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

17

Практические рекомендации по применению ТТЛ ИС

17.1.Источник питания

17.1.1. НОРМ АЛЬНЫ Е П Р Е Д Е Л Ы

Номинальное напряжение питания ТТЛ ИС равно + 5 В. Обычно надежная работа военных ИС гарантируется при напряжениях пи­ тания от 4,5 до 5,5, В, а надежная работа гражданских ИС — при на­ пряжениях от 4,75 до 5,25 В. На самом деле все испытанные автором схемы надежно работали при значительно больших допусках на напряжения питания. Изменения напряжения питания не влияют на входной порог переключения, однако выходной уровнь логи­ ческой 1 линейно зависит от напряжения питания.

В технических условиях на некоторые ТТЛ ИС указано, что они могут выдержать напряжение питания до 12 В в течение 1 с, но лишь в том случае, когда к выходу подвергаемой подобной пере­ грузке схемы не подключены другие ИС. В случае каскадного включения двух и более вентилей это максимально допустимое напряжение питания должно быть ограничено величиной ниже 7 В, так как в противном случае на вход следующего вентиля в цепочке может попасть высокое выходное напряжение, превышающее 5,5 В. Собранная автором экспериментальная система дважды работала в течение нескольких часов при напряжении питания примерно 7,5 В, однако подобных ситуаций рекомендуется избегать.

Если подавать на схему отрицательное относительно земли на­ пряжение питания, то при напряжениях ниже —3 В в ней будут протекать чрезмерные токи. Если случайно перепутать шины пи­ тания и земли при подключении их к печатной плате, то возможно как повреждение, так и полный выход из строя смонтированных на этой плате ИС.

17.1.2.РАБОТА СХЕМ ПРИ ВК Л Ю Ч ЕН И И И В Ы К Л Ю Ч Е Н И И ПИТАНИЯ

При подаче на вход или выход вентиля с отключенным питанием напряжения до 5 В в соответствующей цепи будет протекать лишь небольшой ток (менее 50 мкА). Повышение этого напряжения пи­ тания до 5,7 В может вызвать пробой в выходном или входном каскаде. (Необходимо помнить, что напряжение на выход вентиля.,

250 Глава 17

который может находиться во включенном состоянии, можно пода­ вать только через включенный последовательно с источником ре­ зистор, сопротивление которого достаточно для ограничения втекающего в выходную цепь включенного вентиля тока на уровне менее 20 мА.)

При возрастании напряжения питания от 0 до 5 В выходное напряжение вентиля с разомкнутыми входными цепями и выходом, подключенным к входу работающего в нормальном режиме вен­ тиля, снижается до нормального уровня логического 0, когда напряжение питания достигает примерно 2,5 В. Выходное нап­ ряжение вентиля с заземленными входами, нагруженного на

пока напряжение питания не достигнет примерно 3 В, после чего оно начинает возрастать, отставая от напряжения питания при­ мерно на 1,5 В, вплоть до достижения нормального уровня логи­ ческой 1. Ни при включении, ни при выключении питания в выход- I ную цепь вентиля с заземленными входами ток не втекает. Однако если нарастание напряжения питания происходит немонотонно, то при напряжении около 2,5 В в выходной цепи вентиля с логи­ ческой 1 на всех входах или с разомкнутыми входами могут наб­

людаться скачки втекающего тока (подразд. 9.5.3).

'Ч' Если для какого-либо блока электронного устройства необхо­ димо предусмотреть отключение питания без выключения осталь­ ной части устройства, то все логические ИС, стоящие на выходах этого блока, перед отключением питания должны быть приведены в состояние с логической 1 на выходе. В этом случае выключение питания блока никак не повлияет на функционирование осталь­ ной части устройства.

