Текст книги "Путеводитель в мир электроники. Книга 2"

Автор книги: И. Шелестов

Соавторы: Борис Семенов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 23 страниц)

Обозначения и маркировка цифровых микросхем

Ум – не что иное, как хорошо организованная система знаний.

Константин Ушинский

Начнем с обозначений. Сам логический элемент, или микросхема, состоящая из них, показывается на электрической принципиальной схеме в виде прямоугольника, внутри которого вверху ставится условный знак (символ или буквы), говорящий о назначении микросхемы (виды условных знаков стандартизованы) – это позволяет быстрее понять принцип работы устройства любому специалисту в области электроники, а не только автору схемы. По мере получения опыта вы их легко запомните.

Часто используемые простые элементы приведены в табл. 14.3, там же указаны названия логических операций, которые они выполняют. Особое внимание читателя следует обратить на графы «mil spec» – зарубежный стандарт и «ГОСТ, МЭК» – отечественный стандарт, рекомендуемый Международной Электротехнической Комиссией (МЭК). Начертания элементов в зарубежных и отечественных схемах, как правило, отличаются. Установить соответствие поможет приводимая таблица.

По роду выполняемых действий цифровые микросхемы делятся на много типов: логические элементы, триггеры, счетчики, запоминающие устройства и др. Особый класс занимают аналого-цифровые и цифроаналоговые микросхемы, которые осуществляют преобразование аналоговых сигналов в цифровые и наоборот.

Цифровые микросхемы выпускают сериями. Серия микросхем изготавливается по единой технологии, с единой конструкцией корпуса. Наиболее желательным при разработке цифровых устройств считается использование микросхем одной серии, поскольку они лучше всего сопрягаются друг с другом по питающим напряжениям, уровням сигналов и быстродействию.

Маркировка отечественных микросхем

Отечественная система маркировки состоит из пяти элементов.

Первый элемент – характеристика области применения, материала и типа корпуса. Буква К говорит о возможности использования микросхемы в широком спектре аппаратуры. Отсутствие буквы К свидетельствует о возможности использования микросхемы в специальной технике, подвергаемой повышенным значениям вибрации, ударам, холоду, теплу, влажности, радиации. Буква Э свидетельствует об экспортном исполнении. Буква М – керамический, металлокерамический или стеклокерамический корпус.

Второй элемент – цифра, характеризующая микросхему по конструктивно-технологическому признаку:

Третий элемент – две цифры, указывающие номер разработки данной серии.

Четвертый элемент – две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и вид микросхемы. Эта информация приведена в таблице:

Пятый элемент – порядковый номер разработки в серии среди микросхем одного вида. При необходимости после пятого элемента в обозначение могут быть введены буквенные индексы от А до Я, определяющие разбраковку микросхем по допускам на основные параметры.

Подавляющее большинство отечественных цифровых микросхем имеет импортные аналоги, совместимые как по техническим характеристикам, так и по расположению выводов. Некоторые зарубежные микросхемы не имеют отечественных аналогов, а некоторые отечественные наоборот – не имеют импортных. Но все же эти примеры обычно относятся к малоупотребимым в радиолюбительской практике типам.

Маркировка зарубежных микросхем

Исторически так сложилось, что маркировка отечественных микросхем отличается от маркировки импортных, поэтому здесь мы приводим все необходимые сведения. Вообще имеется два вида маркировки, которые на самом деле очень похожи друг на друга. Первый вид состоит из четырех позиций.

Первая позиция – код изготовителя или код по международной классификации, состоящий из 2 букв латинского алфавита.

Вторая позиция – две цифры, указывают технологию изготовления микросхемы (серию):

Третья позиция – 2 или 3 цифры, обозначающие функциональное название цифровой микросхемы в пределах обозначенной серии. К функциональному назначению микросхемы может быть добавлен индекс модификации, свидетельствующий об изменениях, внесенных в схемотехнику микросхемы:

Четвертая позиция – буквенный суффикс, обозначающий корпус микросхемы:

Пример обозначения: DM74157E.

