Цифровые устройства. Учебник для колледжей

М. А. Нсанов

Рассматриваются: элементная база цифровой микроэлектроники, принципы синтеза и анализа работы цифровых устройств на логических элементах, цифровые устройства комбинационного (дешифраторы, сумматоры и прочие) и последовательностного (триггеры, регистры, счетчики, ЗУ) типа с большим количеством примеров работы конкретных микросхем.Для студентов любых технических специальностей, где изучается аппаратура цифровой микроэлектроники.Автор рекомендует использовать формат fb2 и читалку CoolReader.

Раздел 1. Логические элементы

1.1. Общие сведения о цифровых сигналах и цифровых устройствах

В современных цифровых устройствах (ЦУ) мы имеем дело лишь с двумя видами сигналов: логического 0 и логической 1. Эти цифровые сигналы обычно представляются в потенциальной форме с положительной логикой сигналов, когда сигналу логического 0 соответствует положительное постоянное напряжение низкого уровня, а сигналу логической 1 — положительное постоянное напряжение более высокого уровня. Например, для микросхем серии КР1533 сигналу логического нуля соответствует напряжение не более +0,8 В, а сигналу логической 1 — напряжение не менее +2 В. В дальнейшем никогда не следует забывать о физическом смысле цифровых сигналов логического 0 и логической 1: это постоянное напряжение разной величины!

Любая информация в ЦУ может быть представлена совокупностью определенного количества сигналов логического 0 и логической 1 в двух формах:

— Последовательной, когда в одной цепи идет последовательное чередование сигналов через равные тактовые временные интервалы Т. Например так, как показано на рис. 1.1.

— Параллельной, когда в разных нескольких цепях одновременно действуют соответствующие сигналы, причем каждый сигнал в своей цепи.

Такая комбинация цифровых сигналов, несущая какую-либо информацию, называется кодовым словом или просто кодом. В англоязычной литературе она называется просто словом (word). Таким образом, изображенные на рис.1.1а и рис.1.1b совокупности сигналов представляют собой кодовые слова 01001011 и 01010111. Именно так выражаются буквы К и W английского алфавита в коде КОИ-8 (KOI-8). С помощью кодовых слов можно представить не только буквы, но и другие знаки, а также рисунки (в том числе схемы и диаграммы), звуковую информацию (речь, музыку), телевизионные изображения и т. д.

Устройства, предназначенные для передачи, приема и обработки цифровой информации (то есть информации, выраженной кодовыми словами), называются цифровыми устройствами.

По способу функционирования ЦУ могут быть двух видов:

— Комбинационные ЦУ, не обладающие памятью (т.е. не способные запоминать результаты выполненных операций). Здесь значения сигналов на выходах (выходное кодовое слово) определяются только совокупностью сигналов на входах (входным кодовым словом) в данный момент времени.

— Последовательностные ЦУ (устройства с памятью), способные запоминать результаты выполненных операций и хранить эту информацию на своих выходах в виде кодовых слов. У них значение выходного кодового слова определяется не только входным кодовым словом в данный момент времени, но и хранившимся на выходах кодовым словом в предыдущий момент времени.

1.2. Общие сведения о логических элементах

Любые узлы цифровой аппаратуры строятся с помощью устройств, которые называются логическими элементами (ЛЭ). В основном применяются лишь 5 ЛЭ, общие сведения о которых приведены в табл.1.1.

П р и м е ч а н и е. В колонке «Условное графическое изображение элемента» приведены два рисунка каждого элемента: вверху — в соответствии с «восточным» стандартом, внизу красным цветом — в соответствии с «западным» стандартом (см. Введение).

Входы элементов всегда изображаются слева. Сигналы, которые подаются на входы, называются логическими переменными или логическими аргументами и обозначаются обычно буквами «Х» с нумерацией: Х₁, Х₂, Х₃ и т. д.

Выходы элементов всегда изображаются справа. Сигналы, которые формируются на выходах, называются логическими функциями и обозначаются обычно буквами «Y» или f (X).

В соответствии с «восточным» стандартом ЛЭ и любые другие устройства цифровой микроэлектроники поворачивать нельзя, по «западному» стандарту — можно.

ЛЭ выполняет указанную в табл.1.1 соответствующую операцию со входными сигналами, а результат выполненной операции формируется на его выходе.

Элементы НЕ всегда имеют только один вход.

Элементы И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ могут иметь не только два (как показано в табл.1.1), но и три, и четыре входа (иногда даже больше — до 8). Соответственно элементы при этом будут выполнять операции с двумя, тремя, четырьмя и более входными сигналами (смотрите тему 1.5).

Элементы ИЛИ в основном (но не всегда!) имеют лишь два входа. Если требуется выполнить логическое сложение трех и более сигналов, то используются несколько элементов ИЛИ с двумя входами.

С настоящего момента следует иметь в виду, что результат логического сложения сигналов 1 \/ 1 = 1 отличается от результата арифметического сложения тех же сигналов 1 + 1 = 2. Поэтому не следует путать эти две разновидности операции сложения.

