Распространенные серии

Мудр тот, кто знает не многое, а нужное.

Эсхил

Перед нами стоит нелегкая задача — рассказать о практически используемых сериях цифровых микросхем. Трудность заключается в том, что в арсенале радиолюбителей обычно содержится опыт работы с сотней-другой цифровых микросхем. Рассказать о таком количестве в рамках этой книги просто не представляется возможным. Поэтому мы решили выбрать из всего этого длинного списка наиболее часто встречающиеся, распространенные, и рассказать на их примере об общих принципах устройства микросхем, их достоинствах и недостатках. В последующих главах, при изготовлении схем или самостоятельном конструировании цифровых самоделок, работа микросхем вам будет более понятна.

Первые цифровые микросхемы

Разберемся в технологиях изготовления микросхем, скрывающихся за пока непонятными буквами ТТЛ, КМОП, ТТЛШ, РТЛ, ДТЛ. Вообще-то значительные, принципиальные отличия имеют микросхемы, производимые по технологиям ТТЛ и КМОП, а сокращенные наименования ТТЛШ, РТЛ, ДТЛ относятся к действующей технологии ТТЛ и ее ранним модификациям.

Что такое ТТЛ? Это всего-навсего «транзисторно-транзисторная логика».

Уместна ли такая тавтология? Нет ли здесь «масла масляного» по известной поговорке? Ее предшественники РТЛ («резисторно-транзисторная логика») и ДТЛ («диодно-транзисторная логика») имеют более благозвучные названия. Примерно так же — необычно — звучит название прогрессивной технологии ТТЛШ — «транзисторно-транзисторная логика с элементами на основе барьеров Шоттки», технологии, позволяющей значительно повысить быстродействие микросхем и снизить их энергопотребление. Спешим обрадовать читателя: тавтология здесь если и есть, то в необходимом объеме, поясняющем суть работы цифровых элементов. Чтобы почувствовать, что это действительно так, обратим внимание на рис. 14.6, на котором изображен один и тот же элемент — 3ИЛИ-НЕ, но реализованный в разных технологиях. Необычный транзистор VT1, изображенный на рис. 14.6, в, называется многоэмиттерным транзистором.

Этот элемент специально разработан для применения в логических микросхемах и в качестве самостоятельного электронного компонента, реализованного в отдельном корпусе, не выпускается. Отсюда понятно, почему элемент ТТЛ — «транзисторно-транзисторный». Его основные свойства формируют только транзисторы, а остальные элементы применяются только как вспомогательные.

Рис. 14.6. Схемотехника логических элементов разных серий:

_{а — РТЛ; б — ДТЛ; в — ТТЛ}

У читателя наверняка появился законный вопрос: «Какой смысл иметь микросхемы, разработанные и производимые по разным технологиям, ведь все они работают одинаково?». Верно, исторически появившийся первым элемент РТЛ выполняет ту же функцию, что и «продвинутый» ТТЛШ! Реально — и об этом уже было сказано — элементы, изготовленные по разным технологиям, обладают разным быстродействием, отличаются по потреблению энергии. Быстродействие элемента определяется временем, за которое он переключается из одного логического состояния в другое. Чем быстрее смогут переключаться логические элементы, тем быстрее цифровая схема сможет совершать операции, производить вычисления. Обратите внимание на стремительно растущую частоту работы компьютерных микропроцессоров Intel — борьба идет за повышение максимально возможного числа переключений в секунду.

Второй немаловажный параметр логических элементов — потребляемая энергия (потребляемая мощность, потребляемый ток). Обычно интереснее сравнивать потребляемый микросхемами ток, так как напряжение питания у них может быть разным. На заре развития цифровой техники, когда вычислительные машины создавались на основе логических элементов, спроектированных с применением электронных ламп, для их питания требовались сравнительно большие мощности в сотни киловатт. Например, машина ENIAC в час потребляла 150 кВт. Потребляемая мощность современных домашних компьютеров оценивается по типовому блоку питания, встроенному в него. Мощность блока питания обычно не превышает 200–300 Вт, а возможности современных компьютеров в миллионы раз шире, чем тех, первых, на электронных лампах.

Особенно важно потребление энергии в портативной аппаратуре с батарейным питанием. Чем меньше потребляет прибор энергии, тем дольше прослужит питающий его комплект батарей. Наиболее показательный пример — надежная работа наручных электронных часов, которые могут годами «ходить», не требуя смены крохотных «батареек», хотя внутри электронной схемы работает не одна сотня транзисторов. Другой пример — переносные ноутбуки, которые можно взять с собой в поездку и которые практически ненамного уступают по возможностям настольным компьютерам.

