Хотя само по себе перемалывание чисел и является важным применением цифровой электроники, ее действительные возможности открываются при использовании цифровых методов для обработки аналоговых (или линейных ) сигналов и процессов. В этой главе мы начнем рассматривать входные и выходные характеристики логических элементов ТТЛ и КМОП для того, чтобы понять, как эти два логические семейства сопрягаются друг с другом, а также для того, чтобы ознакомиться с устройствами цифрового ввода (переключателями, клавиатурой, выходами компараторов и т. д.) и цифрового вывода (индикаторными лампами, реле и т. д.). Мы рассмотрим также /7-канальные и я-канальные логические элементы на МОП-транзисторах, поскольку они широко применяются в функциональных БИС. Затем остановимся на вопросах ввода и вывода цифровых сигналов на платы и во внешние приборы, а также на способах их передачи по кабелю, после чего перейдем к обсуждению аналоговых и цифровых преобразователей. Наконец, после того как эти методы станут понятны читателю, рассмотрим ряд применений, в которых сочетаются аналоговые и цифровые методы, обеспечивая мощные средства для решения разнообразных и интересных задач.

сопряжение логических элементов ттл и кмоп

9.01. Логические семейства ТТЛ и КМОП

Знание входных и выходных характеристик логического семейства необходимо для организации любых взаимосвязей с внешним миром. Как обычно, мы подробно рассмотрим семейства ТТЛ и КМОП, так как они могут использоваться почти во всех применениях.

Разновидности ТТЛ. Само по себе семейство ТТЛ имеет ряд разновидностей. В настоящее время наилучшей для большинства применений является серия маломощных элементов Шоттки . Краткий перечень сведений по различным сериям семейств ТТЛ приводится в табл. 9.1.

Наиболее распространенные логические функции представлены в большинстве семейств ТТЛ. Например, схема 7474 - это сдвоенный D-триггер с одинаковым для всех семейств расположением контактов. Таковы Микросхемы 7474, 74L74, 74S74, 74LS74 и т. д. Входное

Таблица 9.1

Сравнительные характеристики серий семейства ттл

и выходные логические уровни для всех серий одинаковы, за счет чего обеспечивается их общая совместимость, ограниченная в некоторых случаях предельной нагрузочной способностью по выходу (например, элемент серии TAhxx в отличие от обычных элементов, имеющих коэффициент разветвления по выходу, равный 10, может управлять только двумя элементами ТАхх). Важное замечание: существуют некоторые другие семейства ТТЛ, кйк, например, серия 2500 фирмы AMD, серия 8000 фирмы National Semiconductor, еще одна серия 8000 фирмы Signetics, серия 9000 фирмы Fairchild. Эти семейства ТТЛ также включают в себя разновидности LS, L и S Для простоты мы будем пользоваться только серией 7400; говоря, например, о серии 1\lSxx, можно было бы с тем же успехом обратиться к варианту LS и других семейств ТТЛ.

Серия Т^хх была стандартной в течение десяти лет, но в настоящее время она вытесняется маломощной серией Шоттки (74Ь5л;л;), которая дает некоторый выигрыш в быстродействии, рассеивая приблизительно вчетверо меньшую мощность. Недавно появившееся усовер-

1> Встречающиеся здесь и далее в обозначениях ИМС буквы означают. L (low-power) - маломощный, S (Schottky) - Шоттки, А (advanced) - усовершенствованный, Н (high-speed) - быстродействующий, F (fast) - скоростной.- Пршл. пе-рев.

шенствованное маломощное семейство (74ALSa:a:) имеет еще лучшее отношение быстродействия к мощности. Термин Шоттки относится к использованию диодов с переходом металл - полупроводник (диоды Шоттки) в качестве фиксирующих. Эти диоды препятствуют насыщению транзистора, уменьшая время его переключения (см. разд. 13.22).

Серия Шоттки (745л:а:) традиционно считалась самой быстродействующей, но появившиеся в последнее время новые семейства ( скоростное 74Рд:л; и усовершенствованное Шоттки ) обладают еще лучшим быстродействием и отношением быстродействия к мощности. Когда широкий выбор этих новых серий ТТЛ станет приемлемым па сопоставимым ценам, они смогут полностью заменить серии 74Sxx и 74LSxx. 1Маломощная серия (74Lxx) имеет наименьшее потребление, однако из-за низкого быстродействия она тоже вытесняется серией 74LSa:a:. Серия 74На:а: считалась самым быстродействующим семейством и давала некоторое увеличение быстродействия по сравнению со стандартными сериями при соответственно большей мощности рассеяния. Сейчас она почти полностью устарела на фоне серии 74Sa:a: и используется лишь в тех случаях, когда нужен мощный токовый выход.