Элементы, которые имеют два или более входа, в название элемента должны включать цифру, которая указывает на количество входов, например: элемент 2И (элемент И с двумя входами), элемент 3ИЛИ-НЕ (элемент ИЛИ-НЕ с тремя входами) и т. д.

Смысл названий элементов заключается в следующем:

— Элемент НЕ. На выходе элемента формируется НЕ такой сигнал, какой подается на вход.

— Элемент И. На выходе элемента формируется сигнал логической 1 только тогда, когда сигналы логической 1 поступают И на первый, И на второй, И на все остальные входы.

— Элемент ИЛИ. На выходе элемента формируется сигнал логической 1, когда сигнал 1 поступает ИЛИ на первый вход, ИЛИ на второй вход, ИЛИ на любой другой вход, ИЛИ на несколько входов одновременно.

— Элемент И-НЕ сначала выполняет логическое умножение (операцию И) входных сигналов, а затем полученный результат инвертирует (делает операцию НЕ). Структура элемента 2И-НЕ приведена на рис.1.2а.

— Элемент ИЛИ-НЕ сначала выполняет логическое сложение (операцию ИЛИ) входных сигналов, а затем полученный результат инвертирует (делает операцию НЕ). Структура элемента 2ИЛИ-НЕ приведена на рис.1.2b.

Таблица, полностью описывающая работу логического элемента или любого другого ЦУ, называется таблицей истинности: здесь показываются все возможные комбинации сигналов, которые могут поступать на входы, и что при этом получается на выходах. Ни в коем случае не следует заучивать наизусть таблицы истинности логических элементов, нужно только понять смысл выполняемой элементом операции!

Приведенные в табл.1.1 таблицы истинности элементов И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ составлены для двухвходовых элементов. Рекомендуется учащимся попытаться самостоятельно составить таблицы истинности этих элементов, если они будут иметь три и более входа. При этом следует иметь в виду, что количество возможных комбинаций входных сигналов увеличится и будет составлять 2ⁿ, где n — количество входов.

Пример 1. Составим таблицу истинности элемента 3ИЛИ-НЕ (табл.1.2):

В технической и справочной литературе таблицы истинности могут иметь несколько иной вид. Вместо сигналов логического 0 и логической 1 могут стоять знаки:

— логический 0: Н (низкий) или L (low — низкий) уровень напряжения;

— логическая 1: В (высокий) или Н (high — высокий) уровень напряжения.

Например, таблица истинности этого же элемента 3ИЛИ-НЕ может выглядеть следующим образом (табл.1.3).

Изучением внутреннего устройства элементов мы здесь заниматься не будем, т.к. это представляет практический интерес лишь для разработчиков этих элементов. Нам достаточно знать только следующее:

— что все элементы построены на прекрасно знакомых любому учащемуся компонентах (резисторах, транзисторах, диодах и т.д.) по интегральной технологии;

— какие транзисторы использованы для построения интересующего нас элемента и по какой схеме они включены (см. тему 1.4).

Если все-таки появится необходимость ознакомиться с внутренней структурой какого-либо элемента, то следует обратиться к соответствующей справочной или учебной литературе.

Цифровые устройства, построенные с помощью логических элементов, могут работать в двух режимах:

— статическом, когда сигналы на входах и выходах элементов удерживаются неизменными достаточно длительное время;

— динамическом, когда сигналы на входах и выходах элементов меняются (частота изменения достигает порядка ГГц в современных устройствах) в процессе работы.

Контроль работы ЦУ, работающих в статическом режиме, производится очень просто путем измерения уровней напряжения на входах и выходах элементов обычными электронными вольтметрами (можно и осциллографами). А вот контроль работы ЦУ, работающих в динамическом режиме, можно производить только с помощью осциллографов, сравнивая полученные осциллограммы с эталонными временными диаграммами.

В цифровой технике временной диаграммой является график зависимости значений сигнала на входе или на выходе элемента или устройства (напомним, что любое значение сигнала — это постоянное напряжение) от времени.

После окончания изучения данной темы учащиеся должны показать знание основных логических элементов: их название, условное графическое изображение, выполняемые операции и их символическую запись; уметь определять в статическом режиме значения сигналов на выходах логических элементов в схемах ЦУ при наличии определенных сигналов на входах; уметь чертить временные диаграммы, описывающие работу ЦУ в динамическом режиме.

Пример 2: Дана схема ЦУ, построенная на логических элементах (рис.1.3).

З а д а н и я:

1. Указать названия всех элементов, и какие операции они выполняют.

2. Исследовать работу схемы в статическом режиме: по заданным (рис.1.3) значениям сигналов на входах ЦУ определить значения сигналов на входах и выходах всех элементов.

3. Проанализировать работу схемы в динамическом режиме: построить временные диаграммы для всех элементов при заданных (рис.1.4) изменениях входных сигналов. Для некоторого упрощения уровень логического нуля примем равным точно 0.

