Классификация и основные параметры цифровых микросхем

В зависимости от технологии изготовления цифровые микросхемы различаются по типам. Наибольшее распространение в судовой и вообще в промышленной автоматике получили два типа (семейства) логических схем: транзисторно-транзисторные логические схемы (ТТЛ) и логические схемы на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП). Внутри каждого семейства идет постоянное совершенствование в трех направлениях: увеличение быстродействия, уменьшение потребляемой мощности, повышение степени интеграции.

Микросхемы выпускают сериями. Серия представляет собой комплект микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и близкие электрические параметры. Основой каждой серии является базовый логический элемент – инвертор с входной логикой, являющийся элементарным функциональным узлом, с использованием которого строятся более сложные логические устройства.

Транзисторно-транзисторная логика выполнена на биполярных транзисторах. Напряжение питания +5 В, диапазон сигналов логического нуля 0 – 0,4 В; диапазон сигналов логической единицы 2,4 – 5 В. Базовый логический элемент ТТЛ изображен в несколько упрощенном виде на рис. 4.3. Он состоит из схемы И, выполненной на основе многоэмиттерного транзистора VT1, и транзисторного инвертора.

Если хотя бы один из эмиттеров транзистора VT1 соединить с общим проводом (т.е. подать логический ноль), то потенциал базы VT1 не превышает 0,7 В. Этого недостаточно для того, чтобы открыть последовательно включенные коллекторный переход VT1 и эмиттерные переходы VT2 и VT4. Поэтому транзисторы VT2 и VT4 заперты, а транзистор VT3 открыт током резистора R2. На выход поступает напряжение логической единицы. Если же на все эмиттеры VT1 подано напряжение высокого уровня, то они заперты, и к базе VT1 через резистор R1 прикладывается напряжение питания. Вследствие этого коллекторный переход VT1 смещается в прямом направлении, транзисторы VT2 и VT4 открываются, а транзистор VT3 закрывается. Выходное напряжение равно напряжению насыщения транзистора VT4.

Из рассмотрения схемы рис. 4.3 виден ряд особенностей, характерных для любых ТТЛ-микросхем:

1. Сигнал логического нуля следует подавать от источника с малым внутренним сопротивлением (не более нескольких сотен Ом). В противном случае сопротивление источника и резистор R1 образуют делитель, напряжение на базе VT1 возрастает и запирание VT4 не гарантировано.

2. Обрыв входной цепи равнозначен подаче сигнала логической единицы.

3. При единичном сигнале на выходе ТТЛ-вентиль обладает низкой нагрузочной способностью, так как его выходной ток ограничен резистором R4. При необходимости отдать ток в нагрузку иного рода, нежели входы других ЛЭ (светодиод, промежуточный транзисторный ключ – усилитель тока, реле), ее следует подключать между выходом и источником U _п.

Для расширения функциональных возможностей у отдельных типономиналов микросхем выходной каскад выполнен с открытым коллектором (рис. 4.4, а). Если открытый вывод представляет собой коллектор n-p-n -транзистора, или эмиттер p-n-p -транзистора, или сток n -канального полевого транзистора, или исток p -канального полевого транзистора, то в основном поле условного графического обозначения или в поле выводов ставится знак. Для коллектора p-n-p -транзистора, эмиттера n-p-n -транзистора, стока p -канального полевого транзистора и истока n -канального полевого транзистора указывается знак. Чтобы сформировать выходной перепад напряжения, к такому выходу необходимо подключить нагрузочный резистор R _н. Часто ЛЭ с открытым коллектором обеспечивает отдачу в нагрузку увеличенного тока или подключение нагрузки к повышенному напряжению питания. Кроме того, ЛЭ с открытым коллектором допускают соединение нескольких выходов между собой. При этом реализуется дополнительная логическая операция, называемая монтажной логикой. На рис. 4.4, б показано соединение, при котором логическая единица появится в точке соединения выходов ЛЭ только в том случае, если заперты все выходные транзисторы, соединенные с резистором нагрузки R _н. Следовательно, такое соединение реализует логическую операцию И; ее принято называть монтажное И.

