книги из ГПНТБ / Скарлетт, Дж. Транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы и их применение

должны быть готовы к разочарованиям при ориентации на эти ти­ повые значения, однако в тех случаях, когда правила проектирова­ ния «на наихудший случай» оказываются чрезмерно жесткими, эти значения могут служить ориентиром.

9.1.1.Т ЕХ Н И ЧЕ СК И Е УСЛОВИЯ ИЗГОТОВИТЕЛЕЙ

Втабл. 9.1 приведена сокращенная сводка основных параметров, приводимых в технических условиях на ТТЛ ИС главными их изго­ товителями. Технические условия разных изготовителей сильно от­ личаются друг от друга. В них имеется некоторая путаница в на­ именованиях параметров и режимы проверки для определения ряда параметров у разных изготовителей различны.

Параметры ИС серии SUHL обычно приводятся при напряжении питания 5 В, тогда как в паспортных данных ИС серии 54/74 пара­ метры приводятся для минимально или максимально допустимых значений напряжения питания Vcc. Для ИС серии 54/74 обычно

определяется одно предельное значение каждого параметра для всего температурного диапазона, тогда как в технических условиях на ИС серии SUHL имеются три столбца параметров, по одному для каждой из предельных температур и один для температуры 25° С. В технических условиях на ИС серии 9000 приводятся вели­ чины параметров для трех температур в наихудшем с точки зрения напряжения питания Vcc режиме.

Обычно изготовители ТТЛ ИС копируют технические условия, составленные фирмой, которая первой выпустила соответствующую серию ИС, что наиболее очевидно на примере фирмы Transitron Electronic, технические условия на схемы серии HLTTL4 (серия 74) которой близки к принятым фирмой Texas Instruments, а не к техническим условиям на схемы серий HLTTL1 и 2 (разработанным для серий SUHL). Однако у схем одних и тех же серий, выпускаемых различными изготовителями, имеются различия, поэтому никогда нельзя заранее считать, что все их параметры будут одинаковыми.

Необходимо отметить, что приведенные в табл. 9.1 данные не всегда относятся ко всем вентилям соответствующей серии. Для наи­ более корректного сравнения вся информация, содержащаяся в этой таблице, была взята из справочных листков, обычно распространяе­ мых торговыми представителями, причем все данные по вентилям были взяты из технических условий на счетверенные двухвходовые вентили И—НЕ. Информация по буферным ИС и магистральным усилителям обычно бралась из технических условий на сдвоенные четырехвходовые ИС. Во всех случаях данные относятся к одному вентилю (т. е. ток I сс для счетверенной двухвходовой ИС будет вчетверо больше табличного значения). В некоторых сериях за­ держка у вентилей И — ИЛИ — НЕ на 1—2 нс больше, чем задерж­ ка у простых вентилей И — НЕ,

102 Глава 9

вентилей. Другие изготовители задают задержки tPHL и tPLH от­ дельно: 20 нс для вентилей И— НЕ, 22 нс для вентиля 4И—2ИЛИ— НЕ и 23 нс для вентилей ЗИ—ЗИЛИ—НЕ и 2И—4ИЛИ—НЕ, в ко­ торых дополнительная емкость внутренних соединений в коллек­ торном и эмиттерном узлах фазоразделительных транзисторов вы­ зывает снижение быстродействия. Для соответствующих «быстрых» вентилей все изготовители схем серии SUHL задают величины 10, 11 и 12 нс. Расширяемые восьмивходовые вентили И—НЕ разными изготовителями выполняются по-разному, поэтому для них сущест­ вуют два различных предельных значения, максимальное из кото­ рых для tPHL равно 28 нс, а для tPLH 20 нс.

Быстродействие элементов индикации и неинвертирующих вен­ тилей является средним между «быстрыми» и «медленными» вен­ тилями.

Для некоторых ИС серии 74 задается максимальная задержка при включении 15 нс и максимальная задержка при выключении 29 нс, однако в новых справочных листках для большинства этих схем приводится уменьшенная величина задержки при выключении, равная 22 нс. Минимальные значения задержек для схем серии 54/74 обычно не приводятся.

Для ИС серии 9000 существуют два предельных быстродействия: tpHL, равное 12 нс, и tPLH, равное 10 нс для военных схем, и 15 и 13 нс соответственно для гражданских схем (работающих в более узком температурном диапазоне). Для схем серии 9000 задаются также минимальные задержки tPHL и tPLH, равные 3 нс. Буферные ИС этой серии имеют задержку tPLH на 2—3 нс больше, чем вен­ тили.