17.2. Коммутация выходных цепей ТТЛ-вентилей

17.2.1. О Б Ъ Е Д И Н Е Н И Е ВЫХОДОВ ВЕНТИЛЕЙ

Выходные цепи стандартных ТТЛ-вентилей нельзя объединять по схеме «монтажное ИЛИ», так как при наличии одного включен­ ного и одного выключенного вентиля из выходной цепи последнего будет вытекать ток, почти равный его току короткого замыкания по выходу, и выходное напряжение включенного вентиля возрастет вследствие чрезмерно большого втекающего тока, который может вывести вентиль из насыщения. В результате возрастет рассеи­ ваемая обоими вентилями мощность и уменьшится запас поме­ хоустойчивости по уровню логического 0. Выпускаются ТТЛ ИС с выходными каскадами с разомкнутым коллектором и ИС с выход­ ными каскадами на три состояния, выходы которых в случае необ­

в этом случае необходимо иметь в виду, что при таком способе соединения почти невозможно выявить неисправный вентиль, так как замыкание одного из выходов на землю или ложный выходной уровень логического 0 в любом из подключенных к общему выход­ ному узлу вентилей приведет к фиксации этого уровня на выхо­ дах всех остальных вентилей.

17.2.2.П А РА Л Л Е Л ЬН О Е В К Л Ю Ч ЕН И Е ВЕНТИЛЕЙ Д Л Я ПОВЫШ ЕНИЯ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ

Втех случаях когда требуется обеспечить нагрузочную способ­ ность, превышающую возможности одиночного вентиля, необ­ ходимо использовать сдвоенный управляющий вентиль или при­ менять магистральный усилитель или буфер. Все выпускаемые магистральные усилители представляют собой вентили типа И — НЕ, поэтому для получения любых других логических функций необходимо применять сдвоенные вентили. При этом рекомендует­ ся делить полную нагрузку между обоими вентилями по возмож­ ности поровну и обеспечивать независимое подключение каждого из них к своей группе нагрузок. Это может вызывать рассогла­ сование сигналов по времени, а также неприемлемое увеличение количества контактов в разъемах. Если нельзя допустить рассо­

гласования по времени или увеличения контактов, выходы управ­ ляющих вентилей можно объединить при условии объединения и их соответствующих входов. Такое параллельное включение двух управляющих ИС гарантирует одновременное формирование сиг­ налов, но часто приводит к возрастанию длительности выброса тока питания при переключении этих вентилей из-за различия величин задержек. Потребитель сам должен решить, устраивает ли его больше возрастание выброса тока как по амплитуде, так и по длительности, или временное рассогласование выходных сиг­ налов вентилей, которое обычно составляет менее 4—5 нс даже в тех случаях, когда не приняты специальные меры, например под­ бор ИС с близкими параметрами.

Такое распределение больших нагрузок между двумя независи­ мыми узлами снижает токи в линиях и одновременно облегчает поиск неисправностей. Если распределение управляемых ИС между двумя управляющими вентилями осуществляется в процессе конструирования печатной платы, то упрощается и картина межсоединений. В этом случае конструктору платы можно дать список всех управляемых ИС и указание разделить их на две группы таким образом, чтобы минимизировать общую длину

печатных проводников и обеспечить одинаковую нагрузку для каждого из управляющих вентилей.

17.2.3. З А К О Р А Ч И В А Н И Е В Х О Д О В И В Ы Х О Д О В ВО В Р Е М Я

ИС П Ы Т А Н И Й

Впроцессе эксплуатации или контроля плат для проверки функционирования какой-либо части схемы может возникнуть необходимость заземлить входы инвертирующих вентилей для установки на их выходах уровней логической 1. При использовании неинвертирующих вентилей для установки на выходе логического

Онеобходимо заземлить один из входов. Можно заземлить любую точку в середине схемы, что обеспечит переход выходных сигналов всех подключенных к ней вентилей в заданное состояние. Как показано в подразд. 4.2.2, если вентиль, выход которого подключен

кзаземляемому узлу, находится в состоянии логической 1 на выходе, то из его выходной цепи потечет ток короткого замыкания,

врезультате чего рассеиваемая вентилем мощность возрастет до

100—400 мВт.

Если в процессе испытаний приходится заземлять сразу нес­ колько узлов, то необходимо сделать так, чтобы в каждой ИС на

испытуемой плате в режиме короткого замыкания работало не более одного вентиля.