Для питания мощных нагрузок в состав серий включают ЛЭ с повышенной нагрузочной способностью. Так, если для микросхемы 155ЛА1 = 16мА, то для аналогичной по функциям и нумерации выводов микросхемы 155ЛА6 = 48 мА. В условном графическом обозначении таких ЛЭ в основном поле после знака функции ставят знак или.

В состав развитых серий цифровых микросхем входят также ЛЭ с внутренней ПОС – триггеры Шмитта (см. п. 3.3). Они предназначены для преобразования входных аналоговых сигналов в выходные цифровые сигналы, а также для восстановления формы цифровых сигналов, искаженных в результате прохождения по линиям связи. Типичными примерами являются микросхемы КР1533ТЛ2 (шесть триггеров Шмитта – инверторов), К155ТЛ3 (четыре триггера Шмитта с входной логикой И-НЕ).

В связи с развитием информационной техники появились ЛЭ с тремя устойчивыми состояниями на выходе (рис. 4.4, в). Третье состояние Z возникает, когда оба выходных транзистора заперты. Для этого нужно подать на вход EZ (enable Z) высокий уровень. ЛЭ с тремя состояниями используются для присоединения к шине данных. К одному проводнику такой шины можно подключить множество выходов источников данных и множество входов приемников, но в каждый момент времени только один источник выдает сигнал на шину. Остальные источники находятся в Z-состоянии и не влияют на процесс передачи. В условных графических обозначениях выходы, имеющие третье состояние, обозначаются меткой Z или.

Первыми массовыми сериями ТТЛ-схем стали серии SN54 и SN74, разработанные фирмой Texas Instruments в 1963 г. Микросхемы коммерческой серии SN74 имели пластмассовый корпус DIP (двухрядные выводы перпендикулярны печатной плате, шаг 2,5 мм), температурный диапазон от 0 до 70°С. Серия SN54 – для военного применения, выполнялась в металлостеклянном планарном корпусе (выводы параллельны плоскости монтажа, шаг 1,25 мм), температурный диапазон от минус 55 до 125°С. Отечественными аналогами серий SN74/SN54 стали соответственно серии 155/133. Базовый логический элемент, изображенный на рис. 4.3, относится именно к этим сериям.

В 1967 г. были разработаны серии SN74H/54H (High speed – быстродействующая, отечественные аналоги – серии 131 и 130) и SN74L/54L (Low power – маломощная, аналоги – серии 158 и 136). Они отличались от предшествующих серий в основном сопротивлениями резисторов; кроме того, в серии 74Н/54Н транзистор VT3 в базовом логическом элементе выполнен составным.

В 1969 г. разработана серия повышенного быстродействия SN74S/54S (отечественные аналоги – серии 531 и 530). В ее обозначении S (Schottky) указывает на применение ключей с диодом Шоттки (см. рис. 3.4, б). Широкую популярность приобрела появившаяся в 1971 г. серия SN74LS/54LS (отечественные аналоги – серии К555 и 533). Использование диодов с барьером Шотки позволило значительно повысить быстродействие ЛЭ за счет предотвращения глубокого насыщения транзисторов в ключевом режиме.

В дальнейшем были разработаны еще несколько ТТЛ-серий:

SN74AS/54AS (AS – Advanced Schottky, аналог – серия КР1530/1530).

SN74ALS/54ALS (ALS – Advanced Low power Schottky, аналог – серия КР1533/1533).

SN74F/54F фирмы Fairchild (FAST — Fairchild's Advanced Schottky TTL, аналог – серия КР1531/1531).

Особенностью всех перечисленных серий является полное совпадение номеров выводов и обозначения типа для ИМС одинакового функционального назначения. Например, если SN7410 — три логических элемента 3И-НЕ, то обозначение 10 будет присвоено аналогичным микросхемам во всех сериях. Тот же подход используется в обозначениях отечественных цифровых микросхем.

В табл. 4.2 приведены основные характеристики ТТЛ-серий. Время задержки распространения приведено для микросхем типа ЛА3, содержащих 4 ЛЭ 2И-НЕ. Ток потребления указан для того же типа схем при различных логических уровнях на входах.