Некоторые фирмы приводят в своих технических условиях ти­ повое быстродействие; минимальные задержки, как правило, не приводятся. Предельные значения времен нарастания и спада не задаются ни одним из изготовителей. Фирма Sylvania и ряд других фирм приводят длительности фронтов (измеренные между уровнями 1 и 2 В), составляющие до 8 нс для схем SUHL1 и до 4 нс для схем SUHL2, измеряемые при полной нагрузке на выходе.

Необходимо внимательно читать информационные листки, тех­ нические условия и т . п., так как способы определения времен на­ растания и спада могут для разных серий ИС не совпадать.

9.2.3.ТИПОВЫ Е З Н А Ч Е Н И Я

Измерения, выполненные приблизительно на 2000 вентилей всех серий, полученных от различных изготовителей, показали, что на практике различия в быстродействии между схемами различных се­ рий не столь значительны, как этого можно было ожидать из пре­ дельных паспортных значений.

Все ИС серии SUHL1 оказались существенно более быстродейст­ вующими, чем можно было ожидать из их технических условий. У ИС серии 54/74 запас по быстродействию оказался не столь зна­ чительным, поэтому, хотя «на бумаге» быстродействие этих двух серий весьма близко, на практике быстродействие схем серии SUHL1 заметно выше. Быстродействие ИС серии 9000 оказалосьчуть выше, чем схем серии SUHL1, однако их фронты оказались су­ щественно короче (что является недостатком с точки зрения пере­ крестных наводок).

Значительно меньшая разница в быстродействии была обнаруже­ на между схемами серий SUHL2 и 54Н/74Н (испытаниям подверглось всего несколько ИС 74Н), причем для обеих серий фактическое бы­ стродействие оказалось намного ближе к предельным паспортным значениям, чем для «стандартных» серий.

В настоящей книге во всех случаях логические ИС разделены на «медленные» и «быстрые» в зависимости от того, что включено в на­ грузочную цепь выходного каскада — диод или второй транзистор. Следовательно, хотя ИС серии 9000 по быстродействию ближе к ИС серии SUHL1, чем к SUHL2, они считаются «быстрыми».

Схемы серии 54L/74L можно считать «сверхмедленными», од­ нако они в данной книге сколько-нибудь подробно не рассматри­ ваются, так как для читателя, научившегося применять более бы­ стродействующие ИС, работа со схемами серии 74L проблем не вызывает.

Схемы серий 54S/74S и RAY3 также включены в категорию «быстрых», хотя они обладают значительно более высоким быстро­ действием, чем схемы серий 9000, 74Н и SUHL2. На практике при использовании этих схем могут понадобиться дополнительные меры по защите от паразитных колебаний и перекрестных наводок.

Выполненные испытания показали, что в общем случае для всех серий ТТЛ ИС воспроизводимость быстродействия от партии к пар­ тии очень высока, хотя в них были и «странные приборы», часть ко­ торых выходит за пределы паспортных границ. Эти дефектные ИС составляют незначительный процент общего числа испытанных.

Было обнаружено, что соседние вентили в многовентильных ИС обладают очень близким быстродействием, и некоторые изготови­ тели согласились на введение в составляемые заказчиком закупоч­ ные спецификации такого параметра, как предельная разница за­ держек различных вентилей в одном корпусе. Было отмечено, что в типовых сложных схемах, смонтированных на печатных платах размерами до 15 х 15 ем и содержащих 40—50 ИС в корпусах типа DIP, вентили работают с заметно более высоким быстродействием (для «медленных» вентилей задержка составляет около 80%, для «быстрых» — около 60%) по сравнению с условиями, принятыми для измерения быстродействия с встроенным эквивалентом нагрузки и испытательной колодкой для установки проверяемой схемы.

g 2 4 ОТНОШ ЕНИЕ ДЛИ ТЕЛЬНОС ТИ ФРОНТА К ЗА Д Е РЖ К Е ' ■ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Отношения tTHLltPHL и tTLH/tPLH не являются постоянными величинами, однако разброс их невелик, что позволяет сделать ряд общих выводов. Для «медленных» ИС оба эти отношения довольно близки к единице (лежат в пределах 0,63—1,78). Для «быстрых» ИС фронты существенно короче задержек и соответствующие отно­ шения равны около 0,6 для t THL/tPHL и 0,3 для tTLH/tPLH.