Для установки на выходе инвертирующего вентиля уровня ло­

ние входной цепи также обеспечивает отсутствие вытекающего через

ду у всех тех вентилей, выходными сигналами которых управляет­ ся вентиль, подключенный выходом к данному узлу.

При испытаниях платы может оказаться, что от разъема, в ко­ торый монтируется плата, к входу вентиля идет длинный про­ водник и для правильной работы схемы на этом проводнике должен быть установлен уровень логической 1. Если конец этого проводника, находящийся около разъема, оставить «плавающим», то на него могут наводиться значительные помехи, способные нарушить работу схемы, поэтому необходимо подключать этот проводник к низкоимпедансному источнику постоянного на­ пряжения. Для этого лучше использовать не общий источник пита­ ния с напряжением 5 В, а независимый источник с напряжением 4,5 В, так как в цепи питания (5 В) могут происходить различные выбросы напряжения,

Когда на печатной плате, уже бывшей в эксплуатации, обнару­ живается неисправность, можно предположить, что она вызвана выходом из строя одной из интегральных схем. Перед тем как за­ менить неисправную ИС на плате, рекомендуется убедиться, что неисправна действительно ИС и что отказ не вызван некачествен­ ной пайкой или разрушенным под влиянием внешнего воздействия сквозным металлизированным отверстием. Другой возможной при­ чиной отказа может быть короткое замыкание, вызванное «усом» при золочении или свинцово-оловянном покрытии проводников платы. На качественно выполненных платах подобных «усов» не бывает, так как при покрытии печатных проводников свинцово-оловянным при­ поем на заключительной операции обработки их погружают в го­ рячее масло, устраняющее всякий риск появления «усов». Но если такие «усы» все-таки появляются, то вызванные ими дефекты очень трудно выявить, так как короткие замыкания могут происходить не только между соседними проводниками и обычные процедуры поиска логических неисправностей ИС не всегда позволяют их найти.

17.2.4.1. Неисправности типа обрывов. Обрывы во входных це­ пях ИС обнаружить легко — выходной сигнал вентиля при этом не будет соответствовать входным или в случае триггерной ИС или СИС не будет выполняться таблица истинности. Однако при обрыве в выходной цепи вентиля напряжение в соответствующем узле будет либо равно уровню логического 0, либо находиться в проме­ жутке между 1 и 2 В за счет влияния входных каскадов вентилей, управляемых этим узлом, и может даже создаться иллюзия почти своевременного правильного переключения этого вентиля, если при этом происходит переключение других входов вентилей, управ­ ляемых этим узлом. Простейший способ разрешения любых сомне­ ний в подобных случаях состоит в подключении этого узла к земле и затем к шине питания через резистор с сопротивлением около

220 Ом.

Если в выходном каскаде вентиля имеется обрыв, то на­ пряжение в выходном узле не будет соответствовать правильным выходным характеристикам.

17.2.4.2. Неисправности типа коротких замыканий. Неисправ­ ности подобного рода могут возникать в тех узлах схемы, ко­ торые окажутся закороченными на землю или шину питания. В таких случаях невозможно определить, произошло ли замыкание в схеме, управляющей этим узлом, или в одной из управляемых схем.

Возможными причинами таких неисправностей бывают каса­ ние соединительных проводников внутри корпуса ИС земляного

25 4 Глава 17

проводника или проводника питания вблизи кристалла, или необратимые пробои полупроводниковых компонентов на данном

нием подключить к источнику с напряжением 4,5 В; в последнем случае следует предварительно заземлить один из входов вентиля, выход которого подключен к этому узлу, или в случае СИС пере­ вести ее в такое состояние, в котором на данном выходе должна быть установлена логическая 1. При таком включении на закороченный внутри корпуса алюминиевый или золотой проводник диаметром 0,032 мм подается напряжение 4,5 или 5 В, что почти наверняка вызовет его расплавление. В результате вместо короткого замыка­ ния возникнет обрыв, который легко обнаружить. Если искомое короткое замыкание представляло собой замыкание на шину 5В в управляемой ИС, то в результате подобной процедуры может выйти из строя выходной каскад вентиля, подключенного к де­ фектному узлу. Это можно обнаружить с помощью замены управ­ ляемого прибора с созданным в нем внутренним обрывом; после этого сначала следует проверить, что все управляемые ИС пра­ вильно работают при заземлении исследуемого узла, затем про­ верить работу ИС, управляющей этим узлом.