* * *

Поговорим о втором виде маркировки. Он во многом напоминает первый способ, но состоит из шести позиций и на сегодняшний момент используется для цифровых микросхем наиболее часто.

Первая и вторая позиции – аналогичны приведенным выше.

Третья позиция – одна или несколько букв, обозначающих подсемейство микросхемы в пределах серии:

Важно отметить, что если внутри традиционно принадлежащего ТТЛ обозначения 74 встретится буква С, например НС, это означает, что данная микросхема принадлежит к семейству КМОП микросхем, но совместима с ТТЛ.

Четвертая позиция – цифры, обозначающие функциональное назначение цифровой микросхемы в пределах серии.

Пятая позиция – буква, обозначающая тип корпуса микросхемы (аналогично четвертой позиции в первом виде маркировки).

Шестая позиция – суффикс, который может содержать отбраковочную информацию, код температурного диапазона и другие не слишком важные для радиолюбителя сведения.

Пример маркировки второго вида: DV74LS244D.

В дальнейшем мы расскажем о наиболее популярных сериях отечественных цифровых микросхем и приведем их зарубежные аналоги. Нам предстоит также подробнее узнать о технологиях ТТЛ и КМОП, их достоинствах и недостатках, перспективах, особенностях использования в схемах.

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].

Как все это работает?

Вопросы никогда не бывают нескромными.

В отличие от ответов.

Оскар Уайльд

А сейчас поговорим о назначении и принципах работы простейших логических элементов и узлов, выполненных на их основе. Любой логический элемент имеет один или несколько входов и один или несколько выходов. Подавая различные комбинации цифровых сигналов на входы и фиксируя состояние выходов, можно исследовать логические схемы, составить для них таблицы истинности – таблицы, отражающие поведение схемы при всевозможных комбинациях входных сигналов. Составление таблицы истинности – это наиболее простой способ описания простых устройств цифровой техники. Существуют и другие способы, например временные диаграммы, в которых все сигналы «разворачиваются» на временной горизонтальной оси в виде графика. Можно описывать работу словами или же языком математики (есть так называемая Булева алгебра – Дж. Буль (1815–1864) – английский математик разработал специальную алгебру логики). Кроме языка математики, со всеми остальными способами мы с вами познакомимся. Но для описания многих логических элементов таблиц истинности вполне достаточно.

Все цифровые микросхемы по количеству компонентов внутри корпуса можно разделить на простейшие (они выполняют простые логические операции) и более сложные (выполняют логические функции). Последние состоят внутри из большого числа специальным образом соединенных простых логических элементов, выполняющих часто необходимые задачи, что позволяет уменьшить число корпусов микросхем в конструкции.

Простейшие логические элементы

Один логический элемент, в зависимости от технологии его изготовления, может состоять из 5…15 компонентов (транзисторов, резисторов, диодов). На одном кристалле полупроводника за один технологический цикл изготавливается сразу несколько аналогичных логических элементов, связанных между собой только цепями питания, что позволяет уменьшить габариты и стоимость разрабатываемой конструкции. К тому же при разработке топологии печатной платы в этом случае можно использовать те элементы, для которых проще всего выполнить разводку соединения (элементы можно менять местами на электрической схеме). Чтобы не загромождать схему линиями, обычно цепи питания микросхем не рисуют (их указывают отдельно), но об их необходимости подключения не следует забывать, иначе ничто работать не будет.

Еще необходимо учитывать, что в цифровых схемах логические элементы могут иметь один из пяти вариантов выполнения выходного каскада (рис. 14.8):

Рис. 14.8. Разные варианты внутренней структуры выходных каскадов цифровых микросхем

а) обычный выход (чаще всего комплиментарный), на котором может присутствовать либо 0, либо лог. 1 (он непосредственно подключается к входу другого логического элемента). На электрической схеме такой выход ничем не выделяют – их большинство;

б) выход с открытым коллектором или стоком (если к такому выходу не подключить внешний резистор, соединенный с +U_п, то мы не увидим никакого изменения уровня сигнала). Открытые выходы можно объединять между собой, то есть они могут работать на одну нагрузку (резистор). На электрической схеме такой выход обозначается ромбиком с чертой внизу;

