. Преобразование уровня от ТТЛ к КМОП

Управление ТТЛ от КМОП. Если элемент КМОП питается от источника напряжения +5 В, то его можно непосредственно нагрузить одним элементом ТТЛ. От буферных схем КМОП типа КР1561ПУ4 (шесть инверторов) можно при 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. При питании элементов КМОП более высоким напряжением также существует несколько способов сопряжения. В первом методе можно использовать схемы 4049/4050 (рис. 19.5 а). Для этих ИМС допускается превышение входными уровнями напряжения питания, поэтому контакты E_ПИТ можно соединять непосредственно с цепью +5В. Это позволит обеспечить на выходе перепад напряжения от нуля до +5 В и даст возможность подключать к нему до восьми элементов ТТЛ.

Рис. 19.5. Преобразование от КМОП к ТТЛ