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

систему, она не всегда выдерживается до конца. Например, вентиль 9002 имеет два входа, вентиль 9003 — три, вентиль 9004 — четыре входа, а восьмивходовый вентиль имеет обозначение 9007. Некоторые изготовители варьируют последнюю цифру номера типа для введения различия между военными и гражданскими ИС. В схемах серии HLTTL для обозначения военных приборов используется нечетная последняя цифра, а в схемах серии SUITL — четная. В серии MTTL варьируется первая цифра, а гражданские ИС серии 74 имеют своим военным эквивалентом схемы серии 54.

Например, вентиль 9002 может быть заменен вентилем 7400 или МС 3000 (отличающимся от него только быстродействием), а в случае, когда рисунок печатной платы еще не зафиксирован, в равной сте­ пени можно использовать вентили SG 143, TNG 3414, МС 458, SG 223, МС1051 илиТИ03444. Можно также использовать военные модифи­ кации тех же ИС, что дает еще восемь возможных номеров, например МС 558, 5400, TNG 3444 и т. д., а также модификации с повы­ шенной нагрузочной способностью, имеющиеся в семи из перечис­ ленных серий (такие, как TNG 3412, МС 408). Добавим сюда схемы с измененными первыми буквами обозначения (например, RG 223) других изготовителей, принявших за основу систему нумерации одного из главных изготовителей, и станет очевидно, что использо­ вание нумерации типов ИС, введенной их изготовителями, не дает возможности избежать споров при обсуждении проблем проектиро­ вания радиоэлектронной аппаратуры с использованием различных серий.

8.1.3. УПРОЩ ЕННАЯ СИСТЕМА ЦИ Ф РО ВЫ Х О БО ЗН А Ч ЕН И Й

Автор разработал логическую систему цифровых обозначений типов ИС, которая позволяет разработчикам сформулировать номер типа ИС для любого вентиля в любом корпусе и перевести его в но­ мер типа ИС любого изготовителя для оформления заказов. Эта система была достаточно успешно использована в Отделении вычис­ лительных машин фирмы Marconi, а также в переписке с изготовите­ лями ТТЛ ИС.

8.1.3.1. Базовая система нумерации. В базовой системе исполь­ зуются три цифры. Первая цифра означает количество логически независимых схем, выполненных в корпусе ИС, вторая цифра озна­ чает минимальное число входов И и третья цифра означает число включенных по схеме ИЛИ фазоразделительных транзисторов или возможное число подобных транзисторов, подключаемых к расширительному входу по ИЛИ.

Таким образом, вентиль «четыре 2И — НЕ» будет просто обозна­ чен цифрой 420 и его уже нельзя будет спутать с вентилем «2И — 4ИЛИ — НЕ» (124) или вентилем «четыре 2ИЛИ — НЕ» (412).

Однако его все же можно спутать с вентилем «четыре 2И» (неинвер­ тирующим вентилем). Аналогично вентиль «два 4И — НЕ» ничем не отличается от сдвоенного четырехвходового буфера (который вы­ полняет логическую функцию И — НЕ). Это приводит к необходи­ мости введения четвертого символа в виде буквы, имеющей ясный смысл. Дальнейшая возможная путаница привела к введению пятого символа, также представляющего собой букву с очевидным смыслом.

В качестве четвертого символа используется буква S (slow) для вентилей с низким быстродействием, F (fast) — для вентилей с вы­ соким быстродействием, В (buffer) — для буферных ИС, N (non­ inverting) — для неинвертирующих вентилей, L (lamp) — для эле­ ментов индикации, Т (transient) — для вентилей с управляемым быстродействием, С (complementary) — для вентилей с прямым и инверсным выходами и Е (expandable) — для вентилей И — НЕ, расширяемых по И.

Пятый символ характеризует выходные характеристики схемы. Он представляет собой букву L (low) для вентилей с низкой нагру­ зочной способностью, Н (high) — для вентилей с высокой нагрузоч­ ной способностью и Е (expander) — для расширителей.

8.1.3.2. Триггеры и сложные функциональные схемы. Описанную выше простую кодировку типов вентилей нельзя непосредственно применить к триггерам и сложным функциональным схемам, однако для них можно разработать кодовые комбинации из пяти символов, определяющие их функциональное назначение. Для триг­ геров первая цифра означает количество схем в корпусе ИС, второй символ характеризует в обобщенном виде управляющие входные це­ пи триггера, а третий и четвертый символы обозначают тип триггера.