Для новых разработок на ТТЛ мы могли бы рекомендовать следующие серии логических элементов: а) серию 74LSa:a: (для большинства случаев) или серию 74а:а:, если требуется повышенная нагрузочная способность в режиме отвода тока (например, для управления лампами), и б) серию 748а:д; (либо 74Fxx или 74ASa:a:), если необходимо иметь повышенное быстродействие. Появление новых субсемейств ТТЛ отражает временную ситуацию, которая, вероятно, через несколько лет разрешится сама собой, после чего останутся, возможно, лишь три или четыре семейства.

Разновидности КМОП. В тех случаях, когда быстродействие не играет роли, используют семейство КМОП, поскольку оно имеет минимальное потребление. Кроме того, оно предъявляет самые незначительные трования к источнику питания (от +3 В до +18 В при очень малом токе) и поэтому является хорошим логическим семейством общего назначения, которое особенно удобно для построения несложных схем, поскольку при использовании в этом случае элементов ТТЛ источник питания может оказаться сложнее самой логической схемы.

Среди серий КМОП имеются различные модификации. Первоначальная серия 4000 была предложена фирмой RCA; затем она была вытеснена серией 4000А. Сейчас стандартной серией 4000 семейства КМОП является новая серия В. Утверждают, что она может работать при напряжении питания от 3 до 18 В, однако на самом деле даже при напряжении 5 В ее работа часто бывает неудовлетворительной вследствие низкого быстродействия и большого выходного сопротивления. Несколько лучшие характеристики при низком напряжении

9.02. Входные и выходные характеристики элементов ТТЛ и КМОП

Все цифровые логические семейства строятся таким образом, чтобы к выходу каждого элемента можно было подключить большое число входов, принадлежащих элементам того же семейства. Типичное значение коэффициента разветвления по выходу равно 10. Это означает, что к выходу, например, вентиля или триггера без нарушения технических требований можно подсоединить 10 входов. Другими словами, в обычной практике цифровых разработок вы можете обходиться без каких-либо сведений, касающихся электрических свойств используемых кристаллов, до тех пор, пока схема состоит только из цифровых логических элементов одного и того же семейства и фактически вам нечасто приходится думать о том, что же в действительности происходит на логических входах и выходах.

Однако как только вы попытаетесь управлять цифровыми схемами при помощи внешних сигналов, аналоговых или цифровых, или же захотите использовать выходы цифровой логики для Управления другими устройствами, вам придется выяснить, что в действительности потребляет логический вход и чем может нагружаться логический выход. Кроме того, при объединении логических семейств надо знать схемотехнические свойства входов и выходов. Сопряжение разных логических семейств - вопрос не академический. Для того чтобы воспользоваться современными, все более доступными БИС, выйолненными по МОП-технологии, необходимо знать, каким образом объединяются логические схемы различных типов. В последующих разделах мы подробно рассмотрим схемотехнические свойства логи*

питания имеет чсизопланарная серия КМОП GOB фирмы Fairchild. Однако если вы хотите обеспечить высокое быстродействие п одновременно малое вшдаое сопротивление, то для питания КМОП лучше использовать напряжение 10 шт 12 В,

Основной альтернативой серии 4000 является серия 74Схд: КМОП, Функционально она тождественна сериям ТТЛ (аналогичная распайка контактов), однако фактически эта серия принадлежит семейству КМОП и имеет соответствующий диапазон напряжений питания, логические уровни и входные и выходные характеристики. Серия 74Сл:д: полностью совместима со стандартной КМОП-серией 4(Ю0 и лишь ограниченно с ТТЛ. Этот важный вопрос о сопряжении элементов ТТЛ и КМОП вскоре будет рассматриваться более подробно.

Существуют также специальные низкопороговые кристаллы КМОП с металлическими затворами (например, для схем наручных часов), которые предъявляют чрезвычайно низкие требования к напряжению питания. Имеется, например, прекрасный кристалл, содержащий генератор е делителем частоты, которому требуется источник питания наяряжением от 1,0 до 2,1 В. Он не совместим ни с ТТЛ, ни со стандартными КМОП.

ческих входов и выходов и приведем примеры сопряжения как между разными логическими семействами, так и между логическими устройствами и внешним миром.

