Б. Элементы цифровой схемотехники
Приложение Б. Элементы цифровой схемотехники
В полупроводниковых цифровых микросхемах широко ис- пользуются логические вентили на ТТЛ (TTL) и КМОП (CMOS) структурах. Внутри сложных микросхем применя- ются и другие типы ячеек, но они обычно обрамляются внеш- ними схемами с параметрами ТТЛ- или КМОП-вентилей. Приведем некоторые свойства этих вентилей, знание кото- рых полезно для работы с интерфейсами.
Логические микросхемы, применяемые в компьютерах, пи- таются от постоянного напряжения +5 В, приложенного от- носительно общего провода - шины GND. В современных компонентах (процессорах, микросхемах памяти) стремятся снизить напряжение питания до 3,3 В и ниже.
Существует несколько разновидностей микросхем ТТЛ. Стан- дартные микросхемы серий 74ххх имеют среднее потребле- ние и быстродействие 10 нс, их отечественные аналоги - се- рии К155 и К133. Микросхемы с пониженным потреблением серии 74Lxxx и их аналоги К134 имеют пониженное быстро- действие (33 нс). Серии 74Нххх (К131), напротив, имеют по- вышенную выходную и потребляемую мощность. Микросхемы с диодами Шотки (ТТЛШ) 74Sxxx (K531) при более высо- ком, чем у стандартных, энергопотреблении имеют быстро- действие в три раза выше (3 нс). Серия маломощных микро- схем ТТЛШ 74LSxxx (K555) при том же быстродействии, что и у стандартной, потребляет мощность в несколько раз меньше. Наиболее перспективными являются серии 74Fxxx (KP1531) с быстродействием 3 нс и 74ALSxxx (KP1533) с быстродей- ствием 4 нс. При этом потребление у серии ALS (Advanced Low-Power Schottky) в два раза ниже, чем у серии F (Fast). Серия ALS хорошо стыкуется с микросхемами КМОП.
В ТТЛ-логике различают входы, выходы (обычные, триста- бильные и с открытым коллектором) и двунаправленные выводы.
12 Зак.№530
Вход ТТЛ воспринимает только логический уровень сигна- ла. Порог переключения -обычно 1,3-1,4. В. Напряжение ниже порога воспринимается как низкий уровень, выше - как высокий. Состояние свободного (ни к чему не подклю- ченного) входа ТТЛ-микросхемой воспринимается как вы- сокоуровневое, и на нем высокоомным вольтметром или ос- циллографом можно наблюдать потенциал 1,3-1,4 В.
В таком состоянии вход является чувствительным к помехам, поэто- му свободные входы рекомендуют соединять с источником высокого или низкого логического уровня (в зависимости от логики работы). Если несколько свободных входов раз- ных вентилей соединяются вместе, их состояние будет нео- пределенным: из-за разброса порогов часть из них может восприниматься как высокий уровень, а часть - как низкий. В качестве источника высокого уровня часто используют шину питания +5 В, но вход (или группу входов) подклю- чают к ней через балластный резистор (1-10 кОм). В каче- стве низкого уровня используют общий провод (шину GND). Входной ток зависит от потенциала входа: при низком уровне ток имеет отрицательное значение (вытекающий ток) поряд- ка 1,5 мА для стандартных микросхем ТТЛ, при высоком уровне - положительное (втекающий ток) на уровне десят- ков микроампер. У микросхем серий S, LS и ALS входные токи существенно меньше. Входное напряжение, превыша- ющее значение питающего напряжения, для микросхем ТТЛ недопустимо - оно может пробить входной вентиль. Кроме вентилей с обычными входами существуют вентили с триг- герами Шмитта. У них имеется гистерезис переключения около 0,8 В, симметричный относительно порога (1,3 В). Эти элементы используются как приемники сигналов с повышен- ным уровнем помех.
Обычный выход ТТЛ формирует выходные логические уров- ни: низкий (ниже 0,4-0,5 В) и высокий (выше 2,4 В). Вы- ходные уровни при повышении нагрузки (выходного тока) ухудшаются - приближаются к порогу переключения. Вы- ходной ток короткого замыкания (КЗ) на землю ограничен несколькими миллиамперами, поэтому КЗ на землю безо- пасно для выходов элементов ТТЛ. Выходной ток при КЗ на шину питания, когда вентиль пытается формировать низ-
кий уровень сигнала, достигает десятков миллиампер и опа- сен для микросхемы. Если два выхода соединить вместе и они будут пытаться формировать разные уровни, то в этом конфликте "победит" выход, формирующий низкий логи- ческий уровень. Этим свойством иногда пользуются при построении схем, но это не совсем "законно".
Существуют буферные элементы с повышенной нагрузочной способнос- тью. Они предназначены для подключения большого коли- чества входов или цепей с большой емкостной нагрузкой. В PC таким местом является, например, мультиплексирован- ная шина адреса динамической памяти.