В сложных функциональных схемах или схемах со средней сте­ пенью интеграции (СИС) используется аналогичная система обозна­ чений, в которой первая цифра обозначает количество двоичных раз­ рядов. Второй символ определяет обобщенный тип ИС, а третий и четвертый более конкретно характеризуют особенности ее работы. Следовательно, 4А означает четырехразрядный сумматор (adder), 4ASC — четырехразрядный сумматор с последовательным переносом (serial carry) и 4АРС — четырехразрядный сумматор с параллель­ ным или сквозным переносом (parallel carry), 8RSP представляет собой восьмиразрядный регистр с параллельным выходом, a 4RSS — четырехразрядный сдвиговый регистр с последовательным выходом. У счетчиков (counters) последние два символа означают максималь­ ное подсчитываемое ими число, например 4С16 или 4С12 и т. д.

8.1.3.3.Префикс и суффикс в обозначениях. Пятизначное обоз­ начение типов ИС, описанное выше, характеризует все, что требуется знать разработчикам логических устройств и печатных плат. При этой классификации, однако, возможна путаница между военными

игражданскими ИС, а также нельзя различить схемы, имеющие раз­ личную разводку выводов (серии SUHL, 9000 или 74). Эти особен­ ности можно отразить с помощью суффикса и префикса в обозначе­ нии. В качестве суффикса используется буква М для военных (mili­ tary) и С для гражданских (commercial) ИС, в качестве префикса — буква S для схем с разводкой типа SUHL, цифра 7 для схем с раз­ водкой типа 74 и цифра 9 для схем с разводкой типа 9000.

8.1.3.4.Применение системы обозначений при автоматизирован­ ном способе проектирования аппаратуры. Одно из преимуществ предложенной упрощенной системы нумерации состоит в том, что ее можно использовать при автоматизированном проектировании логических схем и печатных плат. Если при этом не применяется хранимое в памяти ЭВМ некоторое «правило перевода», то использо­ вание вентилей не будет полностью эффективным с точки зрения

логики, так как некоторые более сложные вентили имеют неодина­ ковое количество входов И в каждой из своих частей (подразд. 8.2.2).

При использовании системы машинного проектирования можно применять «вымышленные» номера для типов ИС, например 190 или 144, и все это заложить в память ЭВМ для определения типа вентиля и необходимости применения расширителей. С помощью ЭВМ можно также определить, какие потребуются ИС по нагрузочной способ­ ности и быстродействию.

8.2. Типы вентилей

8.2.1. ВЕНТИЛИ И — НЕ

Двухвходовый вентиль И — НЕ (фиг. 8.1) представляет собой наиболее широко используемый тип вентиля, и все изготовители ТТЛ ИС включают его в свою номенклатуру. Четыре таких вентиля размещаются в стандартных с 14 выводами корпусах типа DIP или плоском корпусе. При этом получается вентиль типа «четыре 2И — НЕ» или 420. Все главные серии содержат также вентили «три ЗИ — НЕ», «два 4И — НЕ» и «один 8И — НЕ» (330, 240, 180).

Шесть инверторов в корпусе (610), выпускаемых большинством (если не всеми) изготовителями, могут быть включены в совокупность вентилей И — НЕ, хотя они и не выполняют никакой логической функции.

Единственный вариант вентиля, который выпускается не всеми изготовителями,— это восьмивходовый вентиль 8И — НЕ с расши­ рением по И. Возможность увеличить количество входов у одиноч­ ного вентиля И — НЕ до 12, 16 и даже больше может оказаться

очень полезной, так как в случае, когда отсутствует возможность расширения, можно лишь сочетать вентили И — НЕ с неинверти­ рующими вентилями И для того, чтобы уменьшить количество вхо­ дов у логического элемента И — НЕ до восьми. Если вентилей типа И в распоряжении нет, то единственный выход (помимо расширения

Ф и г . 8.1. Типы вентилей И — НЕ.

вентиля 180) для выполнения требуемой логической операции за­ ключается в использовании трехкаскадной цепочки из пары венти­ лей 180, каждый из которых подключен к отдельному инвертору, а выходы инверторов в свою очередь подключены к следующему вентилю И — НЕ. Такой способ может оказаться дорогим с точки зрения как количества корпусов ИС, так и времени задержки.

8.2.2. в е н т и л и и —или —н е

Наличие активных (тянущих) выходных схем [транзистор Т3 (или диодОз) и транзистор T J в обычных ТТЛ-вентилях исключает возможность их объединения по схеме «монтажное ИЛИ», т. е. воз­ можность выполнения логической функции ИЛИ с помощью непо­ средственного объединения выходов вентилей. Это означает, что для снижения количества используемых корпусов ИС и уменьшения задержек до приемлемых пределов изготовители ТТЛ ИС должны выпускать вентили с внутренней функцией ИЛИ (подразд. 3.1.2).