(за исключением П L3 XX) ТТЛ

Диод 74L&XX (напряшение пробоя 15 6)

КМОП Ток утечки I мкА

ТТЛ

1 мкА (1Ип), 40 мкА (мэкс)

О

-1,0 ма (тип)

ШЪи. -0,г2мА(тип1 ЦЪхк: -1,4 wa (тип)

Входные хлрш1шера€тики* На рис. 9.1 показаны важные ха.-рактеристики входов ТТЛ и КМОП - зависимости выходного напряжения и входного тока от входного напряжений (дая инвертора). По оси входного напряжения графики расширены за пределы диапазона, встречающегося в чисто цифровых схемах, так как при сопряжении схем значения входных сигналов могут легко превысить напряжение питания. Как следует из графиков, элементы ТТЛ и КМОП обычно работают с заземленным контактом отрицательного полюса питания.

Когда на вход элемента ТТЛ подается НИЗКИЙ уровень, он действует как источник тока за- +5 метной величины, а при ВЫСОКОМ уровне- как нагрузка, потребляющая весьма малый ток (40 мкА максимально, а в типичном случае-порядка нескольких мкА). Входной ток ВЫСОКОГО уровня фактически представляет собой настоящий коллекторный ток инверсного входного транзистора, а не ток утечки, как обычно полагают (рис. 9.2). Для правильного управления входом элемента ТТЛ серии 74хх необходимо обеспечить отвод тока

О Входное нэпряшние

Рис.9.1. Характеристики логических входов.

порядка 1 мА при уровне вход- cxia * ~ передаточная характери-

ного напряжения не более 0,4 В.

Недопонимание этого условия часто приводит к неправильной работе элемента в интерфейсной схеме. Для отрицательных напряжений вход ТТЛ действует как фиксирующий диод, включенный на землю, а для напряжений выше +5 В вход эквивалентен транзистору с небольшим напряжением пробоя (несколько выше +5,5 В). Типичное аначение входного порога логического перехода составляет приблизительно + 1,3 В, но может изменяться в пределах от 0,8 В до +2,0 В-(в худшем случае). Вентили ТТЛ с триггерами Шмитта на

входах (7413, 7414, 74132) имеют гистерезис ±0,4 В и помечаются знаком гистерезиса при графическом изображении (см., например рис. 9.30). Напряжение (/ (обычно обозначается (/кк) равно +5.0 В ±5%.

У элементов КМОП отсутствует входной ток при входных напряжениях в диапазоне от О до и^ът ( исключением тока утечки, типичное значение которого составляет мкА). Для сигналов, превышающих диапазон напряжений питания, вход микросхемы представляет собой два фиксирующих диода, Один из которых подключен к положительному полю-

+5В

4 Ям

\иы ты

ТТЛ Ф

1,0 лОм

су источника, а второй - (рис. 9.2). Ток через эти

к земле диоды

никогда, даже кратковременно, не должен превышать 10 мА! Это и есть знаменитые входные диоды, без которых элементы КМОП были бы крайне подвержены повреждениям от статического электричества при ручных манипуляциях (элементы КМОП и так, можно сказать, слишком нежны). Напряжение входного логического порога обычно составляет половину напряжения питания, но может колебаться в пределах от одной трети до двух третей U+ (U+ называется сс). Вентили КМОП с триггерами Шмитта на входах (4093, 40106, 4584) имеют гистерезис от 1 до 2 В; при графическом изображении вентиля они помечаются знаком гистерезиса (cm.j например, рис. 9.8). Напряжение (/ ят может колебаться от +3 до +18 В; наиболее распространены значения +5 и + 12 В.

Рис. 9.2.

а - ТТЛ-вентиль тнль и.

НЕ-И; б - КМОП-вен-

Выходные характеристики. Выходная схема вентиля ТТЛ содержит /гртг-транзистор, включенный на землю, и тгрл-повторитель, подключенный к шине U+ с токоограничивающим резистором в коллекторной цепи, а иногда диодом, включенным последовательно с эмиттером (рис, 9.2). Когда один из транзисторов насыщен, другой закрыт. В результате элемент ТТЛ может отводить на землю значительный ток (16 мА для 74д:д:) при небольшом падении напряжения (насыщение), а при ВЫСОКОМ уровне на выходе (около +3,5 В) может служить источником тока порядка нескольких миллиампер.

Схема выхода предназначена для управления входами ТТЛ и имеет коэффициент разветвления по выходу 10 (то есть один выход может работать на 10 входов).

