Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры, счетчики, элементы арифметических устройств (выполняющие различные математические операции) и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровое устройство, выполненный на базе микросхем данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.
Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ). резистивно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ), микросхемы на так называемых комплиментарных МДП структурах (КМДП). Элементы КМДП цифровых микросхем используют пары МДП-транзисторов (со структурой металл — диэлектрик-полупроводник) — с каналами p- и n-типов. Базовые элементы остальных типов выполнены на биполярных транзисторах.
В радиолюбительской практике наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ серии и КМДП. На (рис. 1) показана схема базового логического элемента И-НЕ ТТЛ. На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VТ1. Если на все его эмиттеры подать напряжения высокого уровня, то эмиттерный переход транзистора окажется закрытым. При этом ток. протекающий через резистор R1 и коллекторный переход транзистора VТ1, откроет транзистор VТ2. Падение напряжения на резисторе RЗ будет достаточным для открывания транзистора VТ5. Напряжение на коллекторе транзистора VТ2 таково, что транзистор VТЗ закрыт, соответственно закрыт и транзистор VТ4. В результате на выходе элемента появится напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0. Если же хоть на один из входов элемента подать напряжение низкого уровня, то эмиттерный переход транзистора VТ1 откроется, а транзисторы VТ2 и VТ5 будут закрыты. Транзистор VТЗ откроется за счет тока, протекающего через резистор R2, войдет в режим насыщения. Соответственно откроется транзистор VТ4, и на выходе элемента появится напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Следовательно, рассмотренный элемент выполняет функцию И-НЕ. В состав микросхем серий ТТЛ входит также логический элемент И-НЕ без коллекторной нагрузки в выходном каскаде. Это так называемый элемент И-НЕ с открытым коллектором. Он предназначен для работы на внешнюю нагрузку, в качестве которой могут быть использованы электромагнитные реле, индикаторные приборы и т. д., ещё схемы с открытым коллектором применяются в шинах передачи данных в случаи когда две или более выходов подключены к одной физической линии рисунок 1.
Рисунок 1
Напомним, что структура КМДП является идеальным переключателем напряжения. Такой переключатель содержит два МДП транзистора с каналами p- и n-типов. При подаче на вход переключателя напряжения высокого уровня открывается n-канальный транзистор и закрывается p-канальный. На рисунок 2 изображены схемы базовых элементов И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б) микросхем КМДП. Напряжение низкого уровня (логический 0) будет на выходе элемента И-НЕ лишь при одновременной подаче напряжений высокого уровня (логических 1) на все входы X1-ХЗ. Если напряжение хотя бы на одном из входов (например, X1) будет низкого уровня то закроется n-канальный транзистор VТ6, и откроется p-канальный транзистор VТ1, через канал которого выход элемента подключается к источнику питания. Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Для реализации базового логического элемента ИЛИ-НЕ на КМДП структурах участки схемы, содержащие последовательно и параллельно включенные транзисторы, следует поменять местами рисунок 2,б.
Рисунок 2
Микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5 В±10%. большая часть микросхем на КМДП структурах устойчиво работает при напряжении питания 3-15 В, некоторые — при напряжении 9 В±10%. Уровни логических 0 и 1 должны отличаться возможно больше. Различают пороговое логической 1 U1пор — наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логического 0 до уровня логической 1, а также пороговое напряжение логического 0 U0пор — наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логической 1 до уровня логического 0.
Прежде чем перейти к детальному рассмотрению наиболее распространенных серий микросхем и цифровых устройств на их базе, остановимся на основных параметрах логических элементов. К ним относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического 0 и логической 1, нагрузочная способность, помехоустойчивость и быстродействие, потребляемая мощность.
Для микросхем ТТЛ серий U1пор =2,4 В; U0пор =0,4 В. Напряжение низкого и высокого уровней на выходе микросхем ТТЛ U1вых>=2,4В, U1вых<=0,4В.
Для микросхем на КМДП структурах U1пор>0,7* Uпит, U0пор>0,3* Uпит то же время отклонения выходных напряжений U0вых и U1вых от нулевого значения и напряжения источника питания соответственно достигают всего нескольких десятков милливольт. Способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется нагрузочной способностью. Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Но при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность. В связи с этим в составе различных серий микросхем есть так называемые буферные элементы с нагрузочной способностью, в несколько раз большей, чем у основных элементов. Количественно нагрузочная способность оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы. В свою очередь единичной нагрузкой является вход основного логического элемента данной серии.
Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов серий ТТЛ серии к155 составляет 10, для микросхем серий к561 КМДП — до 100. Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических 0 и 1, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серий КМДП не менее 30% напряжения питания. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости. Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т. е. максимальной частотой переключения триггера, выполненного на этих базовых элементах. Предельная рабочая частота микросхем ТТЛ серии к155 составляет 10 МГц. а микросхем серий к176 и к561 на КМДП структурах лишь 1 МГц. Быстродействие определяется так же, как среднее время задержки распространения сигнала.
Рисунок 3
tзд.р.ср.=0,5(t1,0зд.р+t0,1зд.р), где t1,0зд.р и t0,1зд.р — времена задержки распространения сигнала при включении и выключении рисунок 3.
Среднее время задержки распространения сигнала является более универсальным параметром микросхем, потому что, зная его. можно рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы суммированием tзд.р.ср для всех последовательно включенных микросхем. Для микросхем серии К155 tзд.р.ср составляет около 20 нс, а для микросхем серии К176 — 200 нс. Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях логического нуля (Р0) и логической единицы на выходе (Р1). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления Рср=(Р0+Р1)/2. Статическая средняя мощность потребления базовых элементов серии К 155 составляет несколько десятков милливатт, а у элементов серий К176 и К561 она более чем в тысячу раз меньше. Следовательно, при необходимости построення цифровых устройств с малым током потреблен нем целесообразно использовать микросхемы на КМДП структурах. Но следует учитывать, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Потому помимо Рср задаётся также мощность Рдин, измеряемая на максимальной частоте переключений. Необходимо иметь в виду. что с повышением быстродействия мощность, потребляемая микросхемой увеличивается