Сопряжение логических КМОП- и ТТЛ-элементов

9.01. Хронология логических семейств

В начале 1960-х гг. во времена, которые можно назвать доисторическими, предприимчивые люди, не пожелавшие создавать свои логические схемы на дискретных транзисторах, самоотверженно бились над резисторно-транзисторной логикой (РТЛ), простым семейством логических элементов, разработанным на фирме Fairchild и характеризующимся небольшим коэффициентом разветвления по выходу и низкой помехоустойчивостью. Рис. 9.1 иллюстрирует возникшие в то время проблемы, в частности, логический порог, превышающий уровень земли на одно напряжение U_бэ, и крайне маленький коэффициент разветвления по выходу (в некоторых случаях один выход мог питать только один вход!) были обусловлены пассивной выходной схемой и низкоомной токоотводящей нагрузкой. Это были времена малой интеграции и наиболее сложным элементом, который можно было реализовать, был сдвоенный триггер, работающий на частоте 4 МГц. Но мы смело строили свои схемы на РТЛ, иногда они сбивались особенно, когда в той же комнате включали паяльник.

Похоронный звон по РТЛ прозвучал несколькими годами позже, когда появилась диодно-транзисторная логика (ДТЛ) фирмы Signetics и вскоре вслед за ней универсальная быстродействующая логика SUHL фирмы Sylvania, которая теперь называется транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ). Фирма Signetics выпускала распространенную смесь из двух серий, названную DCL Utilogic серии 8000 («Логические схемы по выбору проектировщика»). ТТЛ быстро прижилась особенно в «системе счисления» «74хх», автором которой была фирма Texas Instruments.

В этих семействах были применены входы, поставляющие ток, с логическим порогом в 2 напряжения U_{бэ и} и (как правило) двухтактные каскадные выходы (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Упрощенные схемы элементов различных логических семейств.

Семейства ДТЛ и ТТЛ открыли эру положительной 5-вольтовой логики (РТЛ была логикой +3,6 В) и предлагали скорость, соответствующую 25 МГц, а коэффициент разветвления по выходу 10, т. е. один выход мог работать на 10 входов. Разработчики не могли нарадоваться скорости, надежности и сложным функциям (например, счетчику по модулю 10) этих семейств. Казалось, что больше и мечтать не о чем; ТТЛ — это на веки вечные.

Однако людям свойственно стремление к совершенствованию. Им потребовалась большая скорость, меньшая мощность потребления. Казалось бы, вскоре они получили и то и другое. В области высокого быстродействия скоростные ТТЛ-схемы (серии 74Н) позволили увеличить скорость почти вдвое, правда, за удвоенную мощность! (это выдающееся достижение было сделано путем уменьшения вдвое величин всех резисторов). Другое семейство — эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) — представило настоящую скорость (30 МГц в первоначальной версии) за счет использования отрицательного источника питания и более близких друг к другу логических уровней (—0,98 и —1,75 В); элементы семейства потребляли уйму мощности и едва втиснулись в малый уровень интеграции. В области низкой мощности появились маломощные ТТЛ-элементы (серия 74L) с 1/4 скорости при 1/10 мощности, соответствующих «стандартной» ТТЛ серии 7400. При поддержке фирмы RCA было разработано первое семейство логических элементов на МОП-транзисторах, КМОП-логика серии 4000. Эти элементы обладали нулевой мощностью потребления в состоянии покоя и широким диапазоном напряжения питания (от +3 до +12 В). Выходы имели размах, равный напряжению питания, а входы не «оттягивали» ток. Это были хорошие новости, но были и плохие - скорость (1 МГц при питании 10 В) и цена (20 долл. за корпус с четырьмя вентилями). Несмотря на цену на микромощных КМОП-элементах выросло целое поколение разработчиков устройств с батарейным питанием, просто не было другого выбора. Работая с легко «ранимыми» входами, разработчики поняли истинное значение статического электричества.

Такова была ситуация на начало 1970-х гг.,-две главные линии биполярной логики (ТТЛ и ЭСЛ) и необычная КМОП-логика. Варианты ТТЛ были по природе своей совместимы друг с другом, за исключением того, что ТТЛ-элементы серии 74L имели слабый выходной узел (отвод тока 3,6 мА) и могли питать только две стандартных (серии 74) нагрузки ТТЛ (чьи входы требовали 1,6 мА на низком уровне). Среди большинства семейств почти не было совместимости (хотя погруженные ТТЛ-элементы могли питать КМОП-элементы, а 5-вольтовые КМОП- только одну ТТЛ-нагрузку серии 74L).

В течение 1970-х гг. ситуация постоянно улучшалась практически на всех направлениях. От ТТЛ отпачковались ненасыщенные «фиксируемые диодами Шоттки» семейства (см. разд. 13.23): сначала серия 74S, которая благодаря утроенной скорости при удвоенной мощности вытеснила серию 74Н, и затем 74LS (L — low, S — Schottky, маломощная Шоттки), которая слегка улучшив скорость при 1/5 мощности вытеснила ТТЛ серии 74. Жизнь с 74LS и 74S была приятной; затем подоспела фирма Fairchild со своей серией 74F (F — FAST: Fairchild Advanced Schottky TTL — усовершенствованная ТТЛ с диодами Шоттки фирмы Fairchild), которая была быстрее на 50 %, чем 74S, при 1/3 мощности; кроме того, были и другие улучшения, так что проектирование схем на этих элементах стало сплошным удовольствием. Фирма Texas Instruments (автор многих линий 14хх) выпустила пару улучшенных семейств Шоттки-логики: 74AS (улучшенная Шоттки-логика) и 74ALS («улучшенная маломощная Шоттки»). Предполагалось, что первое семейство заменит 74S, а второе - 74LS. Все эти ТТЛ-семейства имели одинаковые логические уровни и добротную схему формирования выхода, так что их можно было сочетать в одной схеме. Используя табл. 9.1 и рис. 9.2, можно сравнить скорости и мощности этих семейств.

Рис. 9.2. Зависимость скорости от мощности для различных логических семейств.

Между тем серия 4000 КМОП эволюционировала в улучшенную серию 4000 В с более широким диапазоном напряжения питания (от 3 до 18 В), лучшей защитой входов и более высокой скоростью (3,5 МГц при 5 В). По существу, это та же серия 74S с функциями и выводами семейства 74, которая воспользовалась потрясающим успехом биполярной логики семейства 74. ЭСЛ пустила ростки в виде ECLII, ECLIII, ECL 10,000 и ECL 100,000, обладающие скоростью до 500 МГц.

Итак, ситуация в 1980 г. была следующей. Большинство схем было выполнено на серии 74LS в сочетании с 74F (или 74AS), если требовалась более высокая скорость. Та же самая ТТЛ использовалась как своего рода клей для связи микропроцессорных n-МОП-схем, чьи входы и выходы были совместимы с ТТЛ. Микромощные устройства всегда были сделаны с использованием КМОП-серий 4000 В или 74С, эквивалентными и совместимыми друг с другом. Для устройств с самой высокой скоростью (100÷500 МГц) использовалась ЭСЛ. Совместное использование семейств было не столь уж частым явлением, исключение составляли редкие сочетания КМОП и ТТЛ или сопряжение ТТЛ с быстродействующими ЭСЛ-схемами.

В 1980-е гг. произошло замечательное событие - разработка КМОП-логики со скоростью и выходными параметрами, соответствующими ТТЛ. Сначала появились элементы серии 74НС («высокоскоростная КМОП-логика») с такой же скоростью как 74LS и, разумеется, с нулевым током покоя и затем серия 74АС («улучшенная КМОП-логика») с такой же скоростью как 74F или 74AS. Обладая размахом выходного сигнала, равным напряжению питания, и входным порогом, равным половине напряжения источника питания, эта логика сочетает лучшие свойства предшествующих ТТЛ- и КМОП-логики и постепенно должна вытеснить биполярную ТТЛ. Вместе с тем имеется некоторая несовместимость — логический «высокий» уровень выходного сигнала ТТЛ- и n-МОП-логики (мин. 2,4 В) не достаточен для запуска входа НС и АС. Поскольку, по-видимому, существует Такой период времени, когда вам необходимо использовать некоторые из старых семейств биполярной ТТЛ- или n-МОП-логики, каждое семейство КМОП-логики имеет вариант с более низким входным порогом. Такие семейства имеют наименование 74НСТ и 74АСТ («быстродействующая КМОП-логика с ТТЛ-порогом»). Однако не пытайтесь использовать их везде, где только можно, ведь элементы с КМОП-порогом обладают более высокой помехоустойчивостью и представляют собой семейства по выбору проектировщика. К тому же в 80-е гг. БИС и СБИС постепенно переключались с n-МОП-технологии на КМОП (с вытекающими отсюда низкой мощностью и КМОП-совместимостью), одновременно увеличивая скорость и сложность. И наконец, на вершине быстродействия — элементы на GaAs (арсенида галлия), обеспечивающие скорость в несколько гигагерц.

Заметьте, что все КМОП-семейства (4000 В, 74 С, НС, НСТ, АС и ACT) обладают довольно привлекательным свойством — нулевой «статической» (т. е. когда ничего не происходит) мощностью рассеивания с типовым током покоя менее микроампера. Но при переключениях логических уровней КМОП-элементы потребляют «динамический» ток, обусловленный двумя эффектами: а) переходной проводимостью между шинами питания внутренних двухтактных пар в середине логического перепада и б) динамическим током, необходимым для заряда и разряда внутренних емкостей и емкости нагрузки. Динамический ток пропорционален частоте переключения и может соперничать с током биполярной логики при достижении максимальной частоты работы. Для более детального анализа загляните в разд. 8.10 (рис. 8.18) и разд. 14.16 (рис. 14.38).

Завершим нашу краткую историческую справку следующей рекомендацией. Используйте во всех ваших новых устройствах логику 74НС в сочетании с (а) 74НСТ для обеспечения совместимости с существующими устройствами на n-МОП- и ТТЛ и (б) 74АС(Т) для обеспечения скорости. Можно использовать биполярную ТТЛ (74LS/ALS и 74F/S), но предпочтительнее, по-видимому, КМОП-логика. Если требуется широкий диапазон напряжения питания, а к быстродействию особых требований не предъявляется (например, портативные устройства с питанием от нерегулируемой батареи 9 В), то используйте старую серию 4000 В/74С.