О т в е т ы

1. Названия элементов и выполняемые операции (номер каждого элемента стоит над его изображением в схеме):

1,3 — элементы НЕ, выполняют операцию логического отрицания (инвертирование).

4 — элемент 2И, выполняет операцию логического умножения.

8 — элемент 3И, выполняет операцию логического умножения.

6,7 — элементы 2ИЛИ, выполняют операцию логического сложения.

2,9 — элементы 2И-НЕ, выполняют операцию логического умножения с последующим инвертированием полученного результата.

5 — элемент 3И-НЕ, выполняет операцию логического умножения с последующим инвертированием полученного результата.

10 — элементы 2ИЛИ-НЕ, выполняет операцию логического сложения с последующим инвертированием полученного результата.

2. Исследование работы схемы в статическом режиме. Значения сигналов на выходах всех элементов показаны на рис.1.5.

Рассмотрим более подробно происходящие процессы.

Со входов Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ указанные в задании сигналы (рис.3) поступают на входы элементов (на какие элементы — указано красными стрелками на рис.1.5).

а) Сначала срабатывают элементы 1, 2 и 3, стоящие в 1-й колонке:

— Элемент 1 инвертирует поступающий на его вход сигнал 0 и на выходе формирует сигнал 1, который далее проходит на вход элемента 4 (прохождение сигнала указано синей стрелкой).

— Элемент 2 выполняет операцию И-НЕ: сначала умножает поступающие на его входы сигналы 0 и 0, а затем полученный результат инвертирует. В результате на выходе элемента формируется сигнал 1, который далее проходит (синяя стрелка) на вход элемента 5.

— Элемент 3 инвертирует поступающий на его вход сигнал 1 и на выходе формирует сигнал 0, который далее проходит (синие стрелки) на входы элементов 7, 8 и 9.

б) На следующем этапе срабатывают элементы 4 и 5, стоящие во 2-й колонке:

— Элемент 4 выполняет умножение поступающих на его входы сигналов 1 и 1. В результате на выходе элемента формируется сигнал 1, который далее проходит (зеленая стрелка) на вход элемента 6.

— Элемент 5 выполняет операцию И-НЕ: сначала умножает поступающие на его входы три сигнала 1, 1 и 1, а затем полученный результат инвертирует. В результате на выходе элемента формируется сигнал 0, который далее проходит (зеленые стрелки) на входы элементов 6 и 7.

в) Далее срабатывают элементы 6 и 7, стоящие в 3-й колонке:

— Элемент 6 выполняет логическое сложение поступающих на его входы сигналов 1 и 0. В результате на выходе элемента формируется сигнал 1, который далее проходит (желтая стрелка) на вход элемента 8.

— Элемент 7 выполняет логическое сложение поступающих на его входы сигналов 0 и 0. В результате на выходе элемента формируется сигнал 0, который далее проходит (желтые стрелки) на входы элементов 8 и 9.

г) Затем срабатывают элементы 8 и 9, стоящие в 4-й колонке:

— Элемент 8 выполняет умножение поступающих на его входы трех сигналов 1, 0 и 0. В результате на выходе элемента формируется сигнал 0, который далее проходит (розовая стрелка) на вход элемента 10.

— Элемент 9 выполняет операцию И-НЕ: сначала умножает поступающие на его входы сигналы 0 и 0, а затем полученный результат инвертирует. В результате на выходе элемента формируется сигнал 1, который далее проходит (розовая стрелка) на вход элемента 10.

д) В конце срабатывает элемент 10, который выполняет операцию ИЛИ-НЕ: сначала делает логическое сложение поступающих на его входы сигналов 0 и 1, а затем полученный результат инвертирует. В результате на выходе элемента формируется сигнал 0, который проходит на выход схемы Y.

3. Анализ работы схемы в динамическом режиме.

а) Сначала определим, как меняются сигналы на выходе элемента 1 (рис.1.6а). На вход этого элемента сигналы поступают со входа X₁ (показано красным цветом на рис.1.6а), которые меняются следующим образом: в первом такте — 0, во втором — 1, в третьем — 0, в четвертом — 0. Элемент 1 — это элемент НЕ, который инвертирует данные поступающие сигналы и на своем выходе Y₁ формирует последовательность 1011 (на рис.1.6а показано синим цветом).

б) Теперь рассмотрим изменение сигналов на выходе элемента 2 (рис.1.6b). На оба входа этого элемента поступают сигналы со входа X₃ (показано красным цветом на рис.1.6b), которые меняются так: в первом такте — 11, во втором — 00, в третьем — 11, в четвертом — 00. Элемент 2 — это элемент 2И-НЕ, который выполняет умножение данных поступающих сигналов с последующим инвертированием полученных результатов и на своем выходе Y₂ формирует последовательность 0101 (на рис.1.6b показано синим цветом).

По полученным результатам можно сделать еще один важный вывод: элементы И-НЕ (а также элементы ИЛИ-НЕ) с объединенными входами выполняют функцию элемента НЕ, т.е. производят инвертирование поступающих сигналов.