Времена спада у «медленных» ИС (по уровням 10—90%) оказа­ лись в общем случае равными 6—8 нс, времена нарастания несколько больше. Для ИС серии 74 времена нарастания обычно оказываются больше, чем для ИС серии SUHL1. У «быстрых» ИС длительности фронтов обычно лежит в пределах 1,8—4 нс.

9.2 .5 . ВЛИ Я Н И Е НЕЗА ДЕЙ СТВО В А Н Н Ы Х ВХОДОВ У В Е Н Т И Л Е Й И — НЕ

Задержка распространения вентиля зависит от характера вклю­ чения его входов. Каждый вход обладает емкостью относительно базы входного транзистора 7\, и если на входах поддерживается не­ которое постоянное напряжение, эта емкость замедляет в резуль­ тате переключение схемы. Наибольшее быстродействие вентиля, следовательно, достигается в том случае, когда все входы вентиля И или И — НЕ объединены и подключены к управляющему вен­ тилю.

При использовании многовходового вентиля И — НЕ в тех случаях, когда не все его входы требуются для выполнения за­ данной логической функции, незадействованные входы надо объе­ динять с тем входом, на который подается входной сигнал для пере­ ключения вентиля. Если вентиль включается сигналом по одному входу, а выключается сигналом по другому, подключение незадействованного входа определяется наиболее критичной из задержек t m L и tPLH. После определения схемы включения входов необхо­ димо проверить, не перегружен ли управляющий вентиль. Если незадействованный вход нельзя подключить ни к одному из других входов по нагрузочной способности, тогда этот вход для получения максимального быстродействия оставляется разомкнутым непо­ средственно у вывода корпуса. Испытания показали, что даже при очень крутых фронтах выходных сигналов «быстрых» ИС на такой разомкнутый вход не наведется помеха, способная переключить вентиль.

Иногда рекомендуется подключить незадействованные входы к шине питания. Это можно делать только при полной гарантии того, что напряжение питания никогда не превысит 5,5 В (что может вызвать повреждение входного транзистора). Имеются сообщения о многочисленных выходах из строя логических ИС, вызванных выбросами напряжения в цепи питания, попавшими на незадейст­ вованные входы.

В тех случаях, когда требуется зафиксировать на входе уровень логической 1, можно присоединить этот вход к шине питания через резистор с сопротивлением 1 кОм. Один такой резистор обеспечивает безопасное подключение 15 входов даже при наихудших параметрах схем. При практических испытаниях схем уровни логической 1 хорошо устанавливались и при разомкнутых входных цепях.

9.3. Нагрузочная способность

9.3 .1 . В В ЕД ЕН И Е

Коэффициент нагрузочной способности (коэффициент разветвле­ ния) ТТЛ-вентиля определяется отношением тока, который способ­ на обеспечить выходная схема для управления другими вентилями, к входному току управляемой схемы. При этом должны быть рас­ считаны требуемые токи как во включенном (уровень логического 0), так и в выключенном (уровень логической 1) состояниях.

Входные и выходные токи определяются в технических условиях как для уровня логического 0, так и для уровня логической 1. За­ пасы помехоустойчивости определяются относительно этих токов. Поэтому большой коэффициент разветвления может повлечь за со­ бой снижение запаса помехоустойчивости.

9.3.2.П А РА ЛЛЕЛЬН О Е СОЕДИ НЕНИЕ ВХОДОВ ОДНОГО ВЕНТИЛЯ

При объединении двух или более входов одного вентиля входной ток при уровне логического 0 не возрастает, а при уровне логической 1 входные токи утечки суммируются, поэтому управляющий вен­ тиль должен обеспечить максимальный паспортный ток утечки для каждого из входов, с которым он соединен. Если подключение незадействованных входов приводит к превышению допустимого коэффи­ циента разветвления, заданного для управляющего вентиля, то та­ кое превышение можно допустить при условии, что будет снижен запас помехоустойчивости по уровню 1 примерно на 0,01 В на каж­ дый дополнительный незадействованный вход. В табл. 9.3 показано, что многие ТТЛ-вентили различных серий имеют существенно более высокий коэффициент нагрузочной способности для выходного уровня логической 1, чем для уровня логического 0.

9.3.3. П Р Е Д Е Л Ь Н Ы Е ЗН А Ч Е Н И Я

Расчеты коэффициентов нагрузочной способности усложнены из-за наличия военных и гражданских технических условий и раз­ нообразия серий логических ИС, выпускаемых различными изго­ товителями. В табл. 9.2 приведены паспортные значения выходных и входных токов логических вентилей и магистральных усилите-