Серии цифровых микросхем

Основные обозначения на схемах

Для изображения электронных устройств и их узлов применяет­ся три основных типа схем:

• принципиальная схема;

• структурная схема;

• функциональная схема.

Различаются эти три вида схем своим назначением и, самое главное, степенью детализации изображения устройств.

Принципиальная схема — это наиболее подробная схема. Она обязательно показывает все использованные в устройстве элементы и все связи между ними. Если схема строится на ос­нове микросхем, то должны быть показаны номера выводов всех входов и выходов этих микросхем. Принципиальная схема должна позволять полностью воспроизвести устройство. Обо­значения принципиальной схемы наиболее жестко стандартизо­ваны, отклонения от стандартов не рекомендуются.

Структурная схема — это наименее подробная схема. Она предназначена для отображения общей структуры устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, за­чем нужно данное устройство, и что оно делает в основных ре­жимах работы, как взаимодействуют его части. Обозначения структурной схемы могут быть довольно произвольными, хотя некоторые общепринятые правила все-таки лучше выполнять.

Функциональная схема представляет собой гибрид струк­турной и принципиальной схем. Некоторые наиболее простые блоки, узлы, части устройства отображаются на ней, как на структурной схеме, а остальные — как на принципиальной схе­ме. Функциональная схема позволяет понять всю логику работы устройства, все его отличия от других подобных устройств, но не позволяет без самостоятельной дополнительной работы вос­произвести это устройство. Что касается обозначений, исполь­зуемых на функциональных схемах, то в части, показанной как структура, они не стандартизованы, а в части, показанной, как принципиальная схема, они стандартизованы.

В технической документации обязательно приводится струк­турная или функциональная схема, а также обязательно прин­ципиальная схема. В научных статьях и книгах чаще всего огра­ничиваются структурной или функциональной схемой, приводя принципиальные схемы только некоторых узлов.

А теперь рассмотрим основные обозначения, используемые на схемах.

Все узлы, блоки, части, элементы, микросхемы показывают­ся в виде прямоугольников с соответствующими надписями. Все связи между ними, все передаваемые сигналы показываются в виде линий, соединяющих эти прямоугольники. Входы и вхо­ды/выходы должны быть расположены на левой стороне прямо­угольника, выходы — на правой стороне, хотя это правило часто нарушают, когда необходимо упростить рисунок схемы. Выводы и связи питания, как правило, не показывают, если, конечно, не используются нестандартные включения элементов схемы. Это самые общие правила, касающиеся любых схем.

Прежде чем перейти к более частным правилам, надо дать несколько определений.

Положительный сигнал (сигнал положительной полярнос­ти)— это сигнал, активный уровень которого — логическая единица, то есть: нуль — это отсутствие сигнала, единица — сигнал пришел (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Элементы цифрового сигнала.

Отрицательный сигнал (сигнал отрицательной полярнос­ти)— это сигнал, активный уровень которого — логический нуль, то есть: единица — это отсутствие сигнала, нуль — сигнал пришел (рис. 1.13).

Активный уровень сигнала — это уровень, соответствую­щий приходу сигнала, то есть выполнению этим сигналом соот­ветствующей ему функции.

Пассивный уровень сигнала — это уровень, в котором сиг­нал не выполняет никакой функции.

Инвертирование или инверсия сигнала — это изменение его полярности.

Инверсный выход — это выход, выдающий сигнал инверс­ной полярности по сравнению с входным сигналом.

Прямой выход — это выход, выдающий сигнал такой же полярности, какую имеет входной сигнал.

Положительный фронт сигнала — это переход сигнала из нуля в единицу.

Отрицательный фронт сигнала (спад) — это переход сиг­нала из единицы в нуль.

Передний фронт сигнала(фронт) — это переход сигнала из пас­сивного уровня в активный уровень.

Задний фронт сигнала(срез) — это переход сигнала из активного уровня в пассивный уровень.

Тактовый сигнал (или строб) — управляющий сигнал, ко­торый определяет момент выполнения элементом или узлом его функции.

Шина — группа сигналов (и соответствующих физических линий передачи этих сигналов), объединенных по какому-то принципу. Например, шиной называют сигналы, соответствую­щие всем разрядам какого-то двоичного кода.