в) Далее проанализируем изменение сигналов на выходе элемента 3 (рис.1.7a). На вход этого элемента сигналы поступают со входа X₄ (показано красным цветом на рис.1.7a), которые меняются следующим образом: в первом такте — 0, во втором — 1, в третьем — 0, в четвертом — 0. Элемент 3 — это элемент НЕ, который инвертирует данные поступающие сигналы и на своем выходе Y₃ формирует последовательность 1011 (на рис.1.7a показано синим цветом).

1.3. Интегральные микросхемы (ИМС). Маркировка ИМС

Логические элементы выпускаются в виде интегральных микросхем (ИМС или просто ИС). ИМС называют схему, компоненты которой нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что все устройство рассматривается как единое целое. Функциональную сложность любой ИМС принято характеризовать степенью интеграции — количеством компонентов N в микросхеме. По степени интеграции различают:

— ИМС малой степени интеграции: менее 100;

— ИМС средней степени интеграции: N = 100 ÷ 1000;

— БИС (большие интегральные схемы): N = 1000 ÷ 10000;

— СБИС (сверхБИС): N = 10000 ÷ 10⁶ (миллион);

— УБИС (ультраБИС): N = 10⁶ ÷ 10⁹ (миллиард);

— ГБИС (гигаБИС): более 10⁹.

В данной книге рассматриваются в основном элементы цифровой техники и ЦУ, выпускаемые преимущественно в виде ИМС средней степени интеграции и БИС.

Внимание! Следует всегда иметь в виду, что элементы цифровой техники и различные цифровые устройства выпускаются как в виде отдельных микросхем средней степени интеграции и БИС, так и входят составными частями в микросхемы БИС, СБИС, УБИС и ГБИС многофункциональных ЦУ. Например: в АЛУ, интерфейсы, микропроцессоры и другие специализированные микросхемы отдельных отраслей техники, которые изучаются как в данном предмете, так и в соответствующих специальных курсах. Но в любом случае принцип их работы, структура и назначение выводов остаются одинаковыми!

Рассмотрим структуру маркировки ИМС российского производства (в других странах каждая фирма, выпускающая микросхемы, применяет свою систему условных обозначений; смотрите, например, Приложение 2 или [Л9, Л16]).

Например, ИМС имеет нанесенную на корпусе маркировку: КР1533ЛИ2. Структуру такой маркировки можно условно разделить на 4 части:

КР — одна или две буквы (их может и не быть). Здесь буква К при ее наличии показывает, что данная ИМС выпускается для широкого применения. Если есть другая буква, то она указывает материал и тип корпуса или его отсутствие. Наиболее часто в цифровой технике встречаются: М — керамический микрокорпус; Р — пластмассовый корпус типа 2.

1533 — три или четыре цифры номера серии, по которому можно судить о структуре ИМС (смотрите тему 1.4). Кроме этого, первая цифра номера серии показывает конструктивно-технологическое исполнение ИМС: 1,5,7 — полупроводниковые (7 — бескорпусные); 3 — прочие (пленочные, керамические и т.д.); 2,4,6,8 — гибридные, где отдельные компоненты изготовлены по разной технологии.

Цифровые ИМС в основном выполнены по полупроводниковой технологии, поэтому имеют первую цифру номера серии 1 или 5.

П р и м е ч а н и е. Вопросы, посвященные конструктивно-технологическому исполнению ИМС, типам и материалам их корпусов освещаются в предмете «Учебная электромонтажная практика». При желании этот же материал можно найти практически в любом справочнике по ИМС.

ЛИ — две буквы, указывающие функциональное назначение ИМС. Для микросхем, содержащих различные логические элементы, эти буквы приведены в теме 1.5. После окончания изучения предмета все учащиеся должны будут знать данную часть маркировки ИМС для основной группы ЦУ.

2 — одна-три цифры порядкового номера ИМС в данной серии по функциональному признаку.

В конце маркировки иногда добавляется еще одна буква разброса параметров (численные значения разброса конкретных параметров определяются по справочнику) у двух или более одинаковых микросхем данной серии.

1.4. Структура ИМС

Работающие в настоящее время ИМС цифровой техники по принципу построения могут иметь следующую структуру на кремниевой основе:

— ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Здесь используются обычные биполярные транзисторы, включенные по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером (ОЭ). Такую структуру имеют, например, ИМС серий 133, 155.

— ТТЛШ (ТТЛ с диодами Шоттки). Применение здесь диодов Шоттки, включенных между коллектором и базой транзисторов, не позволяет транзисторам входить в режим насыщения. Это приводит к ускорению переключения транзисторов и, следовательно, к повышению быстродействия ИМС. Микросхемы ТТЛШ-структуры условно делятся на две группы: а) маломощные (например, ИМС серий 533, 555, 1533); b) быстродействующие (например, ИМС серий 530, 531, 1531).

— ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика). Здесь также используются обычные биполярные транзисторы, но они включены по другой схеме в отличие от ИМС структур ТТЛ и ТТЛШ. В микросхемах ЭСЛ-структуры используется принцип переключения токов в транзисторах, работающих на общую эмиттерную нагрузку (отсюда и название структуры). Другими словами, здесь базовым элементом является дифференциальный усилитель. Такую структуру имеют, например, ИМС серий 500, 1500, 1590.

— МОП (металл-окисел-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Это схемы на полевых транзисторах р или n-типов с обогащенным каналом, КМОП (комплементарные МОП) — схемы на дополняющих транзисторах. Например, ИМС серий 561, 564, 1554, 1561, 1564, 5514, 5564, 5584.

Кроме этого, существуют микросхемы на основе арсенида галлия GaAs, выполненные на полевых транзисторах с затвором Шоттки. Например, ИМС серии 6500.

1.5. ИМС логических элементов

П р и м е ч а н и е: Аналоги приведенных ниже микросхем производства в основном американской фирмы «Texas Instruments» приведены в Приложении 3.

У микросхем логических элементов третья часть маркировки начинается с буквы Л, а вторая буква показывает, какие конкретно логические элементы содержит данная ИМС:

ЛН — элементы НЕ. Например, микросхема КР1533ЛН1 (рис.1.10), содержащая 6 элементов НЕ.

Красным цветом здесь показана нумерация выводов корпуса микросхемы (смотрите окончание данного параграфа), но далее мы это показывать не будем, чтобы не загромождать рисунки. При необходимости следует обратиться к Приложению 1 данной книги или к соответствующей справочной литературе.

ЛИ — элементы И. Например, микросхемы: КР1533ЛИ1 (рис.1.10), содержащая 4 элемента 2И; КР1533ЛИ3 (рис.1.10), содержащая 3 элемента 3И); КР1533ЛИ6 (рис.1.10), содержащая 2 элемента 4И.

ЛЛ — элементы ИЛИ. Например, микросхема КР1533ЛЛ1 (рис. 1.11), содержащая 4 элемента 2ИЛИ.

ЛА — элементы И-НЕ. Например, микросхемы: КР1533ЛА1 (рис.1.11), содержащая 2 элемента 4И-НЕ; КР1533ЛА2 (рис.1.11), содержащая 1 элемент 8И-НЕ; КР1533ЛА3 (рис.1.11), содержащая 4 элемента 2И-НЕ; КР1533ЛА4 (рис.1.12), содержащая 3 элемента 3И-НЕ.

ЛЕ — элементы ИЛИ-НЕ. Например, микросхемы: КР1533ЛЕ1 (рис.1.12), содержащая 4 элемента 2ИЛИ-НЕ; КР1533ЛЕ4 (рис.1.12), содержащая 3 элемента 3ИЛИ-НЕ; КР531ЛЕ7 (рис.1.12), содержащая 2 элемента 5ИЛИ-НЕ.

ЛР, ЛБ — комбинированные ИМС, содержащие разные логические элементы, причем обычно внутри микросхемы уже выполнены соединения между этими элементами. Например, микросхема КР1533ЛР4 (рис.1.13). Она содержит два элемента 4И и один элемент 2ИЛИ-НЕ, причем выходы элементов 4И внутри микросхемы уже соединены со входами элемента 2ИЛИ-НЕ.

ЛП — прочие. Содержат логические элементы, не включенные в табл.1.1. Например, микросхема КР1533ЛП5 (рис.1.14) содержит элементы, выполняющие логическую операцию «исключающее ИЛИ» (в случае двух аргументов ее еще называют «неравнозначностью» или «суммой по модулю 2»), смотрите табл.1.4.

У данного элемента есть одна интересная особенность (следите по табл. 1.4): при наличии постоянного сигнала 0 на одном входе сигнал с другого входа «проходит» на выход в прямом виде; а при наличии на одном входе постоянного сигнала 1 элемент инвертирует сигнал, поступающий на другой вход. Указанная особенность используется, в частности, в схеме исправления ошибок при передаче информации с помощью корректирующего кода Хэмминга (см. тему 3.24).

Рассмотренные микросхемы относятся к ИМС со средней степенью интеграции, которые имеют двухрядное расположение выводов (рис.1.15). БИС, СБИС и ГБИС обычно имеют 4-рядное расположение выводов (рис.1.16).

Нумерация этих выводов производится от «ключа» (рис.1.15 и 1.16) против часовой стрелки (рис.1.17а).

Не логические выводы часто снабжаются крестиками (рис.1.17б). К ним, в частности, относятся выводы для питания, которые обозначаются: положительный +U_СС, отрицательный -GND (общий провод, от слова ground — заземление), но они на рисунках ИМС изображаются довольно редко.

1.6. Основные параметры, характеризующие работу ИМС

Познакомимся с основными параметрами ИМС, которые имеют значение при эксплуатации, ремонте и наладке цифровой аппаратуры.

U_СС — напряжение питания. Для ИМС серии КР1533 и некоторых других оно составляет 5 В ± 10%.

