В зависимости от схемотехники и технологии основного (базового) логического элемента (ЛЭ) существует несколько типов микросхем:
- ТТЛ(Ш) - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки или без них;
- КМОП / n-МОП - с комплементарными или n-МОП транзисторами;
- ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика;
- МОПТШ - логика на арсенид-галлиевых МОП структурах с диодами Шоттки.
Важнейшей характеристикой базового ЛЭ, в литературе называемого также вентилем, является передаточная характеристика инвертора Uвых = f(Uвх).
Uвых1/Uoh - напряжение на выходе ЛЭ, соответствующее логической единице -"1". Uвых1пор/Uoht - пороговое напряжение на выходе ЛЭ, еще соответствующее - "1". Uвых0/Uol - напряжение на выходе ЛЭ, соответствующее логическому нулю - "0". Uвых0пор/Uolt - пороговое напряжение на выходе ЛЭ, еще соответствующее - "0". Uвх1/Uih - напряжение на входе ЛЭ, соответствующее логической единице - "1". Uвх1пор/Uiht - пороговое напряжение на входе ЛЭ, еще соответствующее - "1". Uвх0/Uil - напряжение на входе ЛЭ, соответствующее логическому нулю - "0". Uвх0пор/Uilt - пороговое напряжение на выходе ЛЭ, еще соответствующее - "0". Ucc - напряжение источника питания ЛЭ.
Чем больше разница между вых/вх сигналами и соответствующими им пороговыми значениями, тем выше помехоустойчивость ЛЭ.
В таблице приведены усредненные типовые значения некоторых параметров микросхем, выполненных по различным технологиям.
В различных справочниках приведенные выше значения могут незначительно отличаться друг от друга.
Коэффициент разветвления или нагрузочная способность - максимальное число входов которые можно подключить к отдельному выходу микросхемы (м/с). Причем сумма входных токов должна быть меньше выходного тока отдельного выхода м/с. Если м/с имеет несколько выходов, то суммарный ток всех выходов не должен превышать паспортного значения для данной микросхемы, даже если отдельные выходы микросхемы будут недогружены.
Для определения N находят отдельно две суммы входных токов для логического 0 и 1 на j-выходе. Минимальная сумма и будет Краз. m,n - целые значения.
Внизу дана таблица соответствия некоторых отечественных и зарубежных серий микросхем, выполненных по двум наиболее распространенным технологиям КМОП и ТТЛ. В новых разработках рекомендуется применять серии КМОП (например 1554,1564,1594 и др.) и 1533 (AC, HC,ACT,HCT,FCT и ALS). Преимуществом обладают КМОП серии, число которых превышает 25 наименований по сравнению с ТТЛ(Ш) - около восьми.
КМОП ТТЛ
отеч заруб +Uп,В отеч заруб +Uп,В
164,176 4000(74C) 3..15;9 155 74 5
561,564 4000A 3..15 158 74L 5
1561 4000B 3..18 131 74H 5
1554 74AC 2..6 555 74LS 5
1564 54/74HC 2..6 531 74S 5
1594 ACT 2..6 1533 74ALS 5
- FCT 2..6 1531 74F 5
- ACQ/ACTQ 2..6 - FASTr 5
- FCTx/FCTxT 2..6 - BCT 5
.....................................................
В практике иногда встречаеся ситуация,когда в одном устройстве встречаются микросхемы раличных серий и даже технологий. Например, если входная частота сигнала равна 1024МГц, то для ее измерения не обязательно использовать только ЭСЛ микросхемы с высоким быстродействием, но и с высоким потреблением. Достаточно взять только один ЭСЛ счетчик/делитель на 16, а выходной сигнал 64МГц можно считать и обрабатывать менее быстродействующими микросхемами с меньшим энергопотреблением. Передаточные характеристики ЛЭ различных серий и технологий различаются, поэтому соединять непосредственно такие ЛЭ чаще всего нельзя - требуются дополнительные элементы (схемы) сопряжения. Количество вариантов сопряжения растет в геометрической прогрессии, поэтому остановимся на КМОП и ТТЛ м/схемах (см. таблицу). Остальные варианты см. в справочниках, например сопряжение ЭСЛ - ТТЛ (Логические ИС КР1533 и КР1554."Бином".1993г.,стр.24).
+ : обозначает, что микросхемы сопрягаются в указанном направлении, +- : сопрягаются с ограниченным коэффициентом разветвления по выходу, OKR : применяется открытый коллектор или резистор, подключенный к +5в или промежуточный элемент HCT, R,ПУ : используется резистор, подключенный к +10в или элементы 40109,14504 или преобразователь уровней LTC1045, ПУ : должны применяться элементы 74C901/2,4049/50,14504 или LTC1045. На основе таблицы внизу даются развернутые схемы сопряжения.
Помимо аналого-цифровых преобразователей (АЦП), работой цифровой логики могут управлять операционные усилители (ОУ) и компараторы, преобразующие аналоговый сигнал Uвх = (U+ - U-) в перепад напряжения: Uвых = "1" при (U+ > U-) и Uвых = "0" при (U+ <= U-) для компараторов и Uвых = "-1" если (U+ <= U-) для ОУ. Ниже на рисунке приведены схемы сопряжения логических элементов с компараторами с открытым коллектором и операционными усилителями.
В схеме (а) выходной каскад компаратора и логический элемент питаются одним напряжением, поэтому согласование уровней лог.0 и 1 выполняется автоматически. В схеме (б) напряжение на выходе ОУ может значительно превышать уровни: (Uвых-) < лог.0 а (Uвых+) > Uп, но т.к. входы КМОП микросхем защищены диодами, ограничивающими входные сигналы 0 и Uп, то дополнительных внешних ограничителей не требуется. В ТТЛ(Ш) микросхемах (в) все входы имеют диоды, ограничивающие входной сигнал снизу на уровне нуля, а для ограничения входного сигнала сверху требуется внешний диод. Резисторы служат для уменьшения входных токов ЛЭ, чтобы не пережечь ограничительные диоды. В схеме (а) резистор к тому же является нагрузкой компаратора с открытым коллектором.
Ниже приведены некоторые параметры в отечественном по ГОСТ 19480-89 и международном обозначении .
tзд.р.1,0 / tPHL - время задержки распространения при включении. Интервал времени между входным и выходным импульсами, в течение которого выходной сигнал интегральной микросхемы (ИМС) переходит от H к L уровню, измеренный на уровне 0,5 или на других заданных значениях.
tзд.р.0,1 / tPLH - то же - от L к H уровню.
tзд.р.ср / tPAV - среднее время задержки распространения.
t1,0 / tTHL - время перехода при включении ИМС. Время, в течение которого выходное напряжение ИМС переходит от H к L уровню, измеренное на уровне 0,1 и 0,9 или на других заданных значениях.
t0,1 / tTLH - то же - от L к H уровню.
tуст / tSU - время установления входного сигнала. Интервал времени между началом сигнала на одном заданном входе и активном переходе на другом заданном входе.
tу / tH - время удержания. Время, в течение которого сигнал удерживается на заданном входе после активного перехода на другом заданном входе.
Краз / N - коэффициент разветвления по выходу. Число единичных нагрузок, которые можно подключить к выходу ИМС.
Коб / Ni - коэффициент объединения по входу. Число входов ИМС, по которым реализуется ЛФ.
Uп / Ucc - напряжение источника питания ИМС.