9.02. Входные и выходные характеристики

Семейства цифровой логики проектируются таким образом, чтобы выход кристалла был способен работать на большое число входов элементов того же семейства. Типовой коэффициент разветвления по выходу равен 10; это означает, что к выходу вентиля или триггера можно подключить до 10 входов и элемент будет правильно работать. Другими словами, в обычной практике проектирования цифровых схем можно обойтись без каких-либо сведений об электрических параметрах используемого вами кристалла при условии, что ваша схема состоит только из элементов цифровой логики, работающих также на элементы цифровой логики того же типа. Практически это означает, что вы можете особенно не думать о реальных процессах, происходящих на логических входах и выходах. Однако если вы пытаетесь подключить цифровую схему к внешним источникам сигналов (цифровых или аналоговых) или используете цифровые схемы для запуска других приборов, вы должны иметь представление о том, что необходимо для управления логическим входом и чем может управлять логический выход. Более того, при смешивании семейств логических элементов важно знать схемные особенности логических входов и выходов. Сопряжение логических семейств представляет отнюдь не чисто теоретический интерес. Для того чтобы воспользоваться преимуществами современных кристаллов БИС или специальными функциями, которыми обладает только одно семейство логических элементов, вы должны знать, как сочетать логические элементы различных типов. В последующих разделах мы рассмотрим детально схемные особенности логических входов и выходов и приведем примеры сопряжения логических семейств между собой и логических элементов с внешним миром.

Входные характеристики. Графики, приведенные на рис. 9.3, демонстрируют основные свойства КМОП- и ТТЛ-входов — входной ток и выходное напряжение (для инвертора) как функции входного напряжения. На графиках мы несколько расширили диапазон входных напряжений по сравнению с принятым в цифровых схемах, поскольку при сопряжении легко могут возникнуть ситуации, когда входные сигналы будут превышать напряжение источника питания. Как следует из графиков, и КМОП-логика и ТТЛ нормально работают при подключении вывода питания отрицательной полярности к земле.

Рис. 9.3. Характеристики логических вентилей, а — входной ток; б — передаточная характеристика.

При подаче на ТТЛ-вход низкого уровня он работает как источник тока заметной величины, а при подаче высокого уровня — как нагрузка, потребляющая небольшой ток (типовой — несколько мкА; никогда не превышает 20 мкА). Для управления ТТЛ-входом вы должны обеспечить отвод тока порядка 1 мА (точные значения приведены в табл. 9.1), поддерживая напряжение на входе на уровне менее 0,4 В. Несоблюдение этого условия может привести к неправильной работе схемы при сопряжении! Для входных напряжений ниже уровня земли ТТЛ-вход ведет себя как фиксирующий диод, включенный на землю; при напряжениях выше +5 В ток определяется напряжением пробоя диода (LS, F) или перехода база-эмиттер (ALS, AS) с напряжением пробоя около 10 В.

Типичное значение входного порога ТТЛ составляет примерно +1,3 В, хотя по техническим условиям он может находиться между +0,8 и +2,0 В. ТТЛ-вентили с триггерами Шмитта на входе (`13, `14, `132) имеют гистерезис +0,4 В; при графическом изображении они помечаются символом гистерезиса (см. например, рис. 9.9). Напряжение питания U_пит (обычно его обозначают U_KK) составляет +5,0 В +5 %.

Входы КМОП-элементов при входных напряжениях от уровня земли до напряжения питания не потребляют ток (за исключением тока утечки, типовое значение которого составляет 10^-5 мкА). Для напряжений выше диапазона напряжений питания входы ведут себя как два фиксирующих диода, подключенных к положительному полюсу источника питания и к земле (рис. 9.1). Кратковременный ток через эти диоды, превышающий примерно 10 мА, переводит многие КМОП-приборы в состояние тиристорного «защелкивания» (см. разд. 8.35; новейшие схемы противостоят более высоким токам и обладают иммунитетом к этой «болезни»; например на входы семейств НС и НСТ можно подавать на 1,5 В выше напряжения питания без нарушения функционирования или разрушения прибора). Это — те знаменитые диоды для защиты входов, без которых КМОП-элементы были бы чрезвычайно подвержены разрушениям от статического электричества при ручных манипуляциях (они и так все еще довольно нежны). Типовое значение порога для семейств 4000В, 74С, 74НС и 74АС составляет половину напряжения питания, но он может колебаться от 1/3 до 2/3U₊ (U₊ обычно называют U_CC); для 74НСТ и 74АСТ типовой порог равен примерно 1,5 В для обеспечения совместимости с ТТЛ. Как и в ТТЛ, существуют КМОП-вентили с триггерами Шмитта на входе. Напряжение питания КМОП-логики составляет от +2 до +6 В для НС, АС, +5 В +10 % для НСТ и ACT, и от +3 до +18 В для 4000В и 74С.

Выходные характеристики. Выходной узел ТТЛ представляет собой npn-транзистор, подключенный к земле, и npn-повторитель (или схема Дарлингтона), подключенный к U₊ с резистором, ограничивающим ток, в коллекторе. Один транзистор насыщен, другой выключен. В результате ТТЛ-элемент может отводить большой ток на землю (8 мА для 74LS, 24 мА для 74F) при небольшом падении напряжения и способен отдавать по меньшей мере несколько миллиампер при высоком выходном уровне (около +3,5 В). Выходная схема проектируется таким образом, чтобы можно было подключить до 10 ТТЛ-входов.

Выходная схема КМОП-логики представляет собой двухтактную пару комплементарных МОП-транзисторов; один включен, другой выключен (рис. 9.1). Выход ведет себя как r_откр МОП-транзистора, подключенное к земле или к U₊, если напряжение на нем находится в пределах 1 В относительно шины питания, или как источник тока, если вы отбираете такой большой ток, что напряжение на выходе отличается на 1÷2 В от напряжения на шинах питания.

Типовое значение r_откр составляет от 200 Ом до 1 КОм для 4000В/74С, 50 Ом — для 74НС(Т) и 10 Ом для 74АС(Т). Выходные характеристики КМОП и ТТЛ показаны на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Выходная характеристика логического вентиля.

На рисунке мы изобразили типовое выходное напряжение для обоих состояний выхода — ВЫСОКОГО и НИЗКОГО в зависимости от входного тока. Для упрощения графиков входной ток везде показан положительным. Заметьте, что выходы КМОП-элементов, если они не сильно нагружены, подключаются либо к U₊, либо к земле, обеспечивая полный размах выходного напряжения; при подключении только КМОП-нагрузок (нулевой статический ток) размах составляет полное напряжение на шинах питания.

Для сравнения отметим, что типовое значение ТТЛ-уровней составляет 50÷200 мВ (НИЗКИЙ) или +3,5 В (ВЫСОКИЙ) при условии подключения в качестве нагрузки других ТТЛ-элементов. Подключение нагрузочного резистора (рассматривается ниже) доводит высокий ТТЛ-уровень до +5 В.

9.03. Сопряжение логических семейств

Поскольку существуют ситуации, когда вам приходится смешивать различные типы логических семейств, важно знать, каким образом можно обеспечить «общение» различных семейств друг с другом. Например, многие представляющие интерес кристаллы БИС созданы на основе n-МОП-технологии с ТТЛ-совместимыми выходными уровнями (ВЫСОКИЙ — около +3 В), но их нельзя сразу же подключать к 74НС. Другой пример, вам захотелось использовать превосходную серию счетчиков 14С9хх в существующей схеме, построенной на 74LS. Или вам понадобилась 5-вольтовая логика по периферии 12-вольтовой КМОП-системы для того, чтобы обеспечить соединение с внешними ТТЛ-совместимыми сигналами, или для питания кабелей.

Воспрепятствовать сочетанию какой-либо логической пары кристаллов могут только 3 вещи: а) несовместимость входных логических уровней; б) возможности выходного формирователя и в) напряжение питания. Чтобы не утомлять вас страницами объяснений, что работает а что-нет, мы свели проблему сопряжения к табл. 9.2. Предпримем по ней краткое путешествие.

ТТЛ использует напряжение питания +5 В и обычно выдает высокий уровень всего около +3,5 В; она обладает хорошим низким уровнем-почти до земли. Таким образом, ее можно подключить к логике с низким значением порога, т. е. к ТТЛ, НСТ, ACT и n-МОП (в которых заранее закладывается совместимость). Для того чтобы управлять НС, АС и 4000В/74С, работающие при 5 В, вам понадобится полный перепад до +5 В. Это вы можете сделать с помощью резисторной подвески к +5 В или вставляя буфер НСТ (напомним, что НСТ и ACT имеют выходы с полным перепадом).

Если вы используете подвеску, учтите, что значение резистора определяется компромиссом — чем меньше, тем быстрее, но при большей мощности. Обычно выбирают 4,7 КОм. Резистор подвески подтягивает высокий выходной уровень ТТЛ к +5 В, хотя последняя часть волны подъема (во время которой резистор и делает всю работу) довольно медленная. Для того чтобы управлять высоковольтной КМОП-логикой, используйте преобразователь уровней типа 40109, 14504 или LCT1045; они очень медленные, ну и пусть, ведь вы же все равно пытаетесь управлять медленной КМОП-логикой. n-МОП-выходы похожи на ТТЛ, но в общем случае обладают меньшей нагрузочной способностью. Можете использовать, таким образом, те же средства сопряжения.

Выходы всех КМОП-семейств обладают перепадом, равным напряжению питания. Это означает, что вы можете непосредственно подключать 5-вольтовую КМОП-логику к ТТЛ, n-МОП- и 5-вольтовой КМОП-логике. Учтите, однако, что КМОП старого типа (4000В/74С) имеют слабый выход при работе от 5 В (ток отвода 0,5 мА) и полностью теряют свою способность управлять ТТЛ. Для этих семейств используйте транслятор уровней для управления высоковольтной КМОП-логикой.

Превосходным решением задачи сопряжения КМОП-ТТЛ/n-МОП является использование КМОП при уменьшенном напряжении питания; по стандарту JEDEC Standard № 8 напряжение питания составляет +3,3 В, при этом входной порог располагается вблизи обычного ТТЛ-порога 1,4 В. Таким образом, ТТЛ может непосредственно управлять НС/АС при питании 3,3 В и наоборот. В качестве дополнительного вознаграждения работа при 3,3 В снижает динамическую мощность потребления (см. разд. 8.10, 14.16 и рис. 8.18 и рис. 14.38) на 55 % относительно мощности при 5 В при увеличении задержек распространения почти на 40 %. Учтите, однако, что вы не можете подключать (и в том и в другом направлении) 3,3-вольтовую КМОП к другим КМОП, работающим при 5 В.