U_L (L — low — низкий) — напряжение низкого уровня (уровня логического 0) на входе U_IL (I — input — вход) и на выходе U_OL (O — output — выход). Для ИМС серии КР1533 нормой является: U_IL — не более 0,8 В; U_OL — не более 0,5 В.

U_H (H — high — высокий) — напряжение высокого уровня (уровня логической 1) на входе U_IH и на выходе U_OH. Для ИМС серии КР1533 нормой является: U_IH — не менее 2,0 В; U_OH — не менее 2,7 В.

I_L — ток низкого уровня на входе I_IL и на выходе I_OL. Для ИМС серии КР1533 нормой является I_IL = — 200 мкА; I_OL = 8 мА.

I_H — ток высокого уровня на входе I_IH и на выходе I_OH. Для ИМС серии КР1533 нормой является I_IH = 20 мкА; I_OH = — 0,4 мА.

P_B — потребляемая (рассеиваемая) мощность на один вентиль (логический элемент НЕ): P_B = (P_L + P_H) /2, где P_L и P_H — потребляемая мощность при наличии на выходе элемента соответственно низкого уровня логического 0 и высокого уровня логической 1. В статическом режиме для ИМС серии КР1533 нормой является P_B = 1,2 мВт.

Следует иметь в виду, что для микросхем на биполярных транзисторах величины P_L и P_H отличаются довольно существенно, причем меньшей величиной является P_H. Микросхемы на полевых транзисторах потребляют настолько малую мощность, что для них разницу между P_L и P_H практически можно не учитывать.

В динамическом режиме потребляемая микросхемой мощность возрастает, увеличиваясь с ростом частоты.

t_P — время задержки распространения сигнала. Данная величина представляет собой промежуток времени между изменением сигнала на входе и соответствующим изменением сигнала на выходе. t_P является динамической характеристикой работы ИМС, по ней обычно судят о быстродействии микросхем. Очевидно, что при уменьшении t_P быстродействие возрастает.

Различают время задержки распространения сигнала при включении t_PHL (когда сигнал на выходе элемента меняется с 1 до 0) и при выключении t_PLH (когда сигнал на выходе элемента меняется с 0 до 1). Эти величины для элемента НЕ показаны на рис.1.18.

В качестве примера приведем значения t_PHL и t_PLH для микросхемы КР1533ЛН1: t_PHL — не более 11 нс; t_PLH — не более 8 нс.

К_Н — нагрузочная способность или коэффициент разветвления по выходу. Показывает, какое максимально допустимое количество элементов можно подключить к выходу каждого элемента данной микросхемы. Например, на рис.1.3 к выходу 3-го элемента присоединены три других элемента — 7-й, 8-й и 9-й. Допустимо ли это, вы можете сказать сами: обычные микросхемы ТТЛШ-структуры имеют К_Н = 10.

U_П — помехоустойчивость, которая оценивается в статическом и динамическом режимах. Статическая помехоустойчивость определяется максимально допустимой величиной повышения (относительно уровня 0) или понижения (относительно уровня 1) напряжения на входах, которое еще не приводит к изменению сигнала на выходе. Для микросхем серии КР1533 нормой является U_П = 0,4В. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения микросхемы (быстродействия) и ее статической помехоустойчивости.

N — надежность. Ее обычно характеризуют максимально допустимым количеством отказов за единицу времени. Для микросхем серии КР1533 нормой является N = 10^—6 отказов в час.

1.7. Сравнительная характеристика ИМС различных структур

Основными параметрами, позволяющими производить сравнение по качеству микросхем различных структур и серий, являются статическая потребляемая мощность и среднее время задержки распространения сигнала в пересчете на один вентиль. Для наглядности типовые значения Р_В и t_P приведены на графике (рис.1.19).

Из этого графика видно, что наихудшими параметрами характеризуются микросхемы ТТЛ-структуры. Поэтому в настоящее время интенсивно идет процесс их вытеснения микросхемами других структур. Однако следует иметь в виду, что в ныне функционирующей аппаратуре микросхемы ТТЛ-структуры (особенно ИМС серии 155) распространены очень широко и будут работать еще очень долго. Первым разработчиком ИМС по технологии ТТЛ является фирма «Texas Instruments», которая выпустила ИМС серии SN74 (аналог — серия 155).

Применение диодов Шоттки и усовершенствование технологии позволило уменьшить потребляемую мощность и увеличить быстродействие в микросхемах ТТЛШ-структуры по сравнению с ИМС структуры ТТЛ.

Наименьшую потребляемую мощность при сравнимом с ИМС других структур быстродействии имеют микросхемы МОП-структуры, построенные на полевых транзисторах. Но наряду с указанным очевидным преимуществом они имеют и недостатки: чувствительность к статическому электричеству, значительный разброс всех параметров, повышенное выходное сопротивление (до 1 кОм). Разработка первых микросхем МОП серии CD4000 (аналог — серия 561) была выполнена фирмой «RCA».