Выходная схема элемента КМОП представляет собой двухтактную пару комплементарных полевых МОП-транзисторов, один из которых ОТКРЫТ, а другой ЗАКРЫТ (рис. 9.2). При малых токах выходная схема ведет себя как резистор

в несколько сотен омов, подключенный к земле или к ши neU+, а при выходных токах, для которых выходное напряжение приблизительно на 1 В отличается от t/пит выход в известном смысле превращается в источник тока . Суммарные выходные характеристики представлены на рис. 9.3.

Здесь приведены зависимости выходного напряжения от выходного тока для обоих

к

,кмоп(аышкии),

отдана тока

ЛТЛ (ВЫСОКИЙ)

шоп( низкий],

отвод тока ПЛ( НИЗКИЙ), отвод тока

Вьйодной ток

Рис. 9,3. Выходные характеристики логических вентилей.

состояний - ВЫСОКОГО и НИЗКОГО. Для упрощения рисунка выходной ток показан положительным. Заметим, что в элементах КМОП выходы в любом случае подключены либо к земле^ либо к шине U+, что обеспечивает при отсутствии перегрузки полный перепад напряжения питания. При нормальном использовании выходы КМОП управляют входами КМОП. Так как входной ток отсутствует (за исключением токов заряда небольшой входной емкости), на выходах происходит полный перепад до С/+или до нуля. Для сравнения отметим, что уровни ТТЛ в типичном случае составляют 50 мВ (НИЗКИЙ) или +3,5 В (ВЫСОКИЙ), если в качестве нагрузки используются также элементы ТТЛ. При включении нагрузочного резистора (почти любого номинала) ВЫСОКИЙ уровень на выходе элемента ТТЛ приближается к +5 В.

9.03. Сопряжение ТТЛ и КМОП

Для того чтобы не испытывать затруднений при работе с обоими семействами, нужно знать, как элементы этих семейств стыкуются друг с другом. На элементах КМОП реализованы некоторые изящные функции, которых нет на ТТЛ. Имея систему на элементах ТТЛ, работающую с невысокой скоростью, вы без труда можете добавить к ней некоторые функции, выполняемые на элементах КМОП. Кроме того, для облегчения стыковки с внешними устройствами, совместимыми с ТТЛ, а также при согласовании логической КМОП-схемы с кабелем на входах и выходах бывает полезно использовать буферные элементы ТТЛ,

а

/?1 10 кОм

+ 1/сс (3-18 В) *-

Управление КМОП от ТТЛ. Если элемент КМОП работает от напряжения +5 В, то уройни почти совместимы. Единственная трудность заключается в том, что высокий уровеньТТЛ (типичное значение 3,4 Б) яйляется граничным для КМОП и желательно, чтобы он был не ниже +4,3 В. Однако достаточно подключить к выходам ТТЛ нагрузочные резисторы (например, 3,3 кОм, что эквивалентно нагрузке одним элементом ТТЛ), соединенные с шиной U+, и все станет в порядке. Резисторь^ можно устанавливать как на выходах с открытым коллектором, так и с активной нагрузкой.

Если элемент КМОП работает от более высокого напряжения питания, можно также включить нагрузочный резистор, но для этого нужно использовать высоковольтные кристаллы ТТЛ, имеющие

выходы с открытым коллектором. Примерами таких элементов могут служить ИМС 7406 (шесть инверторов), 7407 (шесть буферных каскадов) и 7426 (четыре 2-входовых элемента И-НЕ). Другой способ заключается в использовании преобразователя уровня КМОП типа 40109, на вход которого подаются сигналы относительно источника f/кк (уровни ТТЛ), а на выходе формируются сигналы с уровнями КМОП относительно второго источника и с с- Для того чтобы схема ТТЛ могла управлять элементом КМОП, работающим от источника напряжением t/cc>5 В, контактный вывод Ukk соединяется с источником питания ТТЛ (5 В), а вывод Ucc подключается к источнику питания КМОП. Как и прежде, на стандартных выходах ТТЛ н^до устанавливать нагрузочные резисторы. Третья возможность - это использование л/7Л-транзистора.

ТТЛ

(3-18 В)

ТТЛ + 5

4 401О9

(3-18В)

Г

ТТЛ

рис. 9.4. Преобразование уровня от ТТЛ к КМОП.

Схема такого подключения с точно указанными напряжениями питания приведена на рис. 9.4.