_{Упражнение 9.1. Объясните, почему последнее утверждение истинно.}

Наконец, высоковольтная КМОП-логика может управлять 5-вольтовой логикой, если для формирования 5-вольтового выходного перепада вы поставите преобразователь уровней (74С901/2, 14504, LTC1045 или 4049/4050). Можно управлять LS ТТЛ-элементами непосредственно от высоковольтной КМОП-логики, поскольку там нет диодов, защищающих входы, и входное напряжение пробоя обычно превышает 10 В; однако в соответствии с техническими условиями на LS (абсолютное максимальное входное напряжение 7 В) необходимо использовать преобразователь уровней.

Предостережение. Хотя статические логические уровни могут не вызывать беспокойства, иногда возникает занимательная динамическая несовместимость, если вы пытаетесь управлять фронтовыми входами (например, входы синхронизации счетчиков) НС или АС от выходов более медленной логики типа 4000В или 74С. На рис. 9.5 изображены многократные переходы, которые вы могли часто наблюдать; иногда кристалл НС совсем отказывается считать до тех пор, пока вы не прикоснетесь щупом осциллографа (или небольшой емкостью)! По-видимому, виновником этого является комбинация большого времени перехода и относительно высокого выходного импеданса медленной КМОП. На рис. 9.6 приведены несколько сочетаний семейств, с которыми вам, вероятно, доводилось встречаться.

Рис. 9.5. Быструю фронтовую логику нельзя запускать медленными сигналами (например, от узлов с медленной логикой).

Рис. 9.6. Соединение логических семейств друг с другом.

9.04. Управление КМОП-и ТТЛ-входами

Механические ключи в качестве устройств ввода. Если вам известны входные характеристики используемой логики, то управление цифровыми входами от переключателей, клавиатуры, компараторов и т. п. не доставит вам особых осложнений. Самый простой способ — это использовать резистор, подключенный к шине питания (рис. 9.7). Для элементов ТТЛ, учитывая их входные характеристики, лучше всего, когда резистор коммутируется ключом на землю. Ключ легко отбирает входной ток на низком уровне, а резистор поднимает высокий уровень до +5 В, обеспечивая высокую помехоустойчивость; кроме того, это удобно, когда ключ возвращается в состояние, соответствующее земле.

Рис. 9.7. Управление логическими элементами от механических ключей (без защиты от дребезга).

Альтернативный способ, когда резистор подключается к земле, а ключ обеспечивает коммутацию к +5 В, нежелателен, поскольку при этом необходима маленькая величина сопротивления резистора (220 Ом), гарантирующая низкий ТТЛ-уровень в несколько десятых вольта, а это означает, что при замкнутом ключе будет протекать большой ток. В схеме с подвеской к шине питания помехоустойчивость при разомкнутом ключе (худший случай с точки зрения чувствительности к помехе) будет составлять по крайней мере 3 В, в то время как в схеме с подвеской к земле - всего 0,6 В (для ТТЛ FAST нижний порог +0,8 В, входной ток равен — 0,6 мА).

Для КМОП-логики и та и другая схема работает превосходно, поскольку входы не потребляют ток, а типовое значение порога составляет половину U_CC. Обычно удобно заземлять одну из сторон ключа, но если схема становится проще при наличии высокого уровня, когда ключ замкнут, то вполне пригоден способ с подключением резистора на землю. На рис. 9.7 показаны все три описанных способа.

Дребезг ключей. Как было отмечено в гл. 8, после замыкания контактов механических переключателей дребезг контактов продолжается в течение примерно 1 мс. Дребезг крупногабаритных переключателей может продолжаться до 50 мс. Это может приводить к беспорядочным переключениям в схемах, реагирующих на смену состояний или фронт (например, если триггер или счетчик тактируются прямо от ключа, то возможно многократное их переключение). В подобных ситуациях следует подавить дребезг ключа электронными средствами.

Рассмотрим несколько способов подавления.

1. Соберите из двух вентилей асинхронный RS-триггер, не забыв, разумеется, о резисторах подвески к шине питания (рис. 9.8). Можно использовать готовый триггер с входами СБРОС и УСТАНОВКА (например, `74), заземлив вход синхронизации.

Рис. 9.8. Схема защиты от дребезга (RS-триггер).

2. Используйте интегральный вариант предыдущей схемы. Элементы `279, 4043 и 4044 представляют собой счетверенные RS-триггеры.

3. Используйте КМОП-триггер Шмитта с замедляющей RС-цепочкой на входе (рис. 9.9). Фильтр нижних частот R₂C₁ сглаживает дребезг, поэтому триггер Шмитта переключится только один раз. В общем случае вполне достаточно иметь постоянную времени RС-цепочки, равную 10÷25 мс. Для ТТЛ этот способ не подходит из-за низкого импеданса, необходимого для запуска ТТЛ-входов.

Рис. 9.9. Схема защиты от дребезга (RС-цепочка и триггер Шмитта).

4. Воспользуйтесь кристаллом типа 4490, «сшестеренным подавителем дребезга». В этой превосходной схеме использована цифровая задержка (5-разрядный сдвиговый регистр на каждый ключ) как своего рода цифровой фильтр нижних частот. Схема содержит внутренние резисторы подвески и схему синхронизации. Пользователь добавляет времязадающий конденсатор, устанавливая частоту генератора и определяя тем самым время задержки.

5. Примените схему, показанную на рис. 9.10, используя либо неинвертирующий вентиль, либо буфер. Логический выход всегда можно заблокировать, замыкая его на U₊ или землю, но при условии, что эта блокировка кратковременна. Приведенная схема удовлетворяет этому условию, поскольку принудительная установка действует только на интервале времени, равном задержке вентиля, после чего вентиль поддерживает сам себя в новом состоянии.

Рис. 9.10. Схема защиты от дребезга (неинвертирующий вентиль с обратной связью).

6. Применяйте компоненты с встроенным подавителем дребезга. Например, шифраторы клавиатуры проектируются с учетом того, что в качестве устройств ввода будут использованы механические ключи, поэтому они обычно содержат схему подавления дребезга.

7. Можно использовать ключи, построенные на основе эффекта Холла. Они представляют собой твердотельные ключи, управляемые магнитным полем, и используются в качестве панельных или клавиатурных ключей. Для их работы требуется напряжение +5 В; вырабатываемые ими бездребезговые логические выходные сигналы можно использовать для управления ТТЛ или КМОП-логикой, работающей от +5 В. Поскольку ключи на эффекте Холла не имеют изнашиваемых механических контактов, они практически вечны (хотя однажды у нас случилась эпидемия прогрессирующей магнитной анемии клавиатуры на эффекте Холла; мы надеемся, что эта болезнь теперь побеждена).

Несколько общих замечаний о ключах как устройствах ввода. Следует иметь в виду, что для однополюсных ключей на одно направление (иногда называемых «тип А») можно использовать 3-й и 4-й способы (и как правило, 6-й), в то время как для однополюсных ключей на 2 направления (тип «В») следует применять остальные способы. Помните также, что во многих случаях нет необходимости подавлять дребезг ключей, ведь ключи не всегда управляют схемами, чувствительными к фронту. Еще один важный момент: хорошие ключи обладают обычно свойством «самоочистки», позволяющим сохранять чистоту контактных поверхностей (разберите один из ключей и вы поймете, что это означает), тем не менее для очистки контактов желательно выбрать параметры схемы таким образом, чтобы через контакты протекал ток не менее нескольких миллиампер. Выбор подходящего материалы для контактов (например, золото), а также специальная конструкция позволяют избежать этой проблемы «сухого переключения», ключ будет хорошо работать даже при нулевом токе.

9.05. Управление цифровой логикой от компараторов и операционных усилителей

Компараторы и операционные усилители, наряду с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), являются обычными устройствами ввода, с помощью которых аналоговые сигналы могут управлять цифровыми схемами. На рис. 9.11 показано несколько примеров.

Рис. 9.11. Управление логикой от компараторов и операционных усилителей.

В первой схеме компаратор управляет ТТЛ непосредственно. Большинство компараторов содержат выходной npn-транзистор с открытым коллектором и заземленным эмиттером, поэтому остается только добавить нагрузочный резистор, подключенный к +5 В. Аналогичную схему можно использовать и для КМОП, подключая резистор к +U_CC. Использование двуполярного источника для питания компаратора совсем не обязательно; многие из них предназначены для работы с одним источником (U_ заземлено), а некоторые будут работать даже с одним источником питания 5 В (например, элементы 311, 339, 393 или 372/4).

На второй схеме показан способ управления КМОП-логикой от операционного усилителя с использованием только последовательно включенного токоограничивающего резистора. Диоды защиты входов элементов КМОП образуют эффективные фиксаторы уровней U_CC и земли, благодаря чему входной ток не превышает 10 мА. В третьей схеме операционный усилитель переводит npn-транзистор в насыщение, обеспечивая возможность управления нагрузкой ТТЛ; диод служит для предотвращения пробоя перехода база-эмиттер в обратном направлении (~6 В). В этой схеме R₁ и D₁ можно исключить, заменяя одновременно npn-транзистор на n-канальный МОП-транзистор. Последнюю схему мы особенно не рекомендуем, но она вполне работоспособна. Фиксирующий диод на входе ТТЛ-элемента ограничивает отрицательный перепад до величины падения на диоде ниже земли, а внешний диод ограничивает положительный перепад.

Последовательно включенный резистор предотвращает повреждение схемы, когда на входном транзисторе ТТЛ появляется напряжение обратного пробоя база-эмиттер. Величина резистора выбирается достаточно малой для того, чтобы отвести входной ток на низком уровне ТТЛ, когда на выходе операционного усилителя появится отрицательное напряжение в несколько вольт.