Таблица 4.2

Параметр	74 (54)	74S (54S)	74LS (54LS)	74F (54F)	74AS (54AS)	74ALS (54ALS)
U п, В	4,75 – 5,25	4,75 – 5,25	4,75 – 5,25	4,5 – 5,5	4,5 – 5,5	4,5 – 5,5
/ , нс	22/15	4,5/5	15/15	6/5,3	4,5/4	11/8
/ , мА	0,04/-1,6	0,05/-0,2	0,02/-0,4	0,02/-0,6	0,04/-2,4	0,02/-0,2
/ , мА	-0,4/16	-1/20	-0,4/8	-1/20	-2/20	-0,4/8
I пот. max, мА	8/22	16/36	1,6/4,4	2,8/10,2	3,2/17,4	0,85/3
К раз

ТТЛ-микросхемы достигли пика интенсивного развития с появлением серии 74ALS. Эта серия имела наиболее удачные показатели для большинства применений и наиболее полный функциональный состав.

При применении ТТЛ-микросхем необходимо учесть ряд особенностей.

Микросхемы чувствительны к перенапряжениям и даже при их кратковременных воздействиях могут выйти из строя. Как исключение, допускается кратковременное перенапряжение до 7 В в течение не более 5 мс.

Для повышения помехоустойчивости неиспользуемые входы микросхем необходимо подключать либо к источнику + 5 В через резистор 1 кОм, либо к общей шине. К каждому резистору допускается подключать до 20 свободных входов. Логический уровень, подаваемый на входы неиспользуемых ЛЭ, выбирается так, чтобы уменьшить потребляемый ток. Неиспользуемые входы задействованных в схеме ЛЭ допускается как подключать к шинам питания (подается "0" или "1" в зависимости от того, какой уровень не нарушает работу схемы), так и объединять с используемыми входами этого же ЛЭ.

Большое внимание следует обращать на подавление импульсных помех, возникающих при переключении ЛЭ. Для исключения низкочастотных импульсных помех вблизи разъема печатной платы устанавливается конденсатор между цепью питания и общим проводником из расчета не менее 0,1 мкФ на одну микросхему. Для исключения высокочастотных помех рекомендуется устанавливать керамические конденсаторы, распределяя их по площади печатной платы из расчета один конденсатор на группу не более чем из 10 микросхем с емкостью не менее 0,002 мкФ на одну микросхему. При использовании больших интегральных схем керамические конденсаторы устанавливаются непосредственно у каждого корпуса.

Для повышения помехоустойчивости цифровых устройств следует обращать особое внимание на выполнение внутриплатных и межплатных соединений. Рекомендуются следующие правила при проектировании печатных плат:

─ шина питания размещается на одной стороне печатной платы, а общая шина – на другой стороне;

─ при наличии свободного пространства на печатной плате оно используется для увеличения поверхности общей шины;

─ проводники с информационными сигналами, расположенные на разных сторонах платы или в разных слоях, должны пересекаться под углом 90 градусов для уменьшения емкостной связи между ними;

─ длина печатного проводника не должна превышать 20 – 30 см; при большей длине проводника его следует выполнять с помощью объемного монтажа (отдельным проводом или кабелем);

─ линии до 1 м выполняются несогласованными витыми парами, при этом провод «земля» должен быть заземлен на передающей и приемной сторонах. Линии длиной от 1 до 3 м выполняются согласованными витыми парами. При длине свыше

3 м соединение выполняется коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением

100 Ом. Длина коаксиального кабеля не должна превышать 30 м. При этом следует учитывать, что кабель вносит задержку распространения сигнала, равную приблизительно 5 нс на один метр длины;

─ при работе с длинными соединительными линиями в качестве передающих и приемных устройств должны использоваться специальные ИМС формирователей или приемопередатчиков, широко представленные в справочной литературе, например /9,13/.

Логические элементы КМОП выполняются с использованием МОП-транзисторов разного типа проводимости.

Базовый КМОП-инвертор показан на рис. 4.5, а. При нулевом входном напряжении транзистор с р -каналом VT1 открыт. Транзистор с n -каналом VT2 при этом закрыт, поскольку напряжение на его затворе меньше порогового. При входном напряжении, близком к напряжению питания U _п, открыт VT2 и закрыт VT1. Таким образом, в статическом режиме каскад практически не потребляет ток от источника питания. Входные токи КМОП-микросхем также практически равны нулю, вследствие чего они имеют существенно больший по сравнению с TТЛ коэффициент разветвления по выходу (более 50).

