4.1. Классификация и параметры цифровых микросхем

Цифровые интегральные микросхемы работают с дискретными сигналами, т.е. отдельными импульсами или их сериями. Примером могут служить цифровые коды, а также фиксированные потенциалы, поступающие, например, с блок контактов коммутационного оборудования.

Существует широкое разнообразие интегральных элементов представлено сериями микросхем, сгруппированных по общим признакам: назначению, составу технологии изготовления и пр. принятая система условных обозначений предусматривает их классификацию по функциональному назначению.

Обозначение отдельной микросхемы содержит номер серии, например, К155, К561 и т.д., и буквенный признак типономинала, который для ряда цифровых микросхем определяется следующим образом (таблица 2.3):

Таблица 2.3

Обозначение микросхемы

Логические элементы		Триггеры
ЛА	И-НЕ	ТВ	JK - типа
ЛЕ	ИЛИ-НЕ	ТР	RS – типа
ЛИ	И	ТМ	D - типа
ЛЛ	ИЛИ	ИЕ	Счетчики
СН	НЕ	ИР	Регистры
ЛС	И-ИЛИ	ИД	Дешифраторы
ЛБ	И-НЕ, ИЛИ-НЕ	КП	Мультиплексоры
ЛР	И-ИЛИ-НЕ	АГ	Одновибраторы
ЛК	И-ИЛИ-НЕ/И-ИЛИ	-	-
ЛД	Расширители	-	-
ЛП	Прочие	-	-

Микросхемы выпускаются в прямоугольных пластмассовых корпусах с количеством выводов 14, 16, 24 для применения при температуре окружающей среды минус 10°С до плюс 70°С.

Нумерация выводов ведется от специального указателя – ключа на корпусе микросхемы в направлении против часовой стрелки (рис. 9)

К основным параметрам цифровых микросхем относятся (таблица 2.4):

1. Реализуемая логическая функция или назначение.

2. Нагрузочная способность – характеризуемая коэффициентом разветвления К_раз. Он обозначает максимальное число интегральных микросхем, аналогично рассматриваемой, которые допускают подключать одновременно к ее выходу без искажения передачи информации.

3. Мощность, потребляемая микросхемой (среднее значение) – Р_ср.

4. максимально допустимый ток на выходе микросхемы в режиме логического нуля – I⁰вых.

5. I⁰вх – то же на входе.

6. Значение уровня логического нуля на выходе элемента – U⁰вых.

7. U¹вых – то же , логической единицы.

8. Максимальная частота переключений элемента – f_макс.

9. Номинальное напряжение источника питания - Uип.

Рисунок 9. Внешний вид микросхемы

Таблица 2.4

Технические характеристики микросхем

№	Серия	Тип логики	Краз	I^0вых	I^1вх	I^0вх	U^0вых	U^1вых	fмакс	Uип
				мА	мкА	мА	В	В	мГ	В
1	К155	ТТЛ	10	16	40	1,6	0,4	2,4	10	5±5%
2	К176	МОП - структура	50	0,5	0,1	0,0001	0,3	8,2	1	5 - 10

Основу серий цифровых интегральных микросхем составляют элементы малой степени интеграции, выполняющие функции НЕ, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ. Они представляют так называемые базовые логические элементы и используются для построения логических узлов дискретной автоматики любой сложности, а также схем защиты.

Серия микросхем К155 является системой элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Логические элементы серии К155 представлены широким набором микросхем /3/. В приложении 7 представлены схемы электрические функциональные для реализации логической функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Различие их между собой состоит в коэффициенте разветвления по входу. Например, кристалл микросхемы К155 ЛА3 имеет четыре связанных лишь по шинам питания логически самостоятельных элемента 2И-НЕ, а микросхема К155 ЛА2 представляет один восьмивходовый элемент 8И-НЕ (прил.7).

Здесь следует заметить, что правила условного графического обозначения цифровых микросхем предусматривает указание только входных и выходных логических выводов – выводы питания не обозначаются, а даются в примечаниях. Для большинства микросхем серий К155 и ряда других принято, что общим выводом питания (-U_п) является контакт 7 (8,12), выводом +U_п служит контакт 14 (16,24), если схема выполнена в 14-ти, 16-ти и 24-х контактных корпусах соответственно.

Однако выводы питания микросхемы повышенной степени интеграции, в том числе триггеры, счетчики и т.д., отличаются от указанной системы.

