Используемые микросхемы

5.1. Общие вопросы

В последующих главах будет по­дробно описано устройство и функционирование ПМ-ЭВМ и ее блоков. Для понимания этих глав необходимо познакомиться с работой отдельных микросхем, из которых построены блоки ПМ-ЭВМ.

Рис. 5.1. Внешний вид микросхемы в корпусе с двухрядным расположе­нием выводов

Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, вы­полняющее определенную функцию преобразования и обработ­ки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электриче­ски соединенных элементов. Полупроводниковый кристалл, в объеме и на поверхности которого созданы элементы, состав­ляющие микросхему, обычно помещается в корпус. Корпуса микросхем бывают самых разнообразных форм и изготовля­ются из керамики, пластмассы, металла и т. д. В ПМ-ЭВМ будут использоваться микросхемы в прямоугольных пластмассовых корпусах (рис. 5.1) с двухрядным расположением выводов. Принято обозначать выводы микросхем арабскими цифрами и буквами русского и латинского алфавитов. При этом для корпусов всех типов используется общее соглашение по обо­значению номеров выводов, практически не имеющее исклю­чений. У вывода номер один ставится маркирующая точка, которая называется ключом. Начиная от этой точки номера выводов будут возрастать при обходе их против часовой стрел­ки. На условных графических изображениях микросхем эти номера выводов проставляются над линиями, изображающими выводы. Принято также присваивать выводам буквенные обо­значения в соответствии с названиями выполняемых выводамифункций. Существуют две системы буквенных обозначений: отечественная (буквами русского алфавита) и международная (буквами латинского алфавита). В этой книге будет применять­ся международная система, так как она широко используется во многих отечественных и переводных книгах по электронике и микро-ЭВМ. Выводы будут обозначаться в тексте буквами или номерами (если не принято данный вывод обозначать буквой) при описании микросхем и номерами — при описании электрон­ных схем, чтобы избежать двусмысленности этих описаний.

5.2. ТТЛ-ВХОДЫ И ТТЛ-ВЫХОДЫ

Цифровые микросхемы выпол­няют преобразование сигналов, изменяющихся дискретно. Такой сигнал может принимать несколько фиксированных значений. Современные микросхемы, как правило, работают с сигналами, которые имеют два значения, и эти значения кодируются двумя различными уровнями напряжения. Обычно эти уровни напря­жения расположены в диапазоне от нуля до напряжения источ­ника питания и различны для серий микросхем, отличающихся по технологии изготовления. Широкое распространение в настоя­щее время получили микросхемы, изготовленные по ТТЛ-тех­нологии, и поэтому часто микросхемы, изготовленные по дру­гим технологиям, имеют выводы с такими же характеристиками и работают с такими же уровнями напряжения (в частности, все микросхемы, применяющиеся в ПМ-ЭВМ). Для того чтобы подавать сигналы с микросхем, имеющих одни уровни напряже­ния, на микросхемы с другими уровнями напряжения, применя­ются специальные преобразователи уровня.

Вывод микросхемы, на который сигнал необходимо подавать, называется входом (для ТТЛ-микросхем - ТТЛ-входом), а вывод, на котором сигнал вырабатывается самой микросхе­мой, называется выходом (для ТТЛ-микросхем - ТТЛ-выхо­дом). В этом параграфе будут подробно рассмотрены характе­ристики ТТЛ-входов и ТТЛ-выходов.

Входные и выходные уровни напряжения ТТЛ-микросхем имеют определенные значения. Высокий уровень напряжения должен лежать в пределах от +2,4 до +5 В для ТТЛ-выхода и в пределах от +2 до +5 В для ТТЛ-входа, а низкий уровень -от 0 до +0,4 В для ТТЛ-выхода и от 0 до +0,8 В для ТТЛ-входа. Между нижней границей для более высокого уровня и верх­ней границей для более низкого уровня напряжения ТТЛ-входа имеется диапазон напряжения (от 0,8 до 2 В) шириной 1,2 В. Этот диапазон предназначен для защиты микросхемы от лож­ных срабатываний при помехах амплитудой менее 1,2 В. Если бы его не было, то любая малая помеха приводила бы к тому, что напряжение сигнала попадало бы из области низких напря­жений в область высоких (или наоборот). В этом диапазоне напряжение сигнала может находиться только в момент пере­ключения с одного уровня напряжений на другой.