Очень высокое входное сопротивление МОП-транзисторов, достигающее 10¹² – 10¹⁴ Ом, вызывает необходимость защиты входов от перенапряжений, вызванных в первую очередь статическим электричеством. Эта защита выполняется в современных КМОП-микросхемах с помощью диодов VD1 … VD3. Входной резистор R1 сопротивлением 0,2 – 2 кОм защищает источник входного сигнала от перегрузки импульсным током заряда входной емкости затворов. Наличие диодов защиты делает недопустимой подачу входного сигнала, большего, чем напряжение питания, от источника с малым внутренним сопротивлением, так как в этом случае через диод VD1 потечет большой прямой ток.

ЛЭ, выполняющий функцию 2И-НЕ, приведен на рис. 4.5, б. При нулевом сигнале хотя бы на одном из входов один из транзисторов VT1 или VT2 открыт, и один из транзисторов VT3 или VT4 закрыт. При этом выходное напряжение близко к U _п. Только если на оба входа подать сигналы высокого уровня, транзисторы VT1 и VT2 будут закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 – открыты, и на выходе будет сигнал логического нуля.

Если группы параллельно и последовательно включенных транзисторов поменять местами, то ЛЭ будет выполнять функцию ИЛИ-НЕ (рис. 4.5, в).

Разработка первых ИМС КМОП серии CD4000 была выполнена фирмой RCA в 1968 г. (отечественные аналоги – К164 в планарном корпусе и К176 в DIP-корпусе). Эти ИМС рассчитаны на номинальное напряжение питания 9 В, допустимый диапазон 5–10 В. Основные параметры: входной ток не более 0,1 мкА; предельный выходной ток 0,5 мА; время задержки распространения не более 200 нс; потребляемый ток для микросхем малой степени интеграции не более 0,3 мкА.

Усовершенствованные серии КМОП-ИМС CD4000A (отечественные аналоги – 564, К561) и CD4000B (аналог – КР1561) работоспособны в диапазоне питающих напряжений 3–15 В. Следует отметить, что параметры аналогов, выпускающихся различными фирмами, значительно отличаются друг от друга. Кроме того, параметры имеют сильную зависимость от напряжения питания, температуры окружающей среды и емкости нагрузки С _н. Можно ориентироваться на следующие значения:

─ выходное напряжение отличается от напряжения шин питания не более чем на 0,05 В;

─ статический потребляемый ток для микросхем малой степени интеграции типа CD4001B (4´2ИЛИ-НЕ), CD4011B (4´2И-НЕ) имеет при U _п = 10 В типичное значение 0,001 – 0,005 мкА, максимальное значение 0,5 – 2 мкА, примерно пропорционален напряжению питания и увеличивается примерно вдвое на каждые 10°С увеличения температуры окружающей среды; при предельной частоте переключения потребляемые токи КМОП- и ТТЛ-микросхем сравнимы;

─ выходной ток при U _п = 10 В 1–2 мА; при U _п = 15 В до 9 мА;

─ время задержки распространения при U _п = 10 В, С _н = 50 пФ типично 50 нс, максимально 100 нс и примерно обратно пропорционально напряжению питания.

Таким образом, главное преимущество КМОП-технологии перед ТТЛ заключается в резком снижении потребляемой мощности, однако это достигается за счет значительного проигрыша по быстродействию.

Дальнейшее совершенствование технологии привело к появлению новых семейств быстродействующих КМОП-микросхем, которые, сохраняя микромощное потребление, по нагрузочной способности и быстродействию приблизились к ТТЛ-схемам. Благодаря этому в 90-е годы ТТЛ-схемы были в значительной степени вытеснены КМОП-схемами. В настоящее время КМОП-микросхемы составляют подавляющую часть мирового рынка цифровых интегральных схем.