17.2.4.3. Старение ИС. Уходы параметров ИС можно обнару­ жить, если поочередно включать два резистора с различными соп­ ротивлениями между выходом и землей и шиной питания соответст­ венно. Подключение резисторов с сопротивлением 220 и 100 Ом мо­ жет показать, какая из выходных характеристик (соответствующая высокому или низкому уровню) является нормальной. Существуют различные подключаемые испытательные устройства, измерительные головки которых «надеваются» на корпуса типа DIP. Эти головки контактируют с выводами корпусов в местах их изгиба и либо поз­ воляют измерить логические уровни на этих выводах, либо (в более сложных программируемых установках) провести испытания типа «годен — негоден». С помощью одной из таких установок или с по­ мощью нескольких резисторов и закорачивающих перемычек (вместе с измерительным прибором, осциллографом или другим стандартным испытательным устройством) можно выявить неисправ­ ные ТТЛ ИС на плате без нарушения каких-либо соединений (за

Одним из преимуществ такой «проверки на плате» является исключение всяких сомнений в том, что выявленная в ИС неисп­ равность действительно является источником неисправности схе­ мы, собранной на плате, а не внесена при демонтаже «подозри­

тельной» ИС. Опыт автора показал, что подобная «проверка на плате» не только позволяет выявить неисправную ИС, но и вы­ явить причины этой неисправности.

ТТЛ ИС применяются сравнительно недавно, поэтому не нако­ плено достаточной информации для определения максимального срока их службы. Большинство обнаруженных неисправностей представляет «ранние отказы», которые можно практически исклю­ чить с помощью тренировки ИС, или отказы, вызванные внешними воздействиями типа выбросов напряжения питания или случайных замыканий выходов с уровнем логического 0 на шины с высоким напряжением.

17.3.Согласование линий передачи

Внекоторых случаях может возникнуть ситуация, когда потре­ буется управлять с помощью ТТЛ ИС длинными линиями: при этом наличие помех и отражения в линии будут создавать серьезные ограничения. Как показано в гл. 14, паразитные колебания в ли­ нии можно устранить, нагрузив ее на сопротивление, равное вол­ новому сопротивлению линии. Если на выходном конце линии используется последовательно включенный согласующий резистор, то запасы помехоустойчивости по напряжению снижаются вследст­

жет быть даже меньше, чем у линии без согласующего резистора.

жения в конце линии, возникающие во время включения, но не устранит неопределенность во времени переключения вентиля, работающего на линию (подразд. 14.3.2).

17.3.1. П А Р А Л Л Е Л Ь Н О Е С О ГЛ А С О В А Н И Е

Согласование при помощи параллельного включения резистора требует, чтобы ИС, работающая на линию, обеспечивала как ста­ тический ток, так и нормальный нагрузочный ток для ИС, подклю­ ченных к линии. Ни одна ТТЛ ИС не в состоянии обеспечить на выходе уровень логической 1 при подключении на землю резистора 100 Ом и ни один стандартный вентиль или триггер не в состоя­ нии обеспечить в режиме с логическим 0 на выходе втекающий вы­ ходной ток 50 мА в случае подключения такого резистора к ши­ не питания с напряжением 5 В.

Поэтому необходимо использовать более сложные согласую­ щие схемы. Требования к такой схеме заключаются в следую­ щем: она должна обеспечивать выходное напряжение линии, нахо­ дящееся за пределами нормальных уровней логических 1 и 0;

256 Глава i f

при переключении линии в состояние логического 0 выходной втекающий ток вентиля-источника не должен превышать 40 мА, если сигнал формируется магистральным усилителем или буфе­ ром (для обычного вентиля этот ток должен составлять около 13 мА), а при переключении линии в состояние логической 1 выход­ ной вытекающий ток вентиля-источника не должен превышать 1 мА. Третье требование можно выполнить, если собственное выходное напряжение согласующей схемы будет превышать нор­ мальный для ТТЛ ИС уровень логической 1, т. е. будет выше

3,5 В.