Тактовые входы. Гистерезис. Общее замечание относительно управления цифровой логикой от операционных усилителей. Не пытайтесь управлять тактовыми входами с помощью приведенных выше схем; длительность перехода довольно большая и, когда входной сигнал проходит через напряжение логического порога, в вашей схеме могут появиться выбросы. Если возникает необходимость управлять тактирующими входами (триггеров, сдвиговых регистров, счетчиков, одновибраторов и т. п.), лучше всего использовать компаратор с гистерезисом или поставить на входе вентиль с триггером Шмитта (или любой другой элемент такого типа). Аналогичное замечание относится и к сигналам от транзисторных аналоговых схем. Обратимся к рис. 9.12.

Рис. 9.12. Пороговый детектор с гистерезисом.

Величину резистора R₂ выбирают таким образом, чтобы гистерезис составлял 50 мВ. Параллельно резистору обратной связи включен небольшой конденсатор С₂, который обеспечивает необходимую скорость переходов и предотвращает появление многократных импульсов при пересечении порога (элемент 311 особенно склонен к этому). Для предотвращения выбросов на входе опорного напряжения важную роль играет конденсатор развязки C₁. Во многих случаях опорное напряжение равно нулю и тогда C₁ можно не ставить.

9.06. Некоторые замечания, касающиеся логических входов

При разработке ТТЛ-элементов имеется тенденция использовать низкий уровень в качестве активного входного сигнала (как и для их аналогов НС и АС). Например, от низкого уровня срабатывают входы УСТАНОВКА и СБРОС триггеров. Поэтому цепи внешних цифровых входных сигналов почти всегда содержат нагрузочный резистор и, будучи активными, находятся в состоянии низкого уровня (отвод тока); это удобно, поскольку механические ключи и т. п. могут работать с возвратом на землю. Кроме этого, возрастает помехоустойчивость, так как цепь с напряжением около +5 В имеет помехоустойчивость 3 В, а цепь с напряжением около 0 В помехоустойчивость 0,8 В. Эта присущая ТТЛ слабость (низкая помехоустойчивость на низком уровне) станет очевидной, если вы представите себе, что кристалл может интерпретировать отрицательный выброс 0,5 В на своей земляной шине как входной сигнал высокого уровня. Такие выбросы не являются чем-то необычным; их могут порождать короткие импульсы тока в индуктивности шины земли. Дальнейшее обсуждение этого животрепещущего вопроса отложим до разд. 9.11.

Помехоустойчивость КМОП-логики одинакова в любом состоянии, поэтому при управлении от приборов, имеющих открытое состояние, в качестве входных цепей вы можете использовать резисторы, подключенные к питанию или к земле. Чаще используются резисторы, подключенные к земле, хотя подключение к питанию можно увидеть в схемах, в которых управляющий элемент аналогичен ключу с возвратом на землю.

Открытый ТТЛ-вход — это «едва ВЫСОКИЙ». Он располагается на логическом пороге (1,3 В), но, поскольку ток отсутствует, он не открывает входной транзистор. Вам, возможно, довелось видеть «схемы», в которых вход, который должен быть подключен к высокому ТТЛ-уровню, остается незадействованным. Никогда не делайте этого! Это столь же не разумно, сколь и опасно: незадействованный вход имеет нулевую помехоустойчивость, поэтому емкостная связь с любым близлежащим сигналом может привести к коротким всплескам к нижнему уровню на входе. В результате на выходе комбинационных элементов (вентилей) появляются выбросы, что само по себе уже плохо, но в случае триггеров или регистров будет просто недопустимо, поскольку незадействованный вход СБРОС может сработать в непредсказуемые моменты времени. Выбросы, нарушающие работу, иногда невозможно увидеть на осциллографе, они могут иметь характер одиночных импульсов длительностью около 20 не. В большинстве случаев вам, возможно, и удастся «выйти сухим из воды», особенно при небольшой емкости между незадействованным выводом и соседними выводами, тем не менее это не выход из положения; если вы попытаетесь найти причину неработоспособности с помощью логического анализатора или тестовой клипсы, у вас получится новая схема, поскольку дополнительные емкости тестового оборудования почти наверняка приведут к импульсным переходам к нижнему уровню на незадействованных выводах. Кроме того, зачем создавать заведомо ненадежную схему, если вы знаете, как с помощью простых соединений сделать ее надежной? (Конец тирады.)

Неиспользуемые входы. Неиспользуемые входы, которые влияют на логическое состояние ИС (например, вход триггера СБРОС), должны быть подключены соответствующим образом к высокому или низкому уровням. Входы, не оказывающие влияния (например, входы неиспользуемых функциональных частей в том же корпусе), в ТТЛ можно оставить неподключенными, но не в КМОП. Открытые входы незадействованного КМОП-вентиля могут, например, сместиться к логическому порогу, выходы при этом займут положение на половине напряжения питания, т. е. оба выходных МОП-транзистора будут открыты, потребляя значительный ток класса А. Это приведет к чрезмерному потреблению тока и может даже вызвать отказ элементов с большим числом выходных каскадов. Лучше заземлить все входы неиспользуемых функциональных частей в каждом КМОП-кристалле.

В ТТЛ можно не обращать внимания на неиспользуемые функциональные части кристалла, как и на несущественные входы используемых схем. Например, можно оставить неподключенными входы параллельной загрузки счетчика, если вы никогда не активизируете линию ЗАГРУЗКА.

9.07. Компараторы

Мы вкратце уже упоминали о компараторах в разд. 4.23 для того, чтобы проиллюстрировать применение положительной обратной связи (триггер Шмитта) и показать, что специализированные ИС компараторов обладают существенно лучшими характеристиками, чем универсальные операционные усилители, используемые в качестве компараторов. Эти преимущества (малые задержки, высокая скорость нарастания выходного напряжения и сравнительно высокая устойчивость к большим перегрузкам) достигаются ценой полезных для операционных усилителей свойств (в частности, ценой точного управления фазовым сдвигом по частоте). Компараторы не имеют частотной компенсации (разд. 4.33) и не могут использоваться в качестве линейных усилителей.

Компараторы играют важную роль при сопряжении аналоговых (линейных) входных сигналов с миром цифровой техники. В данном разделе мы подробно рассмотрим компараторы, уделяя основное внимание их выходным характеристикам, некритичности в отношении к напряжению источника питания и способам подачи сигналов и защиты входов.

Напряжение питания и выходы. Большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором, предназначенный для запуска логических входов (разумеется, с резистором подвески на шину питания) и сильноточных/высоковольтных нагрузок. Элемент 311, например, может управлять нагрузкой, подключенной к источнику питания до 40 В и потребляющей ток до 50 мА, а элемент 306 может работать с еще большим током. Эти компараторы имеют вывод земли в дополнение к выводам отрицательного и положительного питания, поэтому напряжение на нагрузке достигает уровня земли независимо от напряжения питания. Компараторы повышенного быстродействия (521, 527, 529, 360, 361, Am686, СМР-05, LT1016 и VC7695/7) в большинстве случаев имеют выходные каскады с активной нагрузкой. Они предназначены для управления 5-вольтовой цифровой логикой и обычно имеют 4 вывода питания — U₊, U_, U_KK (+5) и земля.

Следует обратить внимание на то, что для работы большинства компараторов необходимо использовать источники и положительного и отрицательного напряжения даже в том случае, если на входе никогда не появляется отрицательный сигнал. Примерами могут служить элементы 306, 710 и 711, а также компараторы с активной подгрузкой, перечисленные выше. Необходимость иметь источник отрицательного напряжения для обеспечения работы компаратора в аппаратуре, использующей только положительное напряжение, доставляет определенные неудобства. В связи с этим полезно знать характеристики компараторов, которые могут питаться лишь от положительного напряжения (например, 311, 319, 339, 393, 365, СА3290, НА4905, СМР-01, СМР-02, LT1016, AD790 и TLC372/4). Действительно, они могут работать с одним источником питания 5 В; это существенное достоинство для цифровых систем. При работе от одного источника +5 В компараторы 339, 393, 365, СА3290, НА4905, LT1017/18, AD790 и TLC372/4 имеют входной диапазон в режиме синфазного сигнала, достигающий уровня земли. Они созданы специально для работы с одним источником питания и за исключением элементов 4905 и 790 имеют всего два вывода питания (U₊ и земля); при работе от расщепленного питания выход будет опускаться до U_. Кроме того, некоторые из них обладают довольно необычным свойством — они способны работать от одного источника питания с напряжением лишь +2 В. Говоря об источниках питания, следует упомянуть, что некоторые компараторы спроектированы для работы при малом токе питания в общем случае, менее 0,5 мА; примерами могут служить компараторы LP311, LP339, TLC373/4, TLC339/393, TLC3702/4, СМР-04, LT1017/8, МС14574 и LP365. Последние два элемента представляют собой счетверенные компараторы с программируемым рабочим током. Малая мощность достигается ценой низкого быстродействия с временем реакции порядка нескольких микросекунд. Для полного знакомства с маломощной электроникой обратитесь к гл. 14; в табл. 14.8 перечислены маломощные компараторы.

Входы. Входные цепи компараторов требуют некоторых мер предосторожности общего характера. Везде, где это возможно, следует использовать гистерезис (разд. 4.24), в противном случае возможны ошибочные переключения. Для того чтобы понять причины, вообразите себе компаратор без гистерезиса, в котором дифференциальное входное напряжение проходит через уровень 0 В, медленно изменяясь будучи аналоговым колебанием. Разница на входах всего в 2 мВ приведет к изменению состояния выхода с временем переключения менее 50 нc. Неожиданно в вашей схеме возникают быстрые логические перепады амплитудой 3000 мВ, сопровождаемые импульсами тока в цепях питания и т. п. Можно просто чудом избежать наложения этих быстрых колебаний на входной сигнал, ведь достаточно всего нескольких милливольт для того, чтобы разность на входе превысила 2 мВ и возникли многократные переходы и колебания. Именно по этой причине для создания хорошо работающей чувствительной схемы с компаратором необходим соответствующий гистерезис (с небольшим конденсатором параллельно резистору обратной связи) в сочетании с тщательно продуманной трассировкой и развязками по питанию. Старайтесь вообще избегать управления входами компаратора высокоимпедансными сигналами; используйте выход операционного усилителя. Если быстродействие не требуется, старайтесь также избегать применения быстродействующих компараторов, которые обостряют все эти проблемы. Некоторые компараторы доставляют в этом отношении больше беспокойств, чем другие; мы столкнулись с массой трудностей, применяя превосходный во всех других отношениях компаратор 311.