В обозначениях микросхем новых серий взята за основу система обозначений серии 74, включая нумерацию однотипных элементов. Серии отличаются буквенным кодом, идущим вслед за обозначением "74":

─ НС (High Speed CMOS) – высокоскоростная КМОП серия;

─ AC (Advanced CMOS)– улучшенная серия КМОП;

─ VHC (Very High-speed CMOS) – КМОП с повышенным быстродействием;

─ LVT (Low Voltage Technology) – серия с низким напряжением питания: номинальное значение 3,3 В; допустимый диапазон 2,7 – 3,6 В.

Серии АС, НС и VНС выпускаются также в разновидностях АСТ, НСТ и VНСТ. Отличие заключается в уровнях сигналов и допустимом напряжении питания. Для серий без буквы "Т" диапазон напряжения питания 2 – 6 В. Серии с добавлением буквы "Т" допускают напряжение питания 4,5 – 5,5 В и совместимы с ТТЛ по входу.

Все указанные серии выпускаются также в исполнении 54.

В табл. 4.3 приведены основные характеристики новых КМОП-серий. Время задержки распространения приведено для номинального напряжения питания при С _н = 50 пФ; ток потребления указан в статическом состоянии при максимально допустимом напряжении питания и без нагрузки на выходе.

Серия 74хх	74HC	74AC	74VHC	74LVT
Отечественный аналог	КР1564	КР1554	–	–
, нс (при U п, В)	8 (5)	3,5 (5)	5,2 (5)	2,7 (3,3)
I пот, мкА	2,5 – 4	2,5 – 4
I вх, мкА	±1	±1	±0,1	±1
/ , мА	-4/4	-24/24	-4/4	-20/32

Таблица 4.3

При применении КМОП-ИМС следует выполнять рекомендации по обеспечению помехоустойчивости, которые сходны с изложенными выше для ТТЛ-схем, но имеют ряд особенностей.

Не допускается оставлять неиспользованные входы любых КМОП-микросхем неподключенными, так их потенциал из-за высокого входного сопротивления будет определяться случайными значениями сопротивлений утечки и наводками. Вследствие этого возможно появление на входе уровня, нарушающего логику работы устройства. Входы могут подключаться непосредственно к шинам питания.

Емкость линии связи является емкостью нагрузки для микросхемы, выход которой подключен к этой линии, поэтому увеличение емкости приводит к увеличению динамического тока потребления.

В цепях питания устанавливаются конденсаторы: низкочастотный электролитический из расчета не менее 0,03 мкФ на одну микросхему; высокочастотные керамические из расчета 0,068 мкФ на каждые 50 микросхем.

При совместном применении ТТЛ- и КМОП-микросхем необходимо выполнять согласование сигналов по току и напряжению.

При управлении ТТЛ от КМОП следует учитывать низкую нагрузочную способность по току КМОП-микросхем. При одинаковом напряжении питания возможно непосредственное подключение к выходу КМОП одного-двух входов ТТЛ серии 555 или 1533. При работе с ТТЛ других серий или при необходимости отдать большой ток в нагрузку применяются КМОП-элементы с повышенной нагрузочной способностью: буферные элементы (К561ЛН1, К561ЛН2) с выходным током 8–10 мА; элементы с открытым стоком (564ЛА10) или преобразователи уровня (К1561ПУ4). Буферные элементы применяются при одинаковом напряжении питания. Элементы с открытым стоком и преобразователи уровня используются как при одинаковых, так и при различных напряжениях питания.

При управлении КМОП от ТТЛ необходимо согласование напряжений. Уровень логической единицы на выходе ТТЛ, для которого 2,4 В считается нормой, может даже при одинаковом напряжении питания + 5 В оказаться недостаточным для переключения КМОП. Для повышения уровня логической единицы на выходе ТТЛ достаточно между выходом ТТЛ и шиной питания + 5 В включить резистор сопротивлением 3,3 кОм. В случае различного напряжения питания (как правило, напряжение питания КМОП выше) следует использовать ТТЛ-элементы с открытым коллектором, допускающие работу с повышенным напряжением (до 15 В для ИС 155ЛН3, 155ЛП9, 555ЛА11; до 30 В для ИС 155ЛН3, 155ЛП9) или преобразователи уровня (К561ПУ7, К561ПУ8, 564ПУ9).