Как известно, переменные в логике могут принимать два значения - 0 и 1. Возможны два способа кодировки этих зна­чений. Первый способ - это кодировать 0 низким уровнем на­пряжения, а 1 - высоким уровнем напряжения. Такой способ кодировки называется позитивной (иногда положительной) логикой. Второй способ - кодировать 0 высоким уровнем, а 1 - низким уровнем напряжения. Такой способ кодировки называется негативной (иногда отрицательной) логикой. Эти названия общеприняты, хотя не совсем удачны. Во-первых логика здесь ни при чем (она одинаковая, разные только спо­собы кодировки), а во-вторых, слова "позитивный" и "не­гативный" применяются для обозначения способов кодировки с помощью разных уровней напряжения одной полярности. В дальнейшем для краткости вместо слов "сигнал имею­щий высокий (низкий) уровень напряжения" будут употреб­ляться слова "сигнал высокого (низкого) уровня" или просто высокий (низкий) уровень", и так как в этой книге принята положительная логика, то будут также употребляться слова "уровень логического нуля (единицы)".

Рис. 5.2. ТТЛ-вход и схема для снятия ха­рактеристики

Рис. 5.3. Характеристи­ка ТТЛ-входа

ТТЛ-вход является эмиттером многоэмиттерного транзисто­ра (рис. 5.2). Диод к эмиттеру подключен для того, чтобы огра­ничивать отрицательные импульсы напряжения. Если поставить эксперимент, изображенный на рис. 5.2, то можно получить входную характеристику ТТЛ-входа, т. е. зависимость тока от подаваемого напряжения (рис. 5.3). Ветви 1 соответствует ток, вытекающий в ТТЛ-вход, который в этом случае работает как р-п переход, включенный в обратном направлении, и поэтому значение тока невелико. Этот ток обозначается обычно I¹_вх. Ветви 2 соответствует ток, который вытекает из ТТЛ-входа, работающего как р-п переход, включенный в прямом направ­лении. В этом случае ток ограничивается сопротивлением R. Этот ток обозначается I⁰_вх. В диапазоне напряжений, соответст­вующем высокому уровню, I¹_вх должен быть не больше 0,1 мА, а в диапазоне, соответствующем низкому уровню, I⁰_вх должен быть не больше 1,6 мА. Направления I⁰_вх и I¹_вх показаны стрел­ками на рис. 5.2. Вход с такими характеристиками называется стандартным ТТЛ-входом или стандартной ТТЛ-нагрузкой.

Рис. 5.4. ТТЛ-выход

Рис. 5.5. Схема снятия характеристики ТТЛ-выхода при высоком уровне напряжения (а); характеристика (б)

ТТЛ-выходы бывают трех типов: нормальный ТТЛ-выход, выход с открытым коллектором и выход с тремя состояниями. Схема нормального ТТЛ-выхода приведена на рис. 5.4. Для того чтобы создать на выходе высокий уровень напряжения, с помощью внутренних управляющих цепей открывается верх­ний транзистор и закрывается нижний. Если поставить экспери­мент по схеме, изображенной на рис. 5.5,л, то можно снять вы­ходную характеристику ТТЛ-выхода при высоком уровне на­пряжения (рис. 5.5,6). Из этой характеристики видно, что с возрастанием вытекающего тока I¹_вых напряжение на выходе уменьшается. Стандартный ТТЛ-выход должен обеспечивать при I¹_вых, равном 1 мА, высокий уровень напряжения (не мень­ше+2,4 В).

Рис. 5.6. Схема снятия характеристики ТТЛ-выхода при низком уровне напряжения (а); характеристика (б)

Для того чтобы создать на выходе напряжения низкого уров­ня, с помощью внутренних управляющих цепей открывается нижний транзистор и закрывается верхний. Схема, с помощью которой можно снять выходную характеристику ТТЛ-выхода, и сама характеристика приведены на рис. 5.6. Из этой характе­ристики видно, что с возрастанием втекающего тока напряже­ние на ТТЛ-выходе, находящемся в состоянии низкого напряжения, увеличивается. Стандартный ТТЛ-выход должен обеспе­чивать при I⁰_вых, Равном 16 мА, высокий уровень напряжения (не более 0,4 В). Если теперь сравнить входные и выходные токи, то видно, что к одному стандартному ТТЛ-выходу можно подключить, не перегружая его, 10 стандартных ТТЛ-входов. Иногда используют термин "нагрузочная способность" выхода или "коэффициент разветвления по выходу", измеряющийся числом входов, которые можно подключить к данному выходу.