Микросхемы микромощной серии К176 входят в класс микросхем изготовленных по технологии комплементальных транзисторов структуры металл – окисел – полупроводник (КМОП) /2/. Исключительная низкая потребляемая мощность при сравнительно высоком быстродействии, приводит к снижению температуры кристалла и повышению надежности. Следует учитывать, что микросхемы структуры КМОП работают в широком диапазоне питающих напряжений (3 – 15В). Диапазон рабочих температур микросхем серии К176 –10…+70°С, серии К561 –45…+85°С.

Применение микросхем серий К176 имеет свои особенности. Ни один из входов микросхем не может быть оставлен неподключенным, даже если логический элемент в микросхеме не использован. Свободные входы элементов быть или соединены с использованными входами того же элемента, или подключены к шине питания или к общему проводу в соответствии с логикой работы микросхемы.

В приложениях 6, 7 приведены цоколевка простых логических микросхем серии К155, К176.

Микросхемы К176ПУ1, К176ПУ2, К176ПУ3 (прил.6) служат для согласования маломощных выходов стандартных микросхем с микросхемами ТТЛ – серий. Микросхемы К176ПУ1 и К176ПУ2 инвертирующие, К176ПУ3 сигналы не инвертирует. Номинальные напряжения питания для этих микросхем U_пит +9В и U_доп. +5В.

Микросхема К176ПУ5 предназначена для согласования выходов микросхем ТТЛ со входами логических устройств на микросхемах КМОП. При напряжении питания + 5В на выводе 15 и + 9…10В на выводе 16 на входы микросхемы можно подавать сигналы с выводов микросхем ТТЛ, выходные сигналы при этом будут соответствовать уровням микросхем КМОП.

Подавляющее большинство микросхем используют положительную логику, для которой уровню «логическая 1» соответствует высокий уровень выходного сигнала (плюс 2,4…4В для серии К155), а «логическому 0» - низкий уровень сигнала (от 0 до плюс 0,4В для серии К155). В пределах от 0,4 до 2,4В находится зона неустойчивого состояния. При использовании микросхем КМОП-структуры (типа К176) для построения различных схем, в том числе автоматического управления, измерения и защит от аварийных режимов следует иметь в виду, что все операции типа S, R, C, D в этих микросхемах выполняются только по сигналам, имеющим уровень «логическая 1».

В электрических схемах устройств неиспользованные входы микросхем с функциями И, И-НЕ соединяются с источником питания. В схемах с функциями ИЛИ, ИЛИ-НЕ свободные входы должны быть соединены с общим выводом микросхем.

На цифровых микросхемах возможно построение генераторов импульсов с самыми разными параметрами. Хорошую устойчивость в работе показал мультивибратор, собранный по схеме на логических элементах К155 ЛА3 (рис.2.8). Регулировка частоты в широком диапазоне достигается с помощью R₃ и подбором емкости конденсатора.

Рисунок 10. Генератор тактовых импульсов

Отдельную группу функционально законченных узлов автоматики составляют D – триггеры.

Наиболее подробно свойства этих элементов рассмотрен на примере микросхемы средней степени интеграции К155 ТМ2. Микросхема имеет в своем составе два D – триггера. Из рисунка 11 следует, что D – триггер имеет информационный вход (D - вход), а так же вход для синхронизирующего сигнала (С - вход). Кроме этого, приведенный D – триггер обладает свойствами RS – триггера благодаря наличию входов для безусловной установки триггера в нулевое или единичное положение нулевыми импульсами соответственно по входам R или S.

Основное свойство D – триггера заключается в том, что информация («логический 0» или «1»), поступившая на D – вход, переносится на прямой выход триггера Q. Этот перенос осуществляется по переднему фронту тактового импульса, поступившего на С – вход, т.е. при условии 0/1. таким образом, согласно рисунку 11, по переднему фронту положительного импульса, поступившего на С – вход, триггер меняет свое состояние либо сохраняет предыдущее в зависимости от информации на D – входе. При отсутствии сигналов по С – входу триггер сохраняет свое предыдущее состояние. Триггер выполняет функцию счетного триггера (рис. 12), если инверсный выход триггера соединен с D – входом триггера. Согласно рисунку 12 последовательное включение двух триггеров в четном режиме образует двоичный счетчик по модулю 4.

Q

К155 ТМ2

Рисунок 11. Микросхема К155 ТМ2

Рисунок 12. Схема включения и временная диаграмма работы триггеров К155ТМ2

в счетном режиме

Интегральные микросхемы К176 ТМ2 (рис. 13) содержит по два независимых D – триггера, работающих аналогично К155 ТМ2. Отличие состоит лишь в том, что по входам R, S эти триггеры управляются единичными импульсами.