На сегодняшний момент ТТЛ технология подошла к границе своих возможностей по быстродействию и потреблению энергии. У профессиональных разработчиков цифровой техники она уже не считается «технологией с большим будущим». На что обращено внимание профессионалов? Ситуация без перспектив, как правило, является тупиковой. Должен же быть какой-то выход?

Выход есть. Рассматривая технологию ТТЛ, основанную на использовании биполярных транзисторов, мы совершенно забыли о том, что есть еще и полевые приборы, на управление которыми практически не нужно затрачивать энергию… Мы рассмотрим перспективные серии микросхем с пониженным энергопотреблением в следующем разделе, а в этом настало время обозначить серии ТТЛ, рекомендуемые для радиолюбительского творчества.

Сравнительная табл. 14.4, показывающая динамические параметры (быстродействие) и потребляемую мощность разных микросхем в расчете на перенос одного бита, отражает усредненные параметры. Следует помнить, что параметры конкретных микросхем могут несколько отличаться от указанных средних, но общая тенденция сохраняется.

Для большинства радиолюбительских разработок рекомендуется использовать ТТЛ и ТТЛШ серии К555 и КР1533. Серии К155 и 133 на сегодняшний день считаются устаревшими, неперспективными, поэтому по возможности их лучше исключить из арсенала и использовать в своих практических конструкциях только в крайних случаях, когда под рукой не окажется нужной микросхемы из серий К555 и КР1533. В составе этих серий есть полные аналоги всех микросхем устаревших серий, так что таким обстоятельством нужно активно пользоваться. Напряжение питания всех рекомендуемых ТТЛ микросхем — +5 В с допуском не более ±5 %.

Микросхемы серий К531 и К1531 разумно применять в тех случаях, когда требуемое быстродействие всего устройства или части цифровой схемы лежит выше частоты 30 МГц. Эти микросхемы обладают значительным энергопотреблением. Установленные в приборы, они всегда нагреваются и ощущаются хорошо прогретыми при приложении к ним кончика пальца. Поэтому радиолюбителю рекомендуется работать с сериями К531 и К1531 «с оглядкой», хорошо подумав, а есть ли смысл использовать здесь микросхему этой серии? Зачастую в несложных цифровых приборах даже только одна такая микросхема, будучи установленной вместо КР1533, может в два раза увеличить потребляемый ток.

Получить исчерпывающие сведения о перспективных отечественных микросхемах серии ТТЛ можно в книге [1]. Этот справочник пользуется заслуженной популярностью как у профессионалов, так и у радиолюбителей.

Отечественные цифровые ТТЛ микросхемы имеют зарубежные аналоги, табл. 14.5 (вместо знаков хх стоят цифры).

Перспективные зарубежные серии ТТЛ имеют наименования 74F, 74LS, 74ALS и совпадают по техническим характеристикам с отечественными сериями КР1531, К555 и КР1533 соответственно. По этим названиям микросхемы можно разыскивать в прайс-листах фирм, торгующих электронными компонентами.

Микросхемы с пониженным потреблением

Поиск вариантов снижения энергопотребления привел разработчиков цифровой техники к применению для реализации логических элементов полевых транзисторов с изолированным затвором. Отсюда и берет начало название технология КМОП — на основе «комплементарных полевых транзисторов со структурой металл-окисел-полупроводник». «Изюминка» элементов этой серии заключается в наличии так называемой пушпульной схемы, которая в статическом (непереключающемся) состоянии потребляет ток, оцениваемый микроамперами. Что такое пушпульный каскад? Обратим внимание на рис. 14.7.

Рис. 14.7. Принцип действия КМОП инвертора

Пушпульный выход — это соединение транзисторов VT1 и VT2 так, как показано на представленном рисунке (а), — «столбиком». Чем замечательна эта схема?

Если нагрузка на выходе элемента отсутствует, то его общий потребляемый ток ограничивается только током утечки затворов транзисторов. Основная часть энергии, потребляемой КМОП микросхемой, затрачивается при переключении транзисторов, так как бывают мгновения, когда оба транзистора еще открыты в процессе изменения своего состояния-Это видно на рис. 14.7, б в точке А, где на одном графике показаны передаточные характеристики верхнего и нижнего транзисторов. Интересное свойство этого вида микросхем — средний потребляемый ток растет с повышением частоты переключения. Причина понятна — растет число переключений в секунду.