Именно в выборе типов вентилей И — ИЛИ — НЕ в разных се­ риях ТТЛ ИС впервые проявляется их различие, которое может повлиять на выбор предполагаемого заказчика. В момент написания книги общих для всех серий ТТЛ ИС вентилей И — ИЛИ — НЕ не было. Наиболее общим в этом смысле был вентиль «два 2И — 2ИЛИ — НЕ» (222). Для этого типа вентиля требуется 12 выводов корпуса (восемь для входов, два для выходов, по одному для питания и зем­ ли). Разводка остальных двух выводов отличает вентили серии

Ф и г . 8.2. Наиболее общие типы вентилей И — ИЛИ — НЕ.

HLTTL1 и 2 фирмы Transitron и RAY2 фирмы Raytheon от вентилей других изготовителей. В схемах первых двух фирм каждый из двух «свободных» выводов используется в качестве третьего входа одной из входных схем И в каждой из половин ИС, что позволяет выполнять

функцию S = A - B+C-D • Е. Другие изготовители используют «сво­ бодные» выводы ИС в качестве выводов для расширения по ИЛИ для одного из двух вентилей (фиг. 8.2) или оставляют их незадействованными.

Во всех сериях, кроме MTTL3, в качестве вентиля И — ИЛИ — НЕ используется вентиль 2И — 4ИЛИ — НЕ (124). Для основного варианта вентиля 124 требуется всего 11 выводов корпуса (восемь входов, один выход, питание и земля), а большинство изготовителей используют еще два вывода для расширения по ИЛИ и последний вывод для дополнительного входа И; в результате такой ИС выпол­

няется логическая функция S = A ■B+C-D+E-F+G -Н ■JA-..-

(фиг. 8.2).

Вариант вентиля 124 в серии 54/74 содержит два дополнительных входа (по одному в каждой из функций И) и один незадействованный вывод корпуса. Некоторые фирмы выпускают вентили 222 и 124 как с расширением по ИЛИ, так и без него.

Основными «строительными блоками» в любой ТТЛ-системе (почти независимо от используемой серии) являются вентили 610,

420, 330, 240, 180, 222 и 124. Все остальные типы, упомянутые

вданной главе, являются «специальными» и входят в состав только некоторых серий. Наибольшая номенклатура типов вентилей имеется

всериях SUHL, HLTTL и MTTL.

Внекоторых сериях в качестве вентилей И — ИЛИ — НЕ ис­ пользуются вентили ЗИ — ЗИЛИ — НЕ (133) и 4И — 2ИЛИ — НЕ (142), причем оба они обычно допускают расширение по ИЛИ.

142

g s >

В * >

222 (т олько в сериях HLTTL и НАУ?.)

Ф и г . 8.3. Другие существующие типы вентилей И — ИЛИ — НЕ.

Существует также вентиль «исключенное ИЛИ с дополнением». Основная логическая функция такого вентиля представляет собой два трехвходовых вентиля И, объединенных по схеме ИЛИ, инвер­ тированный выходной сигнал которой обычно подается на один из входов выполненного в том же корпусе трехвходового вентиля И — НЕ, с которого снимается также дополнительный выходной сигнал. В соответствии с упрощенной системой цифровых обозначений такой вентиль обозначается 132С (фиг. 8.3).

ИС, которая также может быть отнесена к классу вентилей И — ИЛИ —НЕ, представляет собой вентиль «четыре 2ИЛИ — НЕ» (412). Этот вентиль относится к типу И — ИЛИ — НЕ с одноэмиттерными транзисторами 7 \ в каждой из схем И.

При применении вентилей И — ИЛИ — НЕ может оказаться, что либо невозможно, либо не нужно использовать все входные вен­

тили И, входящие в состав ИС. Типичным примером является быст­ родействующее арифметическое устройство, в котором требуются одно-, двух-, трех- и четырехвходовая схемы И, объединенные по схеме ИЛИ. Такое устройство может быть реализовано с помощью ИС 124 (с одним трехвходовым вентилем) и половины ИС раширителя 241. Следовательно, один вентиль И в схеме 124 будет иметь сое­ диненные вместе входы, реализующие одновходовую функцию И, а один вентиль И останется незадействованным. При этом хотя бы один из входов этого незадействованного вентиля должен быть за­ землен. Если его входы оставить свободными, то на выходе схемы И установится логическая 1 и будет блокироваться выполнение операции ИЛИ.