Наивысшее быстродействие достигается в микросхемах ЭСЛ-структуры, т.к. здесь транзисторы работают в ненасыщенном (линейном) режиме. Но большая потребляемая мощность и низкая помехоустойчивость не позволяют применять их достаточно широко. ИМС структуры ЭСЛ используются в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к быстродействию (например, в запоминающих устройствах). Первым разработчиком ИМС по технологии ЭСЛ была фирма «Motorola», которая выпустила серию МС10000 (аналог — серия 500).

Приведенный анализ подтверждает следующее: в настоящее время наибольшее распространение имеют ИМС структур ТТЛШ и МОП.

Сверхвысокое быстродействие при сравнимой с другими структурами потребляемой мощности достигается в микросхемах на основе арсенида галлия, но сравнительно высокая стоимость, недостаточно разработанная технология и некоторые другие недостатки пока не позволяют применять данные микросхемы в широких промышленных масштабах.

1.8. Элементы с открытым коллекторным выходом

Некоторые микросхемы структуры ТТЛ и ТТЛШ имеют открытые коллекторные выходы (ОК), у них нет резистора коллекторной нагрузки в выходном транзисторе. Для формирования выходного перепада напряжения (чтобы имелась возможность установки на выходе и уровня логического 0, и уровня логической 1) к выходу элемента с ОК требуется подключать нагрузочное сопротивление, поэтому такие микросхемы применяются для обслуживания устройств, которые и будут представлять собой для ИМС коллекторную нагрузку. К ним относятся индикаторы, сигнальные лампы, светодиоды, коаксиальные кабели и т. д. В условном изображении таких микросхем ставится знак, показанный на рис.1.20 внутри элементов 2И.

Примерами ИМС с ОК, содержащими логические элементы, являются: КР1533ЛН2, КР1533ЛИ2, КР1533ЛИ4, КР1533ЛА7, КР1533ЛА9, КР1533ЛА10, КР1533ЛП12, которые имеют структуру, аналогичную соответственно микросхемам КР1533ЛН1 (рис.1.10), КР1533ЛИ1 (рис.1.10), КР1533ЛИ3 (рис.1.10), КР1533ЛА1 (рис.1.11), КР1533ЛА3 (рис.1.11), КР1533ЛА4 (рис.1.12), КР1533ЛП5 (рис.1.14).

Выходы нескольких элементов с ОК можно присоединять к общей нагрузке R_H (смотрите рис.1.20).

Такое соединение, позволяет реализовать логическую функцию И, поэтому называется «монтажным И» и изображается так, как показано в зеленом прямоугольнике на рис.1.20.

1.9. Буферные элементы

Некоторые элементы кроме логических операций выполняют еще и другие функции. Такие элементы обычно называют буферными. Применяются они в основном для двух целей:

1. Для подключения большого количества элементов, число которых превышает К_н обычных микросхем. У них повышенный коэффициент разветвления, достигающий, например, в микросхемах серии 1533 величины К_н = 30. В изображении таких ИМС ставится знак, показанный на рис.1.21 внутри элементов. К ним относятся КР1533ЛН8, КР1533ЛИ8, КР1533ЛИ10, КР1533ЛЛ4, КР1533ЛА21, КР1533ЛА22, КР1533ЛА24, КР1533ЛЕ10, которые имеют структуру, аналогичную соответственно микросхемам КР1533ЛН1 (рис.1.10), КР1533ЛИ1 (рис.1.10), КР1533ЛИ3 (рис.1.10), КР1533ЛЛ1 (рис.1.11), КР1533ЛА3 (рис.1.11), КР1533ЛА1 (рис.1.11), КР1533ЛА4 (рис.1.12), КР1533ЛЕ1 (рис.1.12).

Некоторые микросхемы с повышенной нагрузочной способностью могут иметь еще и открытые коллекторные выходы. Например, ИМС КР1533ЛН10, КР1533ЛА23, КР1533ЛЕ11, КР1533ЛП17, которые имеют структуру, аналогичную соответственно микросхемам КР1533ЛН1 (рис.1.10), КР1533ЛА3 (рис.1.11), КР1533ЛЕ1 (рис.1.12), КР1533ЛП16 (рис.1.21).

2. Разъединение между собой отдельных узлов цифровой аппаратуры для исключения их взаимного влияния в некоторых режимах работы. Такие элементы в отличие от других имеют три состояния: в одном состоянии на выходе устанавливается уровень логической 1; в другом состоянии — уровень логического 0; а в третьем (так называемое Z-состояние или высокоомное состояние или состояние с высоким импедансом) выходы элемента вообще размыкаются, отключая присоединенные к ним ЦУ. Если в последнем случае измерить сопротивление элемента со стороны выходов, то оно окажется практически бесконечно большим, поэтому данное состояние и называют высокоомным. Условное изображение подобных ИМС содержит знак, показанный на рис.1.22 внутри элементов.

Для примера можно привести микросхему КР1533ЛП8 (рис.1.22).

