Применение логических элементов
Изучение базовых элементов цифровой электроники начнем с наиболее простых элементов, а затем будем рассматривать все более сложные. Примеры применения каждого следующего элемента будут опираться на все элементы, рассмотренные ранее. Таким образом будут постепенно даны главные принципы построения довольно сложных цифровых устройств.
Логические элементы (или, как их еще называют, вентили, gates) — это наиболее простые цифровые микросхемы. Именно в этой простоте и состоит их отличие от других микросхем. Как правило, в одном корпусе микросхемы может располагаться от одного до шести одинаковых логических элементов. Иногда в одном корпусе могут располагаться и разные логические элементы.
Обычно каждый логический элемент имеет несколько входов (от одного до двенадцати) и один выход. При этом связь между выходным сигналом и входными сигналами (таблица истинности) предельно проста. Каждой комбинации входных сигналов элемента соответствует уровень нуля или единицы на его выходе. Никакой внутренней памяти у логических элементов нет, поэтому они относятся к группе так называемых комбинационных микросхем. Но в отличие от более сложных комбинационных микросхем, рассматриваемых в следующей главе, логические элементы имеют входы, которые не могут быть разделены на группы, различающиеся по выполняемым ими функциям.
Главные достоинства логических элементов по сравнению с другими цифровыми микросхемами — это их высокое быстродействие (малые времена задержек), а также малая потребляемая мощность (малый ток потребления). Поэтому в тех случаях, когда требуемую функцию можно реализовать исключительно на логических элементах, всегда имеет смысл проанализировать этот вариант. Недостаток логических элементов состоит в том, что на их основе довольно трудно реализовать сколько-нибудь сложные функции. Поэтому чаще всего логические элементы используются только в качестве дополнения к более сложным, к более «умным» микросхемам. И любой разработчик обычно стремится использовать их как можно меньше и как можно реже. Существует даже мнение, что мастерство разработчика обратно пропорционально количеству используемых им логических элементов. Однако это мнение верно далеко не всегда.
2.1. Инверторы
Самый простой логический элемент — это инвертор (логический элемент НЕ, inverter), уже упоминавшийся в первой главе. Инвертор выполняет простейшую логическую функцию — инвертирование, то есть изменение уровня входного сигнала на противоположный. Инвертор имеет всего один вход и один выход. Выход инвертора может быть типа 2С или типа ОК. На рис. 2.1. показаны условные обозначения инвертора, принятые у нас и за рубежом, а в табл. 2.1 представлена таблица истинности инвертора.
Таблица 2.1. Таблица истинности инвертора
Вход |
Выход |
0 |
1 |
г |
0 |
Рис. 2.1. Условные обозначения инверторов: зарубежные (слева) и отечественные (справа).
В одном корпусе микросхемы обычно бывает шесть инверторов. Отечественное обозначение микросхем инверторов — «ЛН». Примеры: КР1533ЛН1 (SN74ALS04) — шесть инверторов с выходом 2С, КР1533ЛН2 (SN74ALS05) — шесть инверторов с выходом ОК. Существуют также инверторы с выходом ОК и с повышенным выходным током (ЛН4) и с повышенным выходным напряжением (ЛНЗ, ЛН5). Для инверторов с выходом ОК необходимо включение выходного нагрузочного резистора pull-up. Его минимальную величину можно рассчитать очень просто: R = U/Iol, где U — напряжение источника питания, к которому подключается резистор. Обычно величина резистора выбирается порядка сотен Ом — единиц кОм.
Две основные области применения инверторов — это изменение полярности сигнала и изменение полярности фронта сигнала (рис. 2.2). То есть из положительного входного сигнала инвертор делает отрицательный выходной сигнал и наоборот, а из положительного фронта входного сигнала — отрицательный фронт выходного сигнала и наоборот. Еще одно важное применение инвертора — буферизация сигнала (с инверсией), то есть увеличение нагрузочной способности сигнала. Это бывает нужно в том случае, когда какой-то сигнал надо подать на много входов, а выходной ток источника сигнала недостаточен.