Еще одно предостережение относительно входов. Некоторые компараторы обладают весьма ограниченным диапазоном напряжений на дифференциальных входах, некоторые типы всего 5 В (например, СМР-05, 685-7 и VT969/7). В этих случаях для защиты входов возможно понадобятся фиксирующие диоды, поскольку избыточное напряжение на дифференциальных входах приведет к уменьшению h_21э и вызовет постоянные ошибки смещения входа, а в ряде случаев выход из строя перехода база-эмиттер входного каскада. Универсальные компараторы в этом отношении лучше; типовое значение диапазона напряжений на дифференциальных входах составляет ± 30 В (например, 311, 393, LT1011 и т. п.).

Одной из важных особенностей входов компараторов является входной ток смещения и его зависимость от дифференциального входного напряжения. Во входных каскадах большинства компараторов используются биполярные транзисторы с входными токами смещения от десятков наноампер до десятков микроампер. Входной каскад представляет собой дифференциальный усилитель с большим усилением, поэтому при переходе компаратора через порог ток смещения изменяется. Кроме того, внутренние схемы защиты могут вызвать еще большие изменения тока смещения в нескольких вольтах от порога. На рис. 9.13 показана типовая зависимость тока смещения (для СМР-02).

Рис. 9.13. Зависимость входного тока смещения от дифференциального входного напряжения для компаратора СМР-0,2. (С разрешения фирмы Precision Monoliths, Inc.) U_и = ±15 В; Т_окр = 25 °C.

Небольшая ступенька тока при 0 В (дифференциальное напряжение) представляет собой в действительности плавный переход примерно при 100 мВ; это соответствует изменению напряжения, которое необходимо для полного переключения входного дифференциального усилительного каскада из одного состояния в другое. Для тех применений, где необходимо обеспечить работу при крайне низком входном токе, используются компараторы с полевыми транзисторами на входе.

Примерами могут служить сдвоенные компараторы с полевыми МОП-транзисторами на входе СА3290, TLC372, TLC3702 и TLC393, а также LF311 с полевым транзистором с p-n-переходом, вариант известного компаратора 311. Последний имеет максимальный входной ток 50 пА (311–250 нА) при почти полном сохранении напряжения смещения и быстродействия. Там, где необходимы характеристики какого-то конкретного компаратора, но при более низком входном токе, на входе целесообразно добавить повторитель с согласованной парой полевых транзисторов.

И последнее замечание относительно входных характеристик: температурные градиенты на кристалле, обусловленные рассеиванием мощности на выходных каскадах, могут ухудшить указанное в спецификации напряжение смещения входов. В частности, в связи с тем что тепло, генерируемое на выходном каскаде и зависящее от состояния, может привести к переключению входа, для входных сигналов вблизи 0 В (дифференциальное напряжение) возможен эффект «урчания двигателя» (медленные колебания на выходном каскаде).

Общее быстродействие. Обычно полагают, что компаратор представляет собой идеальную переключательную схему, в которой любые сколь угодно малые изменения полярности дифференциального входного напряжения приводят к мгновенному изменению на выходе. В действительности же для малых входных сигналов компаратор ведет себя как усилитель, а его переключательные характеристики зависят от усилительных свойств на высоких частотах. В результате незначительные перегрузки по входу (т. е. при сигналах, больших, чем это необходимо для насыщения на постоянном токе) приводят к увеличению времени распространения и, как правило, к затягиванию фронта и спада на выходе. В технических данных на компараторы обычно имеется графа «время отклика для различных перегрузок по входу». Некоторые значения этого параметра для компаратора 311 приведены на рис. 9.14.

Рис. 9.14. Время отклика компаратора LM311 при различных выходных перегрузках. (С разрешения фирмы National Semiconductor Corp.) U_и = ±15 В; Т_окр = 25 °C.

Обратите внимание на снижение параметра в конфигурации, когда выходной транзистор используется как повторитель, т. е. без усиления. Увеличение входного напряжения ускоряет процессы, поскольку снижение коэффициента усиления на высоких частотах компенсируется большим сигналом. Кроме того, увеличение внутренних токов усилителя позволяет ускорить заряд внутренних емкостей.

В табл. 9.3 приведены характеристики большинства современных компараторов.

9.08. Управление внешней цифровой нагрузкой от КМОП- и ТТЛ-элементов

Управление с помощью ТТЛ- и КМОП-элементов устройствами релейного типа, такими, как лампы (светодиоды, СИД), реле, устройства отображения и даже нагрузки с переменным током, не доставит вам особых трудностей. На рис. 9.15 представлены некоторые способы управления.

Рис. 9.15. Управление нагрузками от логических уровней.

На схеме а показан стандартный способ управления СИД-индикатором от 5-вольтовой логики. ТТЛ-элементы лучше работают на отводе тока, чем на отдаче, поэтому СИД подключается к +5 В; для КМОП-элементов СИД можно подключать либо к U₊, либо к земле. СИД ведет себя как диод с прямым падением напряжения от 1,5 до 2,5 В при типовых рабочих токах от 5 до 20 мА; используя некоторые самые современные высокоэффективные СИД, вы получите хорошую светоотдачу всего при нескольких миллиамперах (фирма Stanley выпускает ослепительно яркие приборы). Вместо дискретных СИД и резистора можно использовать СИД с интегральным токоограничивающим резистором (или регулятором тока), которые выпускаются многими фирмами; посмотрите каталоги фирм Dialight, General Instrument, Siemens и Hewlett-Packard.

На схеме б показано, как управлять 5-вольтовым слаботочным реле с помощью логических элементов, отводя ток по типу схемы а; диод шунтирует индуктивные выбросы. Реле, показанное на схеме, выполнено в стандартном корпусе DIP с сопротивлением обмотки 500 Ом (потребляемый ток составляет 10 мА, что соответствует возможностям большинства элементов 5-вольтовой логики). Схемы в, г и д предназначены для управления высоковольтной нагрузкой. На схеме в вентиль 74LS26 с открытым коллектором, работающий от источника 15 В, управляется 12-вольтовым реле, а на схеме г «сдвоенный периферийный формирователь» 75451 управляет некой неопределенной нагрузкой в диапазоне напряжений до 30 В и токов до 300 мА. Выпускаются также аналогичные приборы с открытым коллектором, предназначенные для работы с напряжением 80 В и даже с большими, чем в предыдущем случае, токами; познакомьтесь с серией DS3600, выпускаемой фирмой National, и с серией мощных формирователей фирмы Sprague (UCN/UDN/ULN), включающей превосходные октальные формирователи в корпусе DIP. В схеме д мы использовали низкопороговый n-канальный мощный полевой транзистор; благодаря высокому входному импедансу транзистора такой способ управления особенно удобен. При управлении ТТЛ-уровнями для обеспечения нормальных условий работы лучше использовать резисторную подвеску к питанию, поскольку минимальный гарантированный в ТТЛ-элементах высокий уровень (2,4 В) является слишком низким.

Рассмотренные выше способы могут оказаться неприемлимыми для элементов НС, LS или 74С из-за ограничений по выходу (отводящий ток составляет соответственно 5,8 и 3,5 мА). Для управления большими СИД можно воспользоваться элементами типа 74AS1004 (сшестеренный инвертор с током отвода или отдачи 48 мА). При управлении сильноточной нагрузкой от логических элементов следует позаботиться о массивной земляной шине для подвода земли к кристаллу, поскольку ток нагрузки возвращается на землю источника питания через кристалл. В некоторых случаях целесообразно использовать отдельный путь возврата земли.

На схеме е показано применение npn-транзистора для переключения сильноточной нагрузки с помощью 5-вольтовой логики. Для коммутации больших токов используйте второй транзистор, как показано на схеме ж. На схемах з, и представлен способ управления нагрузками, подключенными к отрицательному полюсу источника питания. Высокий выходной уровень открывает pnp-транзистор и напряжение насыщения на коллекторе становится выше потенциала земли на величину падения напряжения на диоде. Ток эмиттера, а, следовательно, и максимальный ток коллектора (нагрузки), в схеме з определяется резистором (или положительным предельным током вентиля). В улучшенной схеме и в качестве буфера используется npn-повторитель; диод, включенный последовательно с выходом, удерживает нагрузку от перепадов выше земли. В обоих случаях максимальный ток нагрузки равен току эмиттера pnp-транзистора. Аналогичные схемы выпускаются в интегральном исполнении; они имеют КМОП/ТТЛ-совместимые входы и высоковольтные выходы с нагрузочной способностью по току до нескольких сотен миллиампер. Попробуйте применить элементы DS3687 (300 мА, — 56 В) фирмы National и распространенную серию UDN фирмы Sprague. В том случае когда вы используете слаботочную логику 4000В/74С с выходным током едва достигающим миллиампера, следует предусмотреть специальный мощный формирователь, даже для светодиода. На схеме к показан надежный сшестеренный буфер, управляющий светодиодом. Этот элемент может работать с отводом тока от 5 до 50 мА при напряжении питания от 5 до 15 В соответственно (нагрузочная способность выхода увеличивается с увеличением напряжения питания). В схемах л, м используются еще более мощные формирователи — 40107, содержащий мощный n-канальный МОП-транзистор на выходе с открытым стоком (отводящий ток составляет от 16 до 50 мА при напряжении питания от 5 до 15 В, соответственно), и DS3632 с мощным npn-формирователем по схеме Дарлингтона, рассчитанным на ток 300 мА. Можно, разумеется, всегда использовать и дискретные внешние транзисторы, как в схемах ж, и, но их применение ограничено базовым током менее миллиампера. Дискретный n-канальный МОП-транзистор в схеме д особенно хорошо работает со «слабенькими» КМОП-элементами.

Для управления удаленной нагрузкой или нагрузкой с независимой системой заземления лучше всего использовать оптрон. Этот прибор содержит светодиод (на стороне формирователя), который освещает фотоприемник (на стороне нагрузки). Оптроны выпускаются на различные скорости с различными конфигурациями входов/выходов (логический вход или просто светодиод; логический выход, выход с насыщенным транзистором (или схема Дарлингтона), выход с МОП-транзистором или выход с тиристором или симистором; см. рис. 9.26).