в) выход с тремя состояниями. На нем может быть либо 0, либо лог. 1, либо «ничего» – так называемое высокоимпедансное состояние (Z-состояние) – вывод как бы повисает в воздухе. Выполняется это за счет того, что выходными транзисторами можно раздельно управлять, и перевод в это состояние осуществляется закрыванием обоих транзисторов. На электрической схеме такой выход обозначается ромбиком с чертой посередине (например, такой является микросхема K561ЛH1 с 6 инверторами, рис. 14.9);

г) два других варианта выходов: когда не подключен только исток (эмиттер) транзистора (обозначается ромбиком с чертой вверху) или же оба вывода просто выведены (открытый коллектор и эмиттер) – в цифровых микросхемах встречаются очень редко, и мы их рассматривать не будем.

Ну а теперь давайте познакомимся с самыми распространенными элементами, рис. 14.9 (их работу надо запомнить).

Рис. 14.9. Простые логические микросхемы

Повторитель сигнала – элемент, не несущий в себе никакой осмысленной цифровой операции. Принцип работы следует из его названия, а таблица истинности показана на рис. 14.10.

Рис. 14.10. Таблица истинности повторителя сигнала

Он используется для увеличения нагрузочной способности выходов, для буферирования слабых цифровых сигналов (усиления по току), для преобразования электрических уровней и согласования, разных типов микросхем. Одинаковые логические элементы можно включать параллельно по 2–4 штуки, это увеличивает нагрузочную способность (выходной ток). В крайнем случае роль буферного элемента может выполнять каскад эмиттерного повторителя на любом транзисторе – так делают, когда необходим только один или два повторителя, из-за чего неудобно ставить микросхему, имеющую их аж 6 штук или же когда на выходе нужен ток, превосходящий возможности одного буфера (для управления реле или ИК-диодом).

Инвертор – логический элемент, выполняющий операцию логического отрицания НЕ (NOT – обозначение этой операции в зарубежной литературе).

Таблица истинности инвертора показана на рис. 14.11.

Рис. 14.11. Таблица истинности инвертора НЕ (NOT)

Как следует из рисунка, этот элемент устанавливает на своем выходе состояние сигнала, противоположное тому, которое установлено на входе. Аналогичную задачу может выполнять обычный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (общим истоком).

Элемент И – выполняет функцию логического умножения (AND). Работу его очень просто продемонстрировать с помощью схемы, выполненной на реле, рис. 14.12.

Рис. 14.12. Пояснение работы логического элемента И

Пока переключатели SA1 и SA2 находятся в разомкнутом состоянии, прибор PV регистрирует низкий уровень сигнала. При замыкании только одного из переключателей ситуация не меняется, и только при замыкании обоих переключателей прибор PV зарегистрирует высокий уровень сигнала.

Диаграмма напряжений и таблица истинности этого элемента показаны на рис. 14.13.

Рис. 14.13. Диаграмма напряжений и таблица истинности элемента И (AND)

Чаще всего показанный логический элемент обозначают, как 2И, поскольку входов у схемы – два; существуют разновидности элементов, выполняющих функцию логического умножения трех (3И) и более входных сигналов. В любом случае изменение сигнала на выходе произойдет при одновременной установке в высокий уровень всех входных сигналов.

Элемент И-НЕ – разновидность элемента, выполняющего функцию логического умножения с той разницей, что на выходе осуществляется операция НЕ (NOT) – инверсия. Таблица истинности такого элемента показана на рис. 14.14. По аналогии с предыдущим элементом имеются также элементы 3И-НЕ и другие.

Рис. 14.14. Таблица истинности и диаграмма напряжений элемента И-НЕ (NAND)

Элемент ИЛИ – выполняет функцию логического сложения (OR). Вновь проиллюстрируем работу с помощью простейшей схемы, показанной на рис. 14.15.