Диод между эмиттером верхнего транзистора и коллектором нижнего транзистора включен для того, чтобы избежать откры­вания верхнего транзистора при низком уровне напряжения на выходе. При переключении выходных транзисторов в какой-то момент времени они оба оказываются открытыми и ток через них резко возрастает (в этот момент ток ограничивается толь­ко резистором К). Резкое возрастание тока может создать им­пульс помехи, распространяющейся по цепям питания. Для подавления таких помех используются развязывающие конден­саторы, которые включаются между линией питания и общим выводом в непосредственной близости от микросхемы. Развя­зывающий конденсатор должен быть один на группу не более 10 микросхем и должен иметь емкость не менее 0,002 мкФ на микросхему.

Два нормальных ТТЛ-выхода нельзя подключать друг к дру­гу, если возможна ситуация, когда на одном выходе высокий, а на другом — низкий уровень напряжения, потому что тогда ток, протекающий через открытые транзисторы разных ТТЛ-вы­ходов, может превысить допустимое значение.

Рис. 5.7. Выход с открытым кол­лектором

Рис. 5.8. Соединение нескольких вы­ходов с открытым коллектором

Второй тип ТТЛ-выхода — это так называемый выход с от­крытым коллектором. Как следует из названия, выход такого типа представляет собой коллектор транзистора (рис. 5.7). Для того чтобы обеспечить нормальную работу этого выхода, его необходимо соединить через резистор с положительным полюсом источника питания. Тогда если транзистор закрыва­ется с помощью внутренних управляющих цепей, то напряже­ние на выходе больше +2,4 В, что достаточно для создания стандартного высокого ТТЛ-уровня; если же транзистор откры­вается, то напряжение на выходе падает до стандартного низкого ТТЛ-уровня. При закрытом выходном транзисторе ток I¹_вых течет от положительного полюса источника питания через рези­стор R, при открытом транзисторе ток I⁰_вых течет через транзи­стор. Резистор R рассчитывается так, чтобы обеспечить необхо­димые значения токов I⁰_вых и I¹_вых.

В отличие от стандартных ТТЛ-выходов выходы с открытым коллектором можно соединять друг с другом (рис. 5.8). В этом случае высокий уровень напряжения поддерживается в точке соединения только тогда, когда закрыты транзисторы всех выходов, поэтому в этой точке реализуются логическая функ­ция И при позитивной логике и логическая функция ИЛИ при негативной логике. Такая схема часто называется "монтажное И" или "монтажное ИЛИ" в зависимости от используемой логики.

Третий тип ТТЛ-выходов - это выходы с тремя состояниями или, как их еще называют, выходы с третьим состоянием высо­кого сопротивления (или просто выходы с третьим состоя­нием). В отличие от нормальных ТТЛ-выходов оба выходных транзистора такого выхода с помощью внутренних управляю­щих цепей могут быть закрыты. В этом случае через них может протекать лишь небольшой ток утечки (обычно несколько мик­роампер) и говорят, что выходы находятся в отключенном со­стоянии или в состоянии высокого сопротивления. Для пере­вода выходов микросхемы в состояние высокого сопротивле­ния, как правило, имеется специальный управляющий вход, или если этот переход происходит вследствие каких-либо не­управляемых внутренних процессов, то имеется специальный выход, состояние которого показывает, переведены ли в со­стояние высокого сопротивления другие выходы. Выходы с третьим состоянием сконструированы специально для того, чтобы можно было подключать несколько выходов для управ­ления состоянием одной линии. Когда несколько выходов с третьим состоянием подключены к одной линии, то в опреде­ленный момент времени только один из них может управлять состоянием этой линии (т. е. создавать на ней уровень высо­кого или низкого напряжения). Остальные выходы должны находиться в состоянии высокого сопротивления. В этом со­стоянии они не создают дополнительную нагрузку на транзи­сторы работающего выхода. Естественно, что это требует спе­циальных электронных схем, которые управляют тем выхо­дом, который должен работать в какой-либо определенный момент времени.

Вывод микросхемы может быть входом или выходом и, кроме того, может совмещать эти функции. Это достигается путем объединения внутри микросхемы входов и выходов с тремя состояниями или открытым коллектором. Для управ­ления таким выводом у микросхемы имеется специальный вход, в зависимости от сигнала на котором вывод работает как ТТЛ-вход или как ТТЛ-выход в разные моменты време­ни. Ниже будут встречаться микросхемы со всеми разобран­ными типами выводов. Нормальные ТТЛ-входы и ТТЛ-выходы в дальнейшем будем называть просто входами и выходами, а во всех остальных случаях будем указывать определенный тип вывода.