8.2.3.ВЕНТИЛИ И (НЕИНВ ЕРТИРУЮ Щ ИЕ ВЕНТИЛИ)

Неинвертирующие вентили выпускаются только некоторыми из­ готовителями ТТЛ ИС. Наиболее распространенной ИС является вентиль «два 4И» с расширением по ИЛИ (241N). В число других выпускаемых типов входят вентили «четыре 2И» (420N), «два 4И с управляемым быстродействием» (240Т), «два ЗИ с расширением по ИЛИ и управляемым быстродействием» (231Т), «два 2И — 2ИЛИ с расширением по ИЛИ» (222N) и «четыре 2ИЛИ» (412N).

8.2.4.РАСШ ИРИТЕЛИ

8.2.4Л. Расширители по И. Существует только один ТТЛ-рас- ширитель по И — вентиль «два 4И» (240хЕ), применяемый совместно

срасширяемыми восьмивходовыми вентилями И — НЕ.

8.2.4.2.Расширители по ИЛИ. В некоторых сериях ТТЛ ИС имеются два расширителя по ИЛИ, применяемых совместно с венти­ лями И — ИЛИ — НЕ: расширитель «два 4И» с раздельными выходами (241 хЕ) и расширитель «2И — 4ИЛИ» с одним логическим

выходом (124хЕ). Последний расширитель содержит два двухвходо­ вых и два трехвходовых вентиля И.

8.2.4.3. Расширители для неинвертирующих вентилей. Наиболее распространенным расширителем по ИЛИ для неинвертирующих вентилей является расширитель «два 2И — 2ИЛИ» (222NE), содер­ жащий в каждой из половин по одному двухвходовому и одному трехвходовому вентилю И, которые объединены в схему ИЛИ. Име­

(132NE), который, как следует из наименования, содержит восьми­ входовый вентиль И, объединенный по схеме ИЛИ с трехвходовым вентилем И.

8.2.5.Б У Ф Е Р Н Ы Е ИС, ЭЛЕМ ЕНТЫ ИНДИКАЦИИ И ДРУГИ Е ТИПЫ ИС

Наиболее распространенной буферной ТТЛ ИС является схема «два 4И — НЕ» (240В), однако некоторые изготовители выпускают также схемы «четыре 2И — НЕ». Некоторые изготовители выпускают аналогичные этим схемам элементы индикации. Ряд изготовителей выпускают вентили «четыре 2И — НЕ» без нагрузочного резистора в выходном каскаде, которые могут быть благодаря этому включены по схеме «монтажное ИЛИ». Другие ИС, такие, как «формирователи импульсов» или «элементы задержки», также выпускаются рядом изготовителей и включены в их каталоги. Эти схемы считаются спе­ циальными и в настоящей книге не рассматриваются.

9

Основные параметры ТТЛ-вентилей

9.1. Введение

Основными параметрами любых логических ИС являются бы­ стродействие, нагрузочная способность, помехоустойчивость и рассеиваемая мощность. Для ТТЛ ИС все эти параметры взаимосвя­ заны. Быстродействие зависит от характера включения вентиля; помехоустойчивость базируется на произвольно выбранных уров­ нях напряжения, от которых отсчитывается номинальный запас по­ мехоустойчивости, а нагрузочная способность определяется отно­ сительно этих произвольно выбранных уровней напряжения.

Изменения напряжения питания, температуры и т. д. могут ока­ зывать влияние на указанные параметры. Так как и в данном случае все эффекты, обусловленные изменением режима работы, взаимо­ связаны, то в данной главе будут рассмотрены основные параметры ИС при нормальных условиях, а в гл. 10 — зависимости этих па­ раметров от режима работы ИС. Разделы гл. 10 пронумерованы в соответствии с разделами гл. 9, например в разд. 10.2 рассмотрено влияние режимов на быстродействие. Подразд. 10.4.3 отсутствует вообще (зависимость нагрузочной способности от нагрузки), а ма­ териал подразд. 10.4.4 (зависимость помехоустойчивости от нагру­ зочной способности) рассмотрен в разд. 9.3.

Можно сформулировать «правила», гарантирующие, что во всех разрабатываемых устройствах будут выдержаны выбранные запа­ сы помехоустойчивости, в печатных платах перекрестные наводки и паразитные колебания не смогут вызывать ложных срабатываний ИС, а вентили будут работать с максимально возможным быстро­ действием. Такие правила проектирования «на наихудший случай» могут оказаться неприемлемыми для практического экономичного конструирования, поэтому разработчик должен сам решить, руко­ водствоваться ли ему этими правилами, возможно, с ущербом для экономичности разработки или допустить некоторое снижение бы­ стродействия или помехоустойчивости для получения требуемой нагрузочной способности. В каждом разделе настоящей главы сна­ чала рассматриваются предельные значения параметров, приведен­ ные в технических условиях; после этого обсуждаются их типовые значения, полученные в результате испытаний ИС. Разработчики