Рис. 14.15. Пояснение работы логического элемента ИЛИ

В разомкнутом состоянии переключателей SA1 и SA2 прибор PV регистрирует низкий уровень, при замыкании переключателей SA1 или SA2 регистрируется высокий уровень, то же самое происходит и при их одновременном замыкании.

Таблица истинности элемента показана на рис. 14.16.

Рис. 14.16. Диаграмма напряжений и таблица истинности элемента ИЛИ (OR)

Элемент ИЛИ-HE (NOR) показан на рис. 14.17 и дополнительных пояснений не требует.

Рис. 14.17. Таблица истинности и диаграмма напряжений элемента ИЛИ-HE (NOR)

Элемент Исключающее ИЛИ (XOR) – может быть составлен из названных элементов путем их соединения по определенному правилу. Однако этот элемент принято включать в набор «кирпичиков» цифровой техники, поскольку функция, выполняемая им, уникальна. Это – цифровой компаратор, который сигнализирует о равенстве сигналов на входах. На выходе будет лог. 0 только когда на обоих входах 0 или 1. Таблица истинности этого элемента показана на рис. 14.18.

Рис. 14.18. Таблица истинности и диаграмма напряжений элементу Исключающее ИЛИ (XOR)

Элемент Исключающее ИЛИ-HE (XNOT-OR) мало чем отличается от предыдущего элемента. На выходе будет лог. 1, только когда на обоих входах 0 или 1. Таблица его истинности показана на рис. 14.19.

Рис. 14.19. Таблица истинности и диаграмма напряжений элемента Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOT-OR)

Кроме описанных простейших элементов, часто используются и более сложные, размещенные в одном корпусе микросхемы. Например, элемент 2И-ИЛИ, изображенный на рис. 14.20, может быть заменен показанной эквивалентной схемой.

Рис. 14.20. Вариант комбинации логических элементов в одном корпусе для удобства создания конструкций

Иногда в практических схемах, кроме обычных логических элементов, можно встретить логические элементы, выполненные на диодах-резисторах (рис. 14.21).

Рис. 14.21. Диодно-резисторные логические элементы

Так делают, когда нецелесообразно устанавливать лишний корпус микросхемы, а небольшое увеличение при этом потребляемого тока значения не имеет. Существует много и других комбинаций, но мы пока ограничимся вопросами построения логических цепей, называемых комбинационными логическими схемами, и перейдем к другому виду — последовательностным схемам (схемам, работающим в определенной последовательности действий).

Триггер – ячейка памяти

Итак, комбинационная логическая схема, как мы уже поняли, строится на основе элементарного логического элемента. Последовательностная логическая схема в своей основе имеет другой элементарный элемент – триггер. Но не думайте, что сейчас вы встретите что-то принципиально новое. В рассказе о триггере мы столкнемся со знакомыми нам логическими «кирпичиками», соединенными особым образом.

Итак, триггер. Он предназначен для размещения цифровых данных, обеспечения нужных временных задержек, формирования заданных последовательностей сигналов. Триггер обладает очень важным свойством – имеет память. Он запоминает входные сигналы даже тогда, когда они будут сняты. Различают несколько разновидностей триггеров, поэтому поговорим о них по очереди. Эти элементы мы будем рассматривать на примере конкретных микросхем из КМОП серий, которые наиболее удобны для изготовления своих конструкций (все ниже изложенное справедливо и для других серий, но иногда с небольшими поправками, о которых можно узнать в справочнике).

Триггер Шмитта по своему функционированию напоминает буферный элемент, поскольку не выполняет никакой логической операции (может использоваться как обычный буфер). Но в отличие от обычных элементов, он обладает, гистерезисом при переключении и предназначен для формирования цифровых сигналов на выходе с крутыми фронтами (для исключения ложных срабатываний) при медленном изменении уровня сигнала на входе, например для сопряжении цифровой схемы с аналоговой или с механическими контактами кнопок и переключателей. Метод получения гистерезиса при помощи положительной обратной связи мы уже рассматривали в главе 13, когда речь шла об аналоговых компараторах.

На практике часто используются триггеры Шмитта как с одиночным инвертирующим триггером, так и с логикой 2И-НЕ на входе, рис. 14.22.