В базовой цепи этой транзисторной схемы установлены два резистора, которые создают входной порог , приблизительно равный падению напряжения на двух диодах (так же, как и на реальном входе ТТЛ), обеспечивая хорошую помехоустойчивость. Ускоряющий конденсатор увеличивает скорость переключения (см. разд. 13.22). Иногда резистор отсутствует, и тогда транзистор открыва-

ется при входном напряжении, приблизительно равном 0,7 В. В этом случае достаточная помехоустойчивость не обеспечивается, поскольку в системах ТТЛ по шине земли часто возникают выбросы величиной до 0,5 В (см. разд. 9.14). Заметим, что л/7л-транзистор работает как инвертор. Если быстродействие не лмрет з|1ачения, то величина нагрузочного резистора в схеме с от- ц

крытым коллектором может быть 4/ (,5-18 в) +5

значительно выше. Для повышения помехоустойчивости можно применять меньшие номиналы.

Управление ТТЛ от КМОП.

Если элемент КМОП питается от источника напряжения +5 В, то его можно непосредственно нагрузить одним элементом 1А\.хх или двумя элементами 74LSxx. От бу- +у (5-isв) ферных схем КМОП типа 4049 (шесть инверторов) или 4050 (шесть буферных каскадов) могут непосредственно работать два элемента Т^хх или восемь элементов lALSxx. Буферная схема с открытым стоком типа 40107 (с нагрузочным резистором, подключенным к шине +5 В) может работать на 10 элементов ТАхх или на 40 элементов 74LSxjc.

При питании элементов КМОП сс более высоким напряжением также существует несколько способов сопряжения. В первом методе можно использовать схемы 4049/4050. Для этих ИМС допускается превышение входными уровнями напряжения питания, поэтому контакты Vсс можно соединять непосредственно с цепью +5 В. Это позволит

4 4050

ТТЛ

И 3,3 кОм I

ТТЛ

4010? или 74C9G6

3,3 к Ом

/?, 10 Ом

:Г>ь

X i.

ТТЛ

Рис. 9.5. Преобразование уровня от КМОП к ТТЛ.

обеспечить на выходе перепад напряжения от нуля до +5 В и даст возможность подключать к нему два элемента 14хх или восемь элементов Ibxx. Входной порог в этом случае равен приблизительно Н-2,5 В. Другой метод заключается в использовании элемента 40107 или 74С906, работающего от источника питания КМОП с нагрузочным резистором, подключенным к шине +5 В. Третий метод, как и прежде, основан на применении лрл-транзистора. Схемы показаны на рис. 9.5. Как и в предыдущем случае, транзисторный каскад - инвертирующий.

9.04. Управление входами ТТЛ и КМОП

Механические ключи в качестве устройства ввода. Если известны входные характеристики управляемой логической схемы, то довольно легко управлять цифровыми входами от переключателей, клавиатуры, компараторов и т. д. Проще всего здесь использовать резистор, подключенный к шине питания (рис. 9.6). При работе с элементами ТТЛ, принимая во внимание их входные характеристики,

3,3 кОМ

10 кОи

ТТЛ

Рис. 9.6. Управ пение логическими элементами от механических ключей (без

защиты от дребезга).

лучше, когда резистор коммутируется на землю. В этом случае ключ дает хороший отвод тока при НИЗКОМ уровне на входе, а резистор обеспечивает для ВЫСОКОГО уровня напряжение +5 В, создавая высокую помехоустойчивость. Кроме того, удобно иметь цепь возврата на землю через ключ.

Вариант схемы, в котором резистор подключается к земле, а ключ замыкается на шину +5 В, использовать нежелательно, поскольку в этом случае для того, чтобы обеспечить НИЗКИЙ уровень ТТЛ (порядка нескольких десятых вольта), потребуется резистор с не- большим сопротивлением (например, 220 Ом) и через замкнутый тумблер будет протекать довольно большой ток. При разомкнутом ключе (наихудшие условия с точки зрения наводок) помехоустой-. чивость предыдущей схемы составляет не менее 3 В, тогда как во второй схеме она может упасть до 0,4 В (для стандартного элемента ТТЛ входной ток равен -1,6 мА, а порог НИЗКОГО уровня составляет -fO,8B). Кроме того, как будет показано ниже, входы ТТЛ нежелательно соединять непосредственно с источником +5 В.

Что касается элементов КМОП, то, поскольку их входы не потребляют тока, а типовое значение порогового уровня составляет половину t/cc, здесь с одинаковым успехом могут применяться оба способа подключения резистора. На практике один контакт ключа принято заземлять, однако если для упрощения схемы ВЫСОКИЙ уровень на входе желательно создавать с помощью замкнутого ключа, резистор можно запаять на землю. Все три метода иллюстрируются на рис. 9.6.