Рис. 2.2. Инверсия полярности сигнала и инверсия полярности фронта сигнала.
Именно инвертор как наиболее простой элемент чаще других элементов используется в нестандартных включениях. Например, инверторы обычно применяются в схемах генераторов прямоугольных импульсов (рис. 2.3), выходной сигнал которых периодически изменяется с нулевого уровня на единичный и обратно. Все приведенные схемы, кроме схемы д, выполнены на элементах К155ЛН1, но могут быть реализованы и на инверторах других серий при соответствующем изменении номиналов резисторов. Например, для серии К555 номиналы резисторов увеличиваются примерно втрое. Схема д выполнена на элементах КР531ЛН1, так как она требует высокого быстродействия инверторов.
Схемы а, б и в представляют собой обычные RC-генераторы, характеристики которых (выходную частоту, длительность импульса) можно рассчитать только приблизительно. Для схем а и б при указанных номиналах резистора и конденсатора частота генерации составит порядка 100 кГц, для схемы в — около 1 МГц. Эти схемы рекомендуется использовать только в тех случаях, когда частота не слишком важна, а важен сам факт генерации. Если же точное значение частоты принципиально, то рекомендуется использовать схемы г и д, в которых частота выходного сигнала определяется только характеристиками кварцевого резонатора. Схема г используется для кварцевого резонатора, работающего на первой (основной) гармонике. Величину емкости можно оценить по формуле:
С > 1/(2RF),
где F — частота генерации. Схема д применяется для гармони-ковых кварцевых резонаторов, работающих на частоте, большей основной в 3, 5, 7 раз (это бывает нужно для частот генерации выше 20 МГц).
Рис. 2.3. Схемы генераторов импульсов на инверторах.
Инверторы также применяются в тех случаях, когда необходимо получить задержку сигнала, правда, незначительную (от 5 до 100 нс). Для получения такой задержки последовательно включается нужное количество инверторов (рис. 2.4, верхняя схема). Суммарное время задержки, например, для четырех инверторов можно оценить по формуле:
t3 = 2tpHL + 2tpLH-
Рис. 2.4. Использование инверторов для задержки сигнала.
Правда, нужно учитывать, что обычно реальные задержки элементов оказываются существенно меньше (иногда даже вдвое), чем табличные значения параметров tpHL и tpLH. To есть о точном значении получаемой задержки говорить не приходится, ее можно оценить только примерно.
Для задержки сигнала используются также конденсаторы (рис. 2.4, две нижние схемы). При этом задержка возникает из-за медленного заряда и разряда конденсатора (напряжение на конденсаторе — Uc). Схема без резистора (внизу слева на рисунке) дает задержку около 100 не. В схеме с резистором (внизу справа на рисунке) номинал резистора должен быть порядка сотен Ом. Но при выборе таких схем с конденсаторами надо учитывать, что некоторые серии микросхем (например, КР1533) плохо работают с затянутыми фронтами входных сигналов. Кроме того, надо учитывать, что количество времязадающих конденсаторов в схеме обратно пропорционально уровню мастерства разработчика схемы.
Рис. 2.5. Объединение выходов инверторов с ОК для реализации функции ИЛИ-НЕ.
Наконец, еще одно применение инверторов, но только с выходом ОК, состоит в построении на их основе так называемых элементов «Проводного ИЛИ». Для этого выходы нескольких инверторов с выходами ОК объединяются и через резистор присоединяются к источнику питания (рис. 2.5). Выходом схемы является объединенный выход всех элементов. Такая конструкция выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ, то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при нулях на всех входах. Но о логических функциях подробнее будет рассказано в разделе 2.3.
В заключение раздела надо отметить, что инверсия сигнала применяется и внутри более сложных логических элементов, а также внутри цифровых микросхем, выполняющих сложные функции.