Типичным примером является распространенный элемент 4N36, показанный на рис. 9.15, н; этот элемент содержит простой светодиод на входе, npn-транзистор на выходе и может работать при напряжении 2500 В с временем переключения 4 мкс. Минимальный коэффициент передачи по току составляет 1.0, поэтому остается только пропустить через светодиод ток, равный максимальному выходному току. Существует ряд оптронов, которые используют логические уровни на входе и на выходе. Примером может служить оптрон 74OL6000 фирмы General Instrument; уровни на входе и выходе соответствуют уровням LS, время распространения составляет 60 нс (15 МГц), напряжение изоляции — 2500 В. В больших количествах его можно приобрести за 3 долл.

Наиболее простым способом управления нагрузкой переменного тока является способ, основанный, как показано на схеме о, на применении твердотельного реле. Реле этого типа представляет собой симистор с оптической связью с логическим входом и нагрузочной способностью по току от 1 до 40 А при коммутации нагрузки с переменным напряжением 115 В. Слаботочные реле в большом разнообразии выпускаются в корпусах типа DIP (например, серия «интегральных ключей» фирмы International Rectifier), в то время как более мощные реле выпускаются в виде прямоугольных блоков со сторонами, равными примерно 2 дюймам, предназначенных для установки на шасси. С другой стороны, нагрузки переменного тока можно коммутировать с помощью обычного реле, управляемого логическим элементом. При этом, однако, обязательно изучите технические данные, поскольку большинство реле, управляемых логикой, не способны коммутировать большие нагрузки переменного тока и вам понадобится логическое реле для того, чтобы управлять вторым более мощным реле. Почти во всех реле используется коммутация по типу «перехода через нуль» (или «нулевого напряжения»), которая в действительности является комбинацией включения по нулевому напряжению и выключения по нулевому току; это весьма полезная особенность, она предотвращает попадание выбросов и помех в шину питания. Много «мусора» на силовую шину переменного тока попадает от симисторных контроллеров, в которых коммутация осуществляется не в моменты перехода через нуль; таковы, например, регуляторы света с фазовым управлением для осветительных ламп, термостатов и двигателей. В качестве альтернативы оптической связи, использованной в схеме о, иногда можно встретить импульсный трансформатор для подвода импульсов запуска к симистору или тиристору.

Для управления 7-сегментными цифровыми индикаторами проще всего использовать элементы, объединяющие дешифратор и формирователи. Разнообразие их поразительно, — с формирователями для СИД и для жидкокристаллических индикаторов, с возможностями отвода и отдачи тока и т. п. Типичными примерами являются элементы «регистр/дешифратор/формирователи» типа 74НС4511 (СИД с общим катодом) и 74НС4543 для жидкокристаллических индикаторов. Более подробно об этом будет изложено в разделе по оптоэлектронике (разд. 9.10).

9.09. Сопряжение n-МОП БИС

Большинство схем большой и очень большой степени интеграции (БИС, СБИС) изготавливаются сейчас с использованием КМОП-технологии; они обладают такой же привлекательной способностью к сопряжению, как 5-вольтовые логические КМОП-вентили, и многими другими возможностями кристаллов средней степени интеграции (СИС), рассмотренными выше. Однако долгое время кристаллы БИС и СБИС изготавливались только на n-канальных МОП-транзисторах в режиме обогащения для того, чтобы упростить технологический процесс и получить более высокую плотность. Такая n-МОП-логика получила широкое распространение, поэтому важно знать, каким образом можно осуществить сопряжение n-МОП-логики и КМОП/ТТЛ и как обеспечить связь входов/выходов n-МОП-логики с внешними дискретными схемами. Большинство кристаллов n-МОП БИС совместимы с ТТЛ, тем не менее здесь есть несколько тонких моментов, которые следует рассмотреть.

Выходы n-МОП-элементов. На рис. 9.16 показана входная цепь интегральной схемы на n-канальных МОП-транзисторах, предназначенная для работы с ТТЛ. T₁ — инвертор, а Т₂ — истоковый повторитель с малыми геометрическими размерами, задающий необходимый ток от шины питания (резистор занял бы слишком много места, поэтому в качестве стоковой нагрузки всегда используется МОП-транзистор); часто используется и другой символ для изображения Т₂. В современных схемах кремниевых вентилей пороговое напряжение входного транзистора находится в диапазоне от 1 до 1,5 В, поэтому вход можно непосредственно подключать к ТТЛ или КМОП-логике. В некоторых старых схемах порог может оказаться в диапазоне от 2 до 3 В, в этих случаях для управления от ТТЛ лучше использовать резистор 1-10 КОм, подключенный к шине питания; для КМОП обычно этого не требуется.

Рис. 9.16.Входная схема n-МОП-логики в режиме обогащения.

Выходы n-МОП-элементов. Выходная ступень 5-вольтовой n-МОП-логики показана на рис. 9.17.

Рис. 9.17. Выходная схема n-МОП-логики.

T₁ представляет собой ключ, а Т₂ — истоковый повторитель. Для того чтобы установить на выходе нижний уровень на затвор транзистора T₁ подается напряжение +5 В; напряжение на выходе при этом будет ниже 0,5 В даже при отводе тока в несколько миллиампер.

Ситуация в состоянии высокого выходного уровня несколько ухудшается: при минимальном высоком выходном ТТЛ-уровне +2,4 В напряжение затвор-исток составляет всего 2,6 В, что приводит к сравнительно высокому значению сопротивления R_вкл; для более высоких выходных напряжений ситуация быстро ухудшается.

Кривые на рис. 9.18 иллюстрируют это положение.

Рис. 9.18. Типовые выходные характеристики по току n-МОП-элементов. 1 — ток отдачи; 2 — ток отвода; 3 — точка запуска схемы Дарлингтона.

В результате нагрузочная способность n-МОП-выхода составляет всего 0,2 мА (отдача тока) при напряжении на выходе +2,4 В. Это вполне допустимо для управления ТТЛ-входами, но выходит за пределы допустимого для 5-вольтовой КМОП-логики (используйте резистор, подключенный к шине питания, или вставьте вентиль НСТ или ACT); подобная неприятная ситуация изображена на рис. 9.19.

Рис. 9.19.

Для работы СИД с уровнями токов мультиплексируемого устройства отображения (25–50 мА во включенном состоянии) выход n-МОП-элемента должен отдавать ток около 1 мА при +4,1 В. Но это невозможно, поскольку напряжение U_ЗИ должно при этом быть всего 0,9 В, а может быть, даже ниже порогового напряжения полевого транзистора. Вспомните еще, что все схемы 5-вольтовой логики должны функционировать при отклонении напряжения питания ±10 %, т. е. при напряжении +4,5 В. Для управления светодиодами (или другими сильноточными приборами) от n-МОП-элементов желательно использовать схемы, показанные на рис. 9.20.

Рис. 9.20. Управление нагрузками с выходов n-МОП-элементов.

В первой схеме низкий выход n-МОП-элемента отбирает ток 2 мА, переводя pnp-транзистор в состояние полной проводимости. На второй схеме npn-транзистор схемы Дарлингтона переключается в открытое состояние малым выходным током n-МОП-элемента, находящегося в состоянии высокого уровня. В этой схеме ВЫСОКИЙ выход фиксируется на уровне падения напряжения на двух диодах выше земли, что может показаться не совсем «дружелюбным» обстоятельством, но оказывается, что выходы n-МОП-элементов проектируются с таким расчетом, чтобы их можно было таким образом закорачивать на землю; причем достаточно малые выходные токи получают возможность управлять базой транзистора с заземленным эмиттером в схеме Дарлингтона без нарушения работоспособности. Типовой n-МОП-выход может отдавать 2 Μ А при +1,5 В в базу схемы Дарлингтона, при этом способность выхода отводить ток для таких схем, как «сшестеренная» матрица Дарлингтона, составит 250 мА при 1 В. В серию ULN фирмы Sprague входят несколько сшестеренных и октальных матриц Дарлингтона в корпусах типа DIP.

9.10. Оптоэлектроника

В двух предыдущих главах мы использовали светодиоды и цифровые индикаторные приборы на светодиодах в различных примерах схем по мере необходимости. Светодиоды относятся к обширной области оптоэлектроники, которая включает в себя и устройства отображения на основе других технологий, а именно, жидких кристаллов, люминесцентных и газоразрядных приборов. Эта область включает также оптические электронные устройства, которые используются не только как индикаторы и дисплеи; к ним относятся оптроны, твердотельные реле, датчики положения («прерыватели»), диодные лазеры, матричные детекторы («приборы с зарядовой связью», ПЗС), электронно-оптические преобразователи и большое разнообразие компонентов, используемых в волоконной оптике.

Хотя мы будем и дальше использовать в качестве примеров различные «волшебные» приборы по мере их необходимости, нам представляется уместным обратиться к области оптоэлектроники, поскольку с ней связаны некоторые обсуждаемые здесь проблемы сопряжения логики.

Индикаторы. Электронные приборы выглядят более привлекательно и проще в применении, если на них есть разноцветные лампочки. В этой области светодиоды полностью вытеснили все предыдущие технологии. Вы можете приобрести красные, желтые и зеленые индикаторы, причем в различных корпусах, наиболее удобными из которых являются лампы для монтажа на панели и различные типы индикаторов для монтажа на печатной плате. Каталоги представляют поразительное их разнообразие по размерам, цвету, светоотдачи и углу излучения. Последняя характеристика требует некоторого пояснения: в так называемые «заливные» светодиоды вводится специальное рассеивающее вещество, поэтому их свечение в широком диапазоне угла зрения одинаково; во многих случаях это хорошо, но за это вы расплачиваетесь яркостью.

С электрической точки зрения светодиод представляет собой обычный диод с прямым падением напряжения около 2 В (при изготовлении светодиодов используют фосфид арсенида галлия, обладающий более широкой запрещенной зоной и, следовательно, большим падением напряжения в прямом направлении, чем кремний). Типичные «заливные» светодиоды панельного типа дают хорошее свечение при прямом токе 10 мА; в углубленной части прибора можно обойтись обычно 2÷5 мА, особенно если используются светодиоды с малым углом излучения.

На рис. 9.21 показаны способы управления индикаторами на светодиодах.

Рис. 9.21. Управление светодиодными индикаторами.