Основная область применения D – триггера – различные формирователи сигналов, элементарные узлы автоматики при построении переключающих схем с памятью, а также для построения мало разрядных счетчиков и регистров.

Рисунок 13. Счетчики в интегральном исполнении

Счет импульсов, хранение информации и деление частоты импульсов являются наиболее распространенными операциями в устройствах цифровой автоматики. Для их выполнения обычно используют функционально законченные схемы счетчиков, различающиеся целевым назначением, структурой и разрядностью, способом управления и организацией смены состояний.

Микросхема К155 ИЕ2 содержит четыре триггера и является двоично-десятичным счетчиком (рис. 14). Первый разряд счетчика представлен самостоятельным триггером с входом С₁ и выходом Q₁ и работает как делитель на 2.

Старшие три разряда счетчика образуют делитель на 5. для получения режима пересчета на 10 необходимо внешней цепью соединить первый счетчик с модулем 2 и второй счетчик с модулем 5. это достигается объединением выхода Q₁ и входа С₂. два входа R₀, связанные функцией И, служат для установки декады в нулевое состояние потенциалом «логической 1». Два входа R₉, также дополненные коньюнктором, позволяют фиксировать на выходах 8-4-2-1 двоичный код девятки 1001 путем подачи на них «логической 1». Если в процессе работы двоично-десятичного счетчика не требуется производить установок по R – входам, то они соединяются с нулевым потенциалом источника питания (рис. 2.12).

1

2

3

4

5

6

7

8

Микросхема К176 ИЕ1 (рис. 13) – шестиразрядный двоичный счетчик. Микросхема имеет два входа – вход R – установки триггеров счетчика в 0 и вход С – вход счетных импульсов. Установка в 0 происходит при подаче уровня логической 1 на вход R, переключение триггеров микросхем при счете по спаду импульсов положительной полярности, подаваемых на вход С. При построении многоразрядных делителей частоты входы С микросхем К176 ИЕ1 следует непосредственно подключать к выводам 32 предыдущих.

Рисунок 14. Схема включения К155 ИЕ2 для режима пересчета на 10

Наряду с построением комбинационных логических устройств на основе логических элементов И-НЕ (ИЛИ-НЕ) в настоящее время широко используются готовые комбинационные узлы, выполненные в виде ИМС среднего и высокого уровня интеграции. Применение готовых узлов не только упрощает разработку схем, но и снижает стоимость оборудования, т.к. готовый узел на одной ИМС заменяет устройство, собираемое из множества логических элементов, размещенных в нескольких корпусах.

Одним из видов комбинационных устройств является дешифратор ИД (рис. 15). Он имеет 4 входа для сигналов в коде 1-2-4-8. Выходной сигнал с уровнем 1 появляется на том выходе дешифратора, номер которого в виде десятичного числа выражает состояние входов в двоичном коде. На остальных выходах дешифратора при этом будет уровень 0.

Рисунок 15. Микросхемы типа ИД

С целью повышения надежности работы аппаратуры необходимо Блок распределитель (счетчик и дешифратор) реализовать на отдельных логических элементах, а Блок кодирования (Устройство управления) – на микросхемах в едином интегральном исполнении (тип ИЕ, ИД).

В приложении 7 показаны варианты подключения к интегральным микросхемам серии К155, К176 полупроводниковых индикаторов, применяемые в качестве световых элементов щита сигнализации.

Наиболее чувствительные индикаторы HG АЛ304Г могут быть подключены к выходам микросхем К176 непосредственно. Однако из-за большого разброса тока короткого замыкания микросхем, яркость свечения индикаторов может также иметь большой разброс.

Для согласования микросхем серии К176 с полупроводниковыми индикаторами с общим анодом можно также использовать микросхемы К176ПУ2, К176ПУ3, К176ПУ1 (прил.7 б).

Для подключения полупроводниковых индикаторов к более мощным микросхемам серии 155, можно обойтись без транзисторного усилителя (прил.7 г), в отличии от 176 серии. В приложении 7 а) представлена схема подключения индикаторов с общим катодом. Резисторами R1, R2 устанавливается необходимый ток через сегменты индикатора.

Пример применения простых логических элементов микросхем серии К155 ЛА3, ЛЕ1 для реализации части шифратора/дешифратора (реализация функции «И» для опроса контакта-датчика) показан на рисунке 16.

Рисунок 16. Фрагмент реализации принципиальной схемы Ш/ДШ на логических элементах