Этим требованиям удовлетворяет согласующая схема, содержа­ щая подключенный нижним концом к земле резистор 470 Ом и подключенный верхним концом к шине питания резистор 120 или 150 Ом. При подключении резистора 120 Ом средний импеданс схе­ мы составляет чуть больше 95 Ом, при резисторе 150 Ом средний импеданс будет 112 Ом. Ни один из этих вариантов не обеспечи­ вает идеального согласования с 100-омной линией, но необходимо иметь в виду, что обычная нагрузка из входов ИС на конце линии включается параллельно согласующей схеме. Кроме того, исполь­ зование резистора 150 Ом в верхнем плече согласующей схемы обеспечивает уменьшение тока, втекающего в выходную цепь управляющего элемента в состоянии логического 0, и, следова­ тельно, более высокую нагрузочную способность на выходе ли­ нии.

При напряжении в линии, равном 0,4 В, максимальном (5,5 В) напряжении питания и наихудшем (5%-ном) уходе номиналов резисторов к концу их срока службы втекающий выходной ток вентиля будет составлять 35 мА. При этом коэффициент разветвле­ ния для управляющего буферного вентиля серии 74, работающего, на вентили серии 1, будет равен 8.

обычными ТТЛ-вентилями, не оказывает заметного влияния на паразитные колебания в них. Это влияние в целом аналогично подключению к линии нагрузки из входов ИС, соответствующей

желательно.

Для регистра с двусторонним сдвигом или для пары регистров, которые должны обмениваться информацией на одном фронте так­ тового импульса, такого простого решения этой проблемы не су­ ществует. В таких регистрах иногда используются двухступенча­ тые триггеры, в которых перенос информации осуществляется в два этапа, что исключает все опасности, связанные с временным рассог­ ласованием сигналов. Однако в ряде случаев могут быть другие кон­ структивные соображения, диктующие необходимость применения схем, переключаемых на одном из фронтов тактового импульса, например триггеров D -типа. В этом случае проблемы, связанные с рассогласованием сигналов, необходимо решить. Большинство специалистов предпочитают разрабатывать свои собственные мето­ ды их решения. Метод автора заключается в том, чтобы ограни­ чить количество ИС, управляемых от каждой шины синхрониза­ ции таким образом, чтобы на каждую такую шину мог работать обычный ТТЛ-вентиль, и расположить этот вентиль в середине ряда управляемых им ИС. В результате каждый усилитель синхроим­ пульсов работает на две линии синхронизации, включенные параллельно. Сдвиговый регистр может быть смонтирован на пла­ те в виде двух соседних рядов ИС и для его синхронизации мож­ но использовать два вентиля одной ИС, причем и в этом случае их следует устанавливать в середине линий синхронизации.

Подобный способ работы на линию синхронизации противоречит содержащейся в йодразд. 18.2.2.3 рекомендации избегать одновре­ менного переключения вентилей, установленных в одном корпусе, и, кроме того, как показано в подразд. 16.1.2, управление линией в центральной ее части может вызывать в ней скачки напряжения. Однако подобные «половинки» линий оказываются достаточно ко­ роткими, и в тех случаях, когда временное рассогласование сигна­ лов нежелательно, наилучший практический компромисс заклю­ чается в использовании импульсов с несколько более пологими фронтами, которые поступают практически одновременно. Удвоен­ ная величина выброса тока питания, вызванная одновременным переключением сдвоенных вентилей-усилителей синхронизации, не создавала никаких проблем, причем это можно объяснить тем, что ИС, на которые подается в данном случае сигнал синхрониза­ ции, имеют большие емкости между выводами питания и земли и подавляют эти выбросы значительно эффективнее, чем обычные вентильные ИС (разд. 16.2).

В тех случаях когда необходимо синхронизировать большее ко­ личество ИС, чем можно сделать с одного корпуса ИС, в сигналь­ ных линиях между блоками ИС должны быть предусмотрены за­ держки. Для создания таких задержек можно использовать один инвертирующий вентиль серии 2; при этом для сохранения пра-