Большинство схем очевидно, однако заметьте, что, поскольку биполярные ТТЛ-элементы имеют небольшой ток отдачи, схему приходится строить так, чтобы низкий логический уровень включал светодиод; для сравнения отметим, что КМОП-семейства симметричны относительно нагрузочной способности по току. n-МОП-схемы, как и биполярные ТТЛ-схемы, обладают слабой отдачей тока, к тому же их способность к отводу тока весьма ограничена, поэтому следует использовать буфер (например, вентиль НСТ) или дискретный полевой транзистор. Учтите также, что некоторые индикаторы на светодиодах выпускаются с внутренними токоограничивающими резисторами (или даже с внутренней схемой фиксации тока); в этих случаях внешний резистор можно не ставить.

Можно использовать небольшие матрицы индикаторов, наборы из 2, 4 или 10 светодиодов в ряд, предназначенные для монтажа на печатной плате. Последние используются чаще всего для вывода данных в виде линейных гистограмм. Они выпускаются как для вертикального монтажа, так и для монтажа под прямым углом. Можно также использовать индикаторы для монтажа на панели, в которых объединены красные и зеленые светодиоды в одном корпусе. Панель при этом становится выразительнее, — плохие и хорошие условия отображаются разными цветами. Мы используем индикаторы на светодиодах, выпускаемые такими фирмами, как Dailight, General Instrument, HP, Panasonic, Siemens и Stanley. Последняя специализируется на лампах необычайно высокой эффективности; вы можете узнать эти приборы на выставках по электроники по изумленным взглядам посетителей.

Дисплеи. Дисплеем называют оптоэлектронный прибор, который может отобразить цифру (цифровой дисплей), 16-ричную цифру, т. е. 0–9 и A-F (16-ричный дисплей) или любую букву или цифру (буквенно-цифровой дисплей). В настоящее время доминирующими технологиями производства дисплеев являются светодиоды и жидкие кристаллы. Жидкокристаллические дисплеи (ЖКД) — это новейшая технология, которая обладает существенными преимуществами для батарейного оборудования, поскольку имеет очень низкую мощность рассеивания, для оборудования, находящегося на открытом воздухе или в условиях высокой внешней освещенности, для создания дисплеев с заказными формами и символами и дисплеев с большим числом цифр и букв. С другой стороны, светодиоды несколько проще в применении, особенно, если вам нужно всего несколько цифр или букв. Кроме того, они выпускаются трех цветов и хорошо выглядят в условиях пониженной освещенности, где их показания легче считываются, чем показания ЖКД.

В области дисплеев на большое число символов, скажем, на одну или две строки текста, с ЖКД конкурируют газоразрядные (плазменные) дисплейные панели, особенно в том случае, когда требуется ясность и контрастность. Вместе с тем плазменные дисплеи потребляют большую мощность, поэтому для батарейного оборудования лучше использовать ЖКД.

Дисплеи на светодиодах. На рис. 9.22 показаны разновидности дисплеев на светодиодах.

Рис. 9.22.

Простейшим является 7-сегментный дисплей; он может отображать цифры 0–9 и шесть букв расширения (A-F), хотя последние отображаются несколько неуклюже (AbcdEF). Вы можете приобрести односимвольные 7-сегментные дисплеи самых разных размеров и дисплеи в виде «палочек» по 2, 3, 4 или 8 символов (обычно они предназначены для мультиплексирования — символы отображаются по одному быстро следуя друг за другом). Односимвольные дисплеи имеют выводы для 7 сегментов и общего электрода; таким образом, возможны две разновидности дисплеев — с общим катодом и с общим анодом. В дисплеях на несколько символов выводится общий электрод каждого символа, но соответствующие сегменты объединяются; это, как раз то, что нужно для мультиплексирования.

16-сегментные дисплеи и матричные дисплеи на 5x7 точек выпускаются в двух вариантах: «тупые» дисплеи, в которых выведены сегменты и общий электрод (также как и в 7-сегментных дисплеях) и «умные» дисплеи, которые принимают на себя всю тяжелую работу по дешифрации и формированию. Не будем больше заниматься обобщениями, рассмотрим лучше несколько примеров (рис. 9.23).

Рис. 9.23. Управление дисплеем на 7-сегментном светодиодном индикаторе, а — одноцифровой; б — мультиплексированный.

На первой схеме показан способ управления дисплеем на одном 7-сегментном светодиодном индикаторе с общим катодом. Элемент `НС4511 — это элемент «регистр/дешифратор/формирователь с преобразованием двоично-десятичного кода в 7-сегментный»; он способен отдавать ток около 15 мА при активном выходе +4,5 В. Последовательные резисторы гарантируют, что ток сегментов будет ограничен указанной величиной при прямом падении напряжения на диодах 2 В. Можно использовать матрицу из одинаковых резисторов в удобном корпусе с однорядным расположением выводов.

Если вы используете принцип мультиплексирования, т. е. высвечиваете только одну цифру за одно обращение, вам понадобится всего один кристалл дешифратора/формирователя, даже при отображении нескольких цифр. На рис. 9.23, б показан принцип мультиплексирования; используется БИС 4-разрядного (десятичных разрядов) счетчика с встроенными 7-сегментными мультиплексируемыми формирователями. Элемент 74С925 предоставляет свои сегментные формирователи (активный высокий уровень с большой нагрузочной способностью) по очереди в распоряжение каждой цифре, одновременно устанавливая активный высокий уровень на соответствующем цифровом выходе A-D. Остальная часть схемы не требует пояснений, за исключением, быть может, той неприятности, что цифровые выходы прижимаются к уровню выше земли, соответствующему падению напряжения на диоде. К счастью, 74С925 допускает подобное включение, поскольку цифровые выходы имеют буферную и токоограничивающую цепь.

На рис. 9.24, а показано, как управлять одним 16-ричным дисплеем, выполненным в виде точечной матрицы 5x7.

Рис. 9.24. Интегральные дисплеи, а — односимвольный, точечная матрица; б — 4-символьный, 16-сегментный, адресуемый.

Элемент HP 5082–7340 является примером «умного» дисплея с встроенными регистром, дешифратором и формирователем. Все, что вам надо сделать, — это выставить 4-разрядные данные, подождать не менее 50 нс и затем активизировать регистр высоким уровнем. На рис. 9.24, б показан один из «интеллектуальных» (умнее «умного»?) дисплеев фирмы Siemens — 4-символьный набор на 16-сегментных дисплеях. Этот дисплей предназначен для того, чтобы работать с микропроцессором по типу памяти; мы еще вернемся к этому в следующих двух главах. Короче говоря, вы выставляете любой 7-разрядный символ и его позицию (2-разрядный адрес), затем подаете WR' (запись) на время, гарантирующее активизацию кристалла. Данные запоминаются внутри элемента, затем осуществляется соответствующее изменение позиции для отображения очередного символа. На рис. 9.25 показан набор отображаемых символов.

Рис. 9.25. Коды 16-сегментного дисплея DL-3416 фирмы Siemens.

_{(С разрешения фирмы Siemens Components, Inc.)}

Если вы хотите использовать «тупой» дисплей (возможно, то, что вам надо, недоступно интеллектуальному дисплею), но вы уже избалованы простотой интеллектуальных дисплеев, можно просто применить кристалл типа 8-разрядного элемента ICM7218/28 фирмы Intersil, который выглядит со стороны микропроцессора как память и который управляет «тупым» светодиодным дисплейным набором от соответствующих сегментных и цифровых формирователей. Другой способ состоит в том, чтобы дать возможность микропроцессору делать всю «умную» работу, используя разряды своих «параллельных портов» для управления соответствующими линиями. Это станет для вас более понятным, после того как вы усвоите две главы о микропроцессорах (гл. 1, 2).

Жидкокристаллические и газоразрядные дисплеи. Многое из того, что мы уже рассказали о дисплеях на светодиодах, применимо и к ЖКД. Однако существует несколько важных отличий. Вот одно из них: для управления ЖКД необходимо использовать переменное напряжение, иначе их жидкие нити разрушаются. Поэтому формирователи ЖКД обычно генерируют прямоугольные сигналы, синхронизированные с сигналом подложки ЖКД. Примером может служить `НС4543, жидкокристаллический родственник светодиодного элемента `НС4511 типа «регистр/дешифратор/формирователь».

Другое отличие состоит в том, что вам не часто приходится видеть односимвольные дисплеи на жидких кристаллах. Они выпускаются в виде больших панелей, которые отображают одну или две строки текста. К счастью, производители достаточно ясно представляют себе, как можно получить довольно сложные вещи, поэтому они поставляют совершенные дисплеи, которые более, чем интеллектуальны — просто на уровне гения. В общем вы обращаетесь к этим дисплеям через микропроцессор и они превращаются в своего рода блок памяти (как и в случае дисплея на рис. 9.24). Отображаться будет все, что бы вы ни записали. Некоторые еще более фантастические дисплеи пошли даже дальше, они способны хранить несколько сообщений и осуществлять связь через последовательные порты. Загляните в EMM, чтобы узнать производителей (см. библиографию).

Газоразрядные дисплеи выделяются своими красивыми красно-оранжевыми символами; вы можете их увидеть на некоторых дорогостоящих портативных компьютерах. Для работы газоразрядных дисплеев необходимы высоковольтные формирователи и производители обычно предусматривают средства формирования. Вы можете приобрести одно- и многоцифровые дисплеи, а также большие многосимвольные панели с памятью и удобным интерфейсом. Примером последнего может служить многостроковый дисплей фирмы Cherry, снабженный памятью с аварийным батарейным питанием, которая может хранить 512 сообщений, осуществлять расслоение данных, поступающих в реальном масштабе времени, и позволяет производить редактирование содержимого. Возможно, вы называете такие устройства не дисплеями, а компьютерами, которым положено иметь дисплей!

Оптроны и реле. Излучатель на светодиоде, размещенный в непосредственной близости от фотодетектора, образует очень полезный предмет, известный как оптопара или оптрон. В двух словах, оптроны позволяют обеспечить обмен цифровыми сигналами (а иногда и аналоговыми) между схемами с раздельной землей. Такая «гальваническая развязка» является хорошим способом избежать земляных контуров в оборудовании, которое управляет удаленной нагрузкой. Это особенно важно в схемах, которые взаимодействуют с силовыми фидерами переменного тока. Например, вам понадобилось включать и выключать нагреватель по цифровому сигналу, вырабатываемому микропроцессором; в этом случае вы, наверное, будете использовать «твердотельное» реле, состоящее из светодиода, подключенного к сильноточному симистору. Некоторые импульсные источники питания, управляемые переменным током, (например, источник питания, используемый в IBM РС-АТ), используют в изолированном контуре обратной связи оптрон (см. разд. 6.19). Точно также проектировщики высоковольтных источников питания используют иногда оптроны для того, чтобы передать сигнал в схему с высоким напряжением.