Выход с открытым коллектором (Open Drive Output) рабо- тает в качестве ключа, способного коммутировать сигнал на шину GND. Этот тип выхода способен формировать только низкий логический уровень, а высокий уровень формируют с помощью внешнего резистора, "подтягивающего" сигнал к напряжению питания (Puliup Resistor). Выходы с откры- тым коллектором разрешается объединять, при этом реали- зуется функция "монтажное И". Существуют элементы с от- крытым коллектором, имеющие повышенную нагрузочную способность как по допустимому выходному току ключа, так и по допустимому напряжению на закрытом ключе. Они мо- гут использоваться для управления исполнительными уст- ройствами (например, реле), индикаторами и т. п.
Тристабильный выход (Tristate Output) кроме формирования низкого и высокого уровней может быть переведен в третье, высокоимпедансное (High-Z State) состояние, в котором вы- ходной вентиль отключен от вывода. Этот тип выхода пред- назначен для объединения нескольких источников сигнала на одной шине. Как правило, не в третьем состоянии может находиться не более одного из объединяемых источников. В противном случае на шине будет конфликт, в котором по- беждает низкий уровень. Вентили с тристабильньш выхо- дом имеют управляющий вход, который обычно обозначают ОЕ (Output Enable).
Двунаправленный вывод элемента представляет собой ком- бинацию входа и тристабильного выхода (или выхода с от- крытым коллектором). В зависимости от управляющего сиг- нала этот вывод работает либо как вход, либо как выход.
Логические элементы КМОП отличаются от ТТЛ большим размахом сигнала (низкий уровень ближе к нулю, высокий - к напряжению питания), малыми входными токами (почти нулевыми в статике, в динамике - обусловленными пара- зитной емкостью) и малым потреблением, однако их быст- родействие несколько ниже.
В отличие от ТТЛ, микросхемы КМОП допускают более широкий диапазон питающих на- пряжений. Микросхемы ТТЛ и КМОП взаимно стыкуются, хотя вход КМОП требует более высокого уровня логичес- кой единицы, а выход КМОП из-за невысокого выходного тока можно нагружать лишь одним ТТЛ-входом. Современ- ные микросхемы КМОП по параметрам приближаются к ТТЛ серии ALS и хорошо стыкуются с ними. Микросхе- мы КМОП имеют те же типы выводов, но вместо выхода с открытым коллектором у них присутствует выход с откры- тым стоком (что по логике работы одно и то же).
Длина интерфейсных кабелей ограничивается как уровнем помех на входе, так и создаваемой емкостной нагрузкой на выходные вентили, в качестве которых рекомендуется при- менять элементы с повышенной нагрузочной способностью. Длина кабелей Centronics ограничена несколькими метрами, в то время как для интерфейса RS-232C допустимы кабели длиной в десятки метров (сказывается большая разница уров- ней и зона нечувствительности).
Логические схемы могут быть чисто комбинационными вен- тилями (Gate), у которых состояние выходов определяется только текущим состоянием входов, или элементами с па- мятью. В схемах последнего типа состояние выхода опреде- ляется предысторией входных сигналов и внутренних состо- яний. К ним относятся разнообразные триггеры, регистры, счетчики и т. п. Элементы могут быть асинхронными и син- хронными. У последних состояние входов стробируется по- тенциалом или перепадом на специальном входе синхрони- зации. Следует особо отметить два типа элементов, широко применяемых в микропроцессорной технике. Регистром (Register) называют совокупность нескольких запоминающих элементов, запись в которые производится по общему управляющему сигналу. Подразумевается, что в регистре ин- формация воспринимается по перепаду сигнала синхрони-
зации (на Рисунок Б.1а запись происходит по положительному перепаду). Защелкой (Latch), или регистром-защелкой, на- зывают схему, работающую иначе (Рисунок Б. 16). Здесь при од- ном состоянии управляющего входа (высоком) регистр "про- зрачен" - на выходе отражаются изменения на входах, а при переходе этого сигнала в другое состояние на выходах фик- сируется состояние, присутствующее к этому моменту.За- щелки используются для фиксации адреса на шине микро- процессора, позволяя схемам дешифраторов адреса раньше начинать работу, тем самым сокращая затраты времени на дешифрацию адреса. До срабатывания на выходе защелки возможен "мусор" от переходных процессов на входе, чего не бывает в регистрах, синхронизируемых по перепаду.
Для того чтобы любая синхронизируемая схема зафиксировала желаемое состояние, сигналы на входах должны установиться до синхронизирующего перепада за некоторое время, называ- емое временем установки TSETUP, и удерживаться после него в течение времени удержания THOLD. Значение этих парамет- ров определяется типом и быстродействием синхронизируе- мой схемы, и в пределе один из них может быть нулевым.