Для обозначения полярности сигнала на схемах использует­ся простое правило: если сигнал отрицательный, то перед его названием ставится знак минус, например, — WR или — ОЕ, или же (реже) над названием сигнала ставится черта. Если таких знаков нет, то сигнал считается положительным. Для названий сигналов обычно используются латинские буквы, представляю­щие собой сокращения английских слов. Например, WR — сиг­нал записи (от Write — писать).

Инверсия сигнала обозначается кружочком на месте входа или выхода. Существуют инверсные входы и инверсные выходы (рис. 1.14).

Если какая-то микросхема выполняет функцию по фронту входного сигнала, то на месте входа ставится косая черта (под углом 45°), причем наклон вправо или влево определяется тем, какой фронт — положительный или отрицательный — исполь­зуется в данном случае (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Обозначение входов и выходов.

Тип выхода микросхемы помечается специальным значком: выход 3С — перечеркнутым ромбом, а выход ОК — подчеркну­тым ромбом (рис. 1.14). Стандартный выход (2С) никак не по­мечается.

Наконец, если у микросхемы необходимо показать неин­формационные выводы, то есть выводы, не являющиеся ни ло­гическими входами, ни логическими выходами, то такой вывод помечается косым крестом (две перпендикулярные линии под углом 45°). Это могут быть, например, выводы для подключе­ния внешних элементов (резисторов, конденсаторов) или выво­ды питания (рис. 1.15).

В схемах также предусматриваются специальные обозначе­ния для шин (рис. 1.16). На структурных и функциональных схемах шины обозначаются толстыми линиями или двойными стрелками, причем количество сигналов, входящих в шину, ука­зывается рядом с косой чертой, пересекающей шину. На принципиальных схемах шина тоже обозначается толстой линией, а входящие в шину и выходящие из шины сигналы показываются в виде перпендикулярных к шине тонких линий с указанием их номера или названия (рис. 1.16). При передаче по шине двоич­ного кода нумерация начинается с младшего разряда кода.

Рис. 1.15. Обозначение неинформационных выводов.

Рис. 1.16. Обозначение шин.

При изображении микросхем используются сокращенные названия входных и выходных сигналов, отражающие их функ­цию. Эти названия располагаются на рисунке рядом с соответ­ствующим выводом. Также на изображении микросхем указы­вается выполняемая ими функция (обычно в центре вверху). Изображение микросхемы иногда делят на три вертикальных поля. Левое поле относится к входным сигналам, правое — к выходным сигналам. В центральном поле помещаются название микросхемы и символы ее особенностей. Неинформационные выводы могут указываться как на левом, так и на правом поле, иногда их показывают на верхней или нижней стороне прямо­угольника, изображающего микросхему.

В табл. 1.2 приведены некоторые наиболее часто встречаю­щиеся обозначения сигналов и функций микросхем. Микросхе­ма в целом обозначается на схемах буквами DD (от английского Digital — цифровой) с соответствующим номером, например DD1, DD20.1, DD38.2 (после точки указывается номер элемента или узла внутри микросхемы).

Табл. 1.2. Некоторые обозначения сигналов и микросхем

Обозначение	Название	Назначение
&	And	Элемент И
=1	Exclusive Or	Элемент Исключающее ИЛИ
	Or	Элемент ИЛИ
А	Address	Адресные разряды
BF	Buffer	Буфер
С	Clock	Тактовый сигнал (строб)
СЕ	Clock Enable	Разрешение тактового сигнала
СТ	Counter	Счетчик
CS	Chip Select	Выбор микросхемы
D	Data	Разряды данных, данные
DC	Decoder	Дешифратор
EZ	Enable Z-state	Разрешение третьего состояния
G	Generator	Генератор
I	Input	Вход
I/O	Input/Output	Вход/Выход
ОЕ	Output Enable	Разрешение выхода
MS	Multiplexer	Мультиплексор
Q	Quit	Выход
R	Reset	Сброс (установка в нуль)
RG	Register	Регистр
S	Set	Установка в единицу
SUM	Summator	Сумматор
Т	Trigger	Триггер
ТС	Terminal Count	Окончание счета
Z	Z-state	Третье состояние выхода

В настоящее время выпускается огромное количество разнооб­разных цифровых микросхем от простейших логических элемен­тов до сложнейших процессоров, микроконтроллеров и специа­лизированных БИС (больших интегральных микросхем). Выпус­ком цифровых микросхем занимается множество фирм как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому даже классификация этих микросхем представляет собой довольно трудную задачу.