Вы можете воспользоваться достоинствами оптронов даже в менее экзотических ситуациях. Например, оптический полевой транзистор позволит вам переключить аналоговый сигнал без всякой инъекции заряда; то же самое справедливо для схем квантования с запоминанием и интеграторов. Использование оптронов позволит избежать треволнений при управлении контурами с индустриальными токами, приводами молотов и т. п. Наконец, гальваническая развязка оптронами пригодится в прецизионных и низкоуровневых схемах. Трудно, например, воспользоваться всеми достоинствами 16-разрядного АЦП, поскольку цифровые выходные сигналы (и помехи на цифровой земле, к которой вы подключаете выход преобразователя) возвращаются на «передний край» аналоговой части. Вы можете освободить себя от всех забот, связанных с помехами, применив оптическую развязку в цифровой части.

Оптроны обычно обеспечивают изоляцию в 2500 В (среднеквадратичное), сопротивление изоляции 10¹² Ом и емкостную связь между входом и выходом менее пикофарады.

Прежде чем обратиться к реальным оптронам, бросим беглый взгляд на фотодиоды и фототранзисторы. Видимый свет вызывает ионизацию в кремнии и образование пар зарядов в открытой базовой области; эффект от этого точно такой же, как от внешнего базового тока. Существуют два способа использования фототранзистора:

1. В качестве фотодиода, подключенного только к базовому и коллекторному выводам; в этом случае фототок будет составлять несколько процентов от тока светодиода. Фотодиод генерирует фототок независимо от того, прикладываете вы напряжение смещения или нет; следовательно, вы можете подключать его прямо к суммирующему переходу операционного усилителя (виртуальная закоротка) или обеспечить обратное смещение (рис. 9.26 а, б).

Рис. 9.26. а, б

2. Если вы используете ток фотодиода как базовый ток, то получите обычное усиление тока с результирующим током I_КЭ, который, как правило в 100 раз больше базового; в этом случае, необходимо сместить транзистор, как показано на рис. 9.26, в. За увеличенный ток приходится платить более медленным откликом, что обусловлено открытой базовой цепью. Для повышения быстродействия можно добавить резистор с базы на эмиттер; однако это дает пороговый эффект, поскольку фототранзистор не переходит в состояние проводимости до тех пор, пока ток фотодиода не достигнет величины, достаточной для получения напряжения U_БЭ на внешнем базовом резисторе.

В цифровых схемах порог может оказаться полезным, но в аналоговых приводит к нежелательной нелинейности. На рис. 9.26, г-у показаны типичные примеры применения различных оптронов, с которыми вам, возможно, доводилось встречаться. Самые первые (и самые простейшие) представлены элементом 4N35, пара светодиод — фототранзистор с коэффициентом передачи по току 40 % (мин) и большим временем выключения 5 мкс при нагрузке 100 Ом. На рисунке показан способ его использования: вентиль и резистор образуют формирователь с ограничением по току 8 мА, а относительно большой коллекторный резистор гарантирует переключение выхода в пределах логических уровней с насыщением.

Рис. 9.26. в-у. Оптроны.

Заметьте, что применен инвертор с триггером Шмитта; здесь это хорошая мысль в связи с большим временем переключения. Вы можете приобрести пары светодиод-фототранзистор с коэффициентом передачи по току порядка 100 % и выше (например, МСТ2201 с коэффициентом 100 % (мин)), а также пары светодиод — фототранзисторы Дарлингтона; они даже медленнее фототранзисторов! Для повышения быстродействия производители иногда разделяют фотодиод и транзистор, как в элементах 6N136 и 6N139, оптотранзистор и оптосхема Дарлингтона.

Эти оптроны, конечно, хороши, но иногда раздражают необходимостью использовать дискретные компоненты и на входе и на выходе. Более того, вход нагружает обычные логические вентили до их максимальной нагрузочной способности, а выход с пассивной нагрузкой «страдает» медленным переключением и слабой помехоустойчивостью. Для того чтобы избавиться от этих недостатков кремниевые кудесники предлагают нам «логические» оптроны. Элемент 6N137 на рис. 9.26, и занимает промежуточное положение — диодный вход и логический выход; здесь все еще нужен большой входной ток (по техническим данным 6,3 мА мин. для того, чтобы гарантировать переключение выхода), но вы получаете чистый логический перепад (хотя и с открытым коллектором) и скорость 10 Мбит/с. Заметьте, что на внутренние выходные схемы необходимо подавать питание +5 В. Более новые элементы серии 740L6000 фирмы General Instrument (рис. 9.26, к) предлагают то, что вам действительно требуется: входы и выходы с логическими уровнями, каскадный выход или открытый коллектор по выбору и скорость 15 Мбит/с. Поскольку на входе и на выходе имеются логические схемы, обе стороны кристалла требуют подачи напряжения для питания логики.

На рис. 9.26 показаны еще несколько вариантов схем в продолжение темы светодиод — фототранзистор. Элемент IL252 содержит пару встречно-включенных светодиодов, поэтому им можно управлять переменным током. Для получения защищенности по напряжению 10 кВ (ср. квадр.) в IL11 используется длинный изоляционный зазор (и соответствующий корпус); для остальных оптронов эта величина составляет 2,5 кВ. Элемент Н11С4 — это оптотиристор, удобный для переключения высоких напряжений и больших токов. В МСР3023 однонаправленный тиристор заменен на симистор, т. е. на двунаправленный тиристор; с его помощью можно непосредственно управлять нагрузкой переменного тока (рис. 9.15, о). При управлении нагрузками переменного тока включение нагрузки лучше всего производить в момент пересечения волной переменного тока нуля для избежания попадания выбросов в силовые линии. Это легко осуществить с помощью оптосимисторов, содержащих схему «переключения по нулевому напряжению» (которая блокирует запуск симистора до следующего пересечения нуля); как раз такую схему использует небольшой элемент МСР3043, как и приведенные на рисунке «твердотельные реле» на более сильные токи. Элемент DP6110 фирмы IR выпускается в 16-выводном корпусе типа DIP, а мощные элементы D2410 и D2475 располагаются в мощных модулях с размерами 1,75x25x1 дюйма, предназначенных для монтажа с отводом тепла. Остальные оптроны, представленные на рис. 9.26, можно использовать для линейных сигналов. Полевые оптотранзисторы серии H11F можно использовать как изолированный переменный резистор или как изолированный аналоговый ключ. Здесь нет проблем, связанных с совместимостью уровней напряжения, тиристорным защелкиванием или внесением зарядов. Вы можете использовать один из таких элементов в квантователях с запоминанием и интеграторах. Похожими приборами являются элементы «BOSFET» серии PVR, но они содержат в качестве выходного элемента пару соединенных последовательно мощных полевых МОП-транзистора. Такие элементы предназначены прежде всего для непосредственного переключения нагрузок переменного тока по принципу оптосимисторов. Элемент Н11V1 — это линейный видеоизолятор с полосой частот 10 МГц, а элемент ISO — 100 фирмы Burr-Brown-«умный» аналоговый изоляционный элемент, в котором светодиод имеет связь с двумя согласованными фотодиодами; один из них используется в цепи обратной связи для линеаризации отклика второго фотодиода.

Прерыватели. Пару «светодиод-фототранзистор» можно использовать в качестве датчика близости или движения. «Оптический прерыватель» состоит из светодиода, связанного по щели в 1/8 дюйма с фототранзистором. Он может обнаруживать присутствие светонепроницаемой полоски или вращения щелевого диска. Другой вариант — светодиод и фотодетектор, направленные в одну сторону; такой элемент обнаруживает присутствие в непосредственной близости отражающего объекта. Взгляните на рис. 9.27.

Рис. 9.27. а — оптический прерыватель; б — датчик отражающего объекта.

Оптические прерыватели используются в дисководах и принтерах для обнаружения края подвижного узла. Можно приобрести «кодер вращения», который генерирует квадратурную импульсную последовательность (два выхода с фазовым сдвигом 90°) при вращении вала. Он прекрасно заменяет резистивные панельные органы управления (потенциометры). Смотри разд. 11.09.

При разработке любых практических схем, в которых вы собираетесь использовать оптические прерыватели или датчики с отражением, обратите внимание на датчики на эффекте Холла как на альтернативный вариант; это твердотельные датчики на магнитном поле, предназначенные для определения степени близости объекта. Обычно датчики такого типа используются в автомобильных системах зажигания вместо наконечников механических прерывателей.

Излучатели и детекторы. Мы уже упоминали светодиоды в связи с дисплеями и оптронами. Последнее достижение в области оптоэлектроники — это доступные недорогие твердотельные диодные лазеры, — источники когерентного света в отличии от диффузионных светодиодов. Один из них вы можете увидеть, если откроете верхнюю крышку портативного проигрывателя компакт-дисков. Диодные лазеры стоят около 20 долл. и продаются фирмами, производящими бытовую электронную аппаратуру (Matsushita, Mitsubishi, Sharp и Sony). Типичный диодный лазер генерирует 10 мВт световой мощности на 800 нм (невидимый в ближней инфракрасной области спектра) при токе 80 мА и прямом падении напряжения на диоде 2 В. Выходной поток излучается непосредственно из крошечного отверстия на кристалле с углом расхождения 10°-20°; его можно коллимировать с помощью линзы и получить параллельный пучок или очень маленькое фокусное пятно. Светодиодные лазеры широко используются в оптоволоконной связи.

Еще одной технологией производства излучателей является линейная светодиодная матрица высокой плотности; 300 излучателей на дюйм и даже больше; такие матрицы используются в светодиодных принтерах. При успешном развитии полупроводниковой технологии такие принтеры заменят лазерные, поскольку они проще, надежнее и обладают крайне высокой разрешающей способностью.

В области детекторов существуют несколько альтернатив простым фотодиодам и фототранзисторам, которые мы обсуждали выше, особенно когда требуется скорость или чувствительность. В разд. 15.02 мы рассмотрим PIN-диоды, приборы с зарядовой связью и усилители.