Она содержит 4 буферных повторителя, каждый из которых имеет управляющий состояниями вход EZ (E — enable — давать возможность, разрешать). При установке логического 0 на входе EZ элементу разрешается работать в качестве обычного повторителя, а если на этот вход подать сигнал 1, то элемент переходит в Z-состояние и его выход размыкается (состояние разомкнутого выхода принято обозначать: Z или Roff). Управляющий состояниями вход иногда называют разрешением по выходу и обозначают ЕО (Е — enable, O — output).

В некоторых случаях вход EZ делается общим для нескольких элементов. Например, в микросхеме КР1533ЛН7 (рис.1.22) содержится шесть буферных элементов НЕ с тремя состояниями выходов и повышенной нагрузочной способностью, разделенных на две группы по 4 и 2 элемента. Каждая группа элементов имеет свой управляющий состояниями вход EZ. Подача сигнала 1 на такой вход переводит в Z-состояние сразу все элементы соответствующей группы.

Подобные микросхемы, содержащие объединенные в группы элементы НЕ или повторители с тремя состояниями, которые имеют еще и повышенную нагрузочную способность, называют шинными формирователями или магистральными приемопередатчиками.

П р и м е ч а н и е. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной. Например, информационная шина, по всем линиям которой передается информация; шина управления, по линиям которой передаются сигналы управления; и т. д. Совокупность шин называется магистралью.

У таких ИМС в третьей части маркировки обычно ставят буквы АП, хотя иногда используется маркировка ЛП или ЛН (как, например, в только что рассмотренной микросхеме). Условное графическое изображение формирователей имеет, как правило, буквы BF (от английского buffer — буфер). Применяются они обычно в микропроцессорных системах и системах обработки данных с магистральной организацией обмена информацией.

Можно привести еще один пример шинного формирователя: КР1533АП4 (рис.1.23). Данная ИМС содержит два четырехразрядных магистральных передатчика, каждый из которых имеет по четыре буферных повторителя с тремя состояниями и повышенным коэффициентом разветвления.

Некоторые формирователи могут передавать информацию в обоих направлениях. Например, восьмиразрядный двунаправленный приемопередатчик КР1533АП6 (рис.1.23) содержит 8 буферных повторителя с тремя состояниями и повышенной нагрузочной способностью, у которых изменение направления передачи информации производится с помощью сигнала на дополнительном входе CD: при CD = 1 передача информации производится от D1 к D2, при CD = 0 — наоборот.

***1.10. Мажоритарные элементы

Мажоритарный (от английского majority — большинство) элемент формирует на своем выходе такой сигнал, который действует на большинстве его входов.

В качестве примера можно рассмотреть микросхему КР1533ЛП3 (рис.1.24). Она содержит три мажоритарных элемента «два из трех» (т.е. на выходе формируется такой сигнал, который действует не менее чем на двух входах из трех), работа каждого из них описывается таблицей истинности (табл.1.5).

ИМС имеет общий для трех элементов управляющий вход СО, на котором для нормальной работы должен поддерживаться уровень логического 0. При СО = 1 значение выходного сигнала определяется только сигналом на входе 3.¹

1.11. Преобразователи уровней

При использовании в аппаратуре микросхем различной структуры возникает необходимость их согласования по таким важнейшим параметрам, как уровни сигналов и потребляемая мощность.

Эту задачу решают специальные ИМС, которые получили название: преобразователи уровней логических сигналов.

Микросхемы любых преобразователей в третьей группе маркировки имеют первую букву П, а вторая буква указывает на конкретный вид преобразователя. Для ИМС преобразователей уровней принято обозначение: ПУ.

Для примера рассмотрим микросхему К564ПУ9 (рис.1.25).

Она может выполнять одновременное преобразование 8 сигналов как от уровня ТТЛ (ТТЛШ) к МОП, так и от уровня МОП к ТТЛ (ТТЛШ). Входы ЕZ и DEZ предназначены для управления режимами работы:

— при подаче на вход DEZ сигнала 0 микросхема выполняет преобразование сигналов МОП уровня в ТТЛ (ТТЛШ) при любом сигнале на входе EZ;

— при одновременной установке сигналов 1 на входах EZ и DEZ микросхема выполняет преобразование сигналов ТТЛ (ТТЛШ) уровня в МОП;

— если же на входе EZ установить уровень логического 0, а на вход DEZ подать 1, то микросхема переходит в Z-состояние.

Следует учесть, что выходные сигналы инвертируются, т.к. на выходах стоит графический знак операции логического отрицания.

П р и м е ч а н и е. В настоящее время выпускаются микросхемы МОП-структуры, прямо совместимые со стандартными сериями ТТЛ (ТТЛШ). Например, микросхемы серий 1564, КР1564, КР1594 (аналоги — соответственно серии ММ54НС, ММ74НС и 74АСТ фирмы «National Semiconductor»).

Примечания

1

***Темы, отмеченные звездочками, не были включены в программу предмета ко времени работы над книгой из-за недостатка времени по учебным планам. Они здесь даются для расширения и углубления знаний тех учащихся, которым это интересно, а также для помощи при выполнении курсовых работ и дипломных проектов.