Однако в качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые уже несколько десятилетий рядом фирм, напри­мер американской фирмой Texas Instruments (TI). Эти серии вклю­чают в себя функционально полный комплект микросхем, исполь­зуя который можно создавать самые разные цифровые устройства. Даже при компьютерном проектировании современных сложных микросхем с программируемой логикой (ПЛИС) применяются мо­дели простейших микросхем этих серий семейства 74. При этом разработчик рисует на экране компьютера схему в привычном для него элементном базисе, а затем программа создает прошивку ПЛИС, выполняющую требуемую функцию.

Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозна­чение, и система обозначений отечественных серий существен­но отличается от принятой за рубежом.

Рис. 1.17. Система обозначений фирмы Texas Instruments.

В качестве примера рассмотрим систему обозначений фир­мы Texas Instruments (рис. 1.17). Полное обозначение состоит из шести элементов:

1. Идентификатор фирмы SN (для серий АС и ACT отсутствует).

2. Температурный диапазон (тип семейства):

• 74 — коммерческие микросхемы (температура окружаю­щей среды для биполярных микросхем — 0...70°С, для КМОП микросхем 40...+85°С),

• 54 — микросхемы военного назначения (температура ок­ружающей среды--------------------------------- 55...+125°С).

3. Код серии (до трех символов):

• Отсутствует — стандартная ТТЛ серия.

• LS (Low Power Schottky) — маломощная серия ТТЛШ.

• S (Schottky) — серия ТТЛШ.

• ALS (Advanced Schottky) — улучшенная серия ТТЛШ.

• F (FAST) — быстрая серия.

• НС (High Speed CMOS) — высокоскоростная КМОП серия.

• НСТ (High Speed CMOS with TTL inputs) — серия НС, сов­местимая по входу с ТТЛ.

• AC (Advanced CMOS) — улучшенная серия КМОП.

• ACT (Advanced CMOS with TTL inputs) — серия АС, сов­местимая по входу с ТТЛ.

• BCT (BiCMOS Technology) — серия с БиКМОП техноло­гией.

• АВТ (Advanced BiCMOS Technology) — улучшенная серия с БиКМОП технологией.

• LVT (Low Voltage Technology) — серия с низким напря­жением питания.

4. Идентификатор специального типа (2 символа) — может от­сутствовать.

5. Тип микросхемы (от двух до шести цифр). Перечень некото­рых типов микросхем приведен в Приложении.

6. Код типа корпуса (от одного до двух символов) — может от­сутствовать. Например, N — пластмассовый корпус DIL (DIP), J — керамический корпус DIL (DIC), Т — плоский металлический корпус.

Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.

Отечественная система обозначений микросхем отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 1.18). Основные элементы обозначения следующие:

1. Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует.

2. Тип корпуса микросхемы (один символ) — может отсутство­вать. Например, Р — пластмассовый корпус, М — керамиче­ский корпус, Б — бескорпусная микросхема.

3. Номер серии микросхем (от трех до четырех цифр).

4. Функция микросхемы (две буквы).

5. Номер микросхемы (от одной до трех цифр). Таблица функ­ций и номеров микросхем, а также таблица их соответствия зарубежным аналогам приведены в Приложении.

Рис. 1.18. Обозначения отечественных микросхем.

Примеры обозначений: КР1533ЛАЗ, КМ531ИЕ17, КР1554ИР47.

Главное достоинство отечественной системы обозначений состоит в том, что по обозначению микросхемы можно легко понять ее функцию. Зато в системе обозначений Texas Instru­ments виден тип серии с его особенностями.

Чем отличается одна серия от другой?

На первом уровне представления (логическая модель) серии не различаются ничем. То есть одинаковые микросхемы разных серий работают по одним и тем же таблицам истинности, по од­ним и тем же алгоритмам. Правда, надо учитывать, что некото­рые микросхемы имеются только в одной из серий, а некоторых нет в нескольких сериях.