Имеющиеся внутри диоды VD1 и VD2, на первый взгляд, кажутся совершенно излишними, так как в процессе нормальной работы они всегда находятся в закрытом состоянии. И тем не менее эти диоды защищают входы микросхем от пробоя статическим электричеством — они открываются, когда напряжение на входе выходит за рамки напряжения питания микросхемы. Пробивное обратное напряжение для защитных диодов примерно 25…50 В.

Особенность КМОП микросхем состоит еще в том, что свободные (неиспользуемые) входы не должны оставаться «висящими» в воздухе, то есть неподключенными. Эти выводы лучше подключить к шине питания или к общему проводу, но так, чтобы это подключение не нарушило логику работы микросхемы, не заблокировало ее, не перевело в режим постоянного сброса. Словом, нужно досконально изучить работу микросхемы еще до разработки цифрового прибора.

Основной недостаток КМОП микросхем традиционных серий — их низкие по сравнению с элементами ТТЛ скорости переключения. Быстродействие не превышает в лучшем случае 3…5 МГц. Другая важная особенность работы с микросхемами заключается в общих мерах предосторожности, рекомендуемых при работе с полевыми приборами. Конечно, разработчики приняли все меры, чтобы обезопасить микросхемы от повреждения статическим электричеством. Но вероятность такой аварии существует, поэтому рекомендуются классические способы защиты в виде заземления паяльника и тела. Еще одно интересное свойство современных перспективных КМОП микросхем, которое, впрочем, относится к достоинствам, — надежная работа в широком диапазоне питающих напряжений: практически от 3 до 18 вольт.

Первая отечественная серия микромощных микросхем имеет маркировку К176. Эта серия очень широко применялась в цифровой аппаратуре и до сих пор встречается во вновь разработанных радиолюбительских конструкциях, ее можно легко приобрести. Тем не менее относиться к ней нужно с осторожностью — по некоторым вполне достоверным сведениям, эта серия снимается с производства, и то, что сегодня продается, поступает из старых запасов. Не исключена ситуация, когда радиолюбитель просто не сможет найти нужную микросхему на рынке: «закончилась» — скажут продавцы. Впрочем, серия К176 включает в себя много разновидностей микросхем, а ее основной недостаток — жестко нормированное напряжение питания 9 В с 5-процентным допуском, что затрудняет ее согласование с микросхемами ТТЛ серий. Но, как показывает практика, логические элементы этой серии реально сохраняют работоспособность в диапазоне напряжений 5…12 вольт, но — без гарантии надежной работы для некоторых экземпляров. Можно обеспечить надежное сопряжение микросхем с помощью так называемых преобразователей уровня (маркировка ПУ) — самостоятельных специализированных микросхем. Однако это усложнит схему — придется ввести два источника питания: на 5 и 9 В, что конечно же неудобно.

Основными в арсенале радиолюбителя являются микросхемы КМОП серии К561 и более новой К1561. В некоторых конструкциях можно встретить микросхемы серии 564 (там тот же самый кристалл, что и в К561). Они выпускаются в более компактных корпусах с планарными золочеными выводами, что, вне всякого сомнения, способствует продлению срока службы, но на порядки увеличивает цену. Эта серия непопулярна у радиолюбителей по экономическим соображениям. Вдобавок, по сравнению с серией K561, она не обладает какими-либо преимуществами, выигрышем в потреблении и другими важными свойствами. Диапазон питающих напряжений для серий 564 и К561 составляет 3…15 вольт, а для серии KP156I — 3…18 вольт.

Особое внимание читателя хочется обратить на серию KP1561, так как именно она будет интенсивно развиваться в ближайшие годы. У нее в выходных каскадах всех логических элементов установлены буферные усилители, увеличивающие нагрузочную способность и повышающие устойчивость к коротким замыканиям выходов на шины питания. К сожалению, эта серия пока содержит не так много разновидностей отечественных микросхем, как хотелось бы. Рекомендовать здесь можно использование импортных элементов, изготавливаемых по той же технологии.

Самой прогрессивной и стремительно развивающейся является отечественная серия KP1554, которая уже конкурирует по быстродействию с серией КР1533. Но обольщаться особо не стоит — микросхемы серии KP1554 только на низких частотах обладают низким потреблением, при частотах, приближающихся к предельным для ТТЛ серий, потребление обеих серий сравнивается. В чем же здесь преимущество? Серия KP1554 может работать при питающем напряжении 3 В. К сожалению, пока она мало распространена на отечественном рынке радиодеталей.

Отечественные КМОП микросхемы имеют зарубежные аналоги, табл. 14.6.

Вместо знаков ххх в маркировке стоят цифры, указывающие на вид микросхемы. Информацию по замене конкретных импортных микросхем отечественными аналогами можно найти в книге [2].