На втором уровне представления (модель с учетом задер­жек) серии отличаются величиной задержки распространения сигнала. Это различие может быть довольно существенным. По­этому в тех схемах, где величина задержки принципиальна, надо использовать микросхемы более быстрых серий (табл. 1.3).

На третьем уровне представления (электрическая модель) серии различаются величинами входных и выходных токов и напряже­ний, а также, что не менее важно, токами потребления (табл. 1.3). Поэтому в тех устройствах, где эти параметры принципиальны, надо применять микросхемы, обеспечивающие, например, низкие входные токи, высокие выходные токи и малое потребление.

Серия К155 (SN74) — это наиболее старая серия, которая постепенно снимется с производства. Она отличается не слиш­ком хорошими параметрами по сравнению с другими сериями. С этой классической серией принято сравнивать все остальные.

Таблица 1.3. Сравнение параметров одинаковых микросхем в разных стан­дартных сериях

	К155ЛАЗ (SN7400N)	К555ЛАЗ (SN74LS00N)	КР1533 ЛАЗ (SN74ALS00N)	КР1554ЛАЗ (SN74AC00N)
TPLH, нс не более			И	8,5
Tphl, нс не более				7,0
IIL, мА не более	-1,6	-0,4	-0,1	-0,001
IIH, мА не более	0,04	0,02	0,02	0,001
IOL, мА не менее
1он, мА не менее	-0,4	-0,4	-0,4	-75
UOL,B не более	0,4	0,5	0,5	0,3
UOH, В не менее	2,4	2,7	2,5	4,4
ICC, мА не более		4,4		0,04

Серия К555 (SN74LS) отличается от серии К155 малыми входными токами и меньшей потребляемой мощностью (ток по­требления почти втрое меньше, чем у К155). По быстродейст­вию (по временам задержек) она близка к серии К155.

Серия КР531 (SN74S) отличается высоким быстродействием (задержки примерно в 3—4 раза меньше, чем у серии К155), но большими входными токами (на 25% больше, чем у К155) и большой потребляемой мощностью (ток потребления больше в полтора раза по сравнению с серией К155).

Серия КР1533 (SN74ALS) отличается повышенным пример­но вдвое по сравнению с К155 быстродействием и малой по­требляемой мощностью (в четыре раза меньше, чем у К155). Входные токи еще меньше, чем у серии К555.

Серия КР1531 (SN74F) отличается высоким быстродействи­ем (на уровне КР531), но малой потребляемой мощностью. Входные токи и ток потребления примерно вдвое меньше, чем у серии К155.

Серия КР1554 (SN74AC) отличается от всех предыдущих тем, что она выполнена по КМОП-технологии. Поэтому она ха­рактеризуется сверхмалыми входными токами и сверхмалым потреблением при малых рабочих частотах. Задержки примерно вдвое меньше, чем у серии К155.

Наибольшим разнообразием имеющихся микросхем отли­чаются серии К155 и КР1533, наименьшим — серии КР1531 и КР1554.

Следует отметить, что приведенные здесь соотношения по быстродействию стандартных серий довольно приблизительны и выполняются не для всех разновидностей микросхем, имею­щихся в разных сериях. Точные значения задержек необходимо находить в справочниках, причем желательно использовать фирменные справочные материалы.

Микросхемы разных серий обычно легко сопрягаются меж­ду собой, то есть сигналы с выходов микросхем одной серии можно смело подавать на входы микросхем другой серии. Одно из исключений — соединение выходов ТТЛ, микросхем со вхо­дами КМОП микросхем серии КР1554 (74АС). При таком со­единении необходимо применение резистора номиналом 560 Ом между линиями сигнала и напряжения питания (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Сопряжение микросхем ТТЛ и КР1554 (КМОП).

При выборе той или иной серии микросхем следует также учитывать, что микросхемы мощной и быстрой серии КР531 создают высокий уровень помех по шинам питания, а микро­схемы маломощной серии К555 очень чувствительны к таким помехам. Поэтому серию КР531 рекомендуется использовать только в крайних случаях, когда необходимо получить очень высокое быстродействие. Не рекомендуется также применять в одном и том же устройстве мощные быстродействующие и маломощные микросхемы.