Цифровые микросхемы общие сведения

Зарождение и развитие полупроводниковой технологии в 60-х годах прошлого века позволило отказаться от громоздких электронных ламп. Хотя конструктивные особенности функциональных узлов остались такими же (сборка из отдельных компонетов),  развитие полупроводников не только снизило габариты устройств и потребляемую мощность, но и повысило их быстродействие и надежность.
Цифровые микросхемы

Бурное развитие полупроводников способствовало зарождению интегральной технологии, которая позволила изготавливать в одном кристалле полупроводника сначала всего нескольких, транзисторов объединенных в одну электрическую схему. Так появились функциональные узлы, ставшие элементной базой цифровых устройств сначало третьего поколения — интегральные микросхемы малой степени интеграции.

Дальнейшее развитие интегральной технологии привело к появлению больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем, на базе которых создаются цифровые устройства четвертого поколения. Теперь в одном кристалле полупроводника размещается несколько функциональных узлов, объединенных в схему — функциональный блок. Использование в устройствах БИС и СБИС способствовало    дальнейшему уменьшению  габаритов   и энергопотребления,  повышению быстродействия и надежности цифровых устройств.

Современный компьютер меньше своей «прабабушки» в сотни тысяч раз, потребляет в десятки тысяч раз меньше электричества, зато работает в миллионы раз быстрее и во столько же раз надежней.

Так как же выглядит интегральная схема? Большинство интегральных схем, используемых в электронике, заключены в пластмассовый корпус (корпус типа DIP), который может иметь 8, 14, 16 и т. д. выводов, расположенных в два ряда. В одном корпусе может размещаться до шести однотипных функциональных элементов цифровой электроники.

Нумерация выводов интегральной схемы ведется против часовой стрелки, начиная от первой ножки, находящейся под ключом, который может иметь вид засечки, углубления и т.п. На поверхности корпуса краской наносится ее условное обозначение, по которому можно определить «имя» интегральной схемы:   сферу   применения, принадлежность к определенной серии, функциональное назначение и функциональную принадлежность (или  условный номер разработки).

Например, интегральная схема    К155ЛА3 предназначена   для использования в электронной аппаратуре  широкого применения (на это указывает   буква К), относится к серии 155 содержит элементы, реализующие логическую функцию И-НЕ, имеет порядковый номер разработки по функциональному признаку 3.

Хотя цифровые микросхемы построены по-разному, в их составе, как правило, лежат схемы, реализующие логические функции И, ИЛИ, НЕ. Эти схемы выполняются на различных электронных элементах — резисторах, диодах, транзисторах и т.д., изготовленных в одном кристалле полупроводника. В зависимости от использования тех или иных элементов различают несколько типов логики.

Например,

ДТЛ — диодно-транзисторная логика
РТЛ — резистивнотранзисторная логика
ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика

Наиболее функционально полными, распространенными и дешевыми среди отечественных цифровых микросхем являются схемы ТТЛ и, в частности, серии К155, K555 и их улучшенные зарубежные аналоги

Для этих и других интегральных схем цифровой электроники строго нормируются уровни напряжения питания, входных и выходных сигналов.

Так как единица любой информации в математической логике означает только истинное или ложное высказывание, то и электрические сигналы, отражающие суть этой информации, могут принимать значения уровня логической 1 (напряжение ~ 4 В) или уровня логического 0 (величина сигнала близка к нулю).

Если интегральные схемы ТТЛ исправны и электрическая схема, в которой они установлены, рассчитана правильно, то уровень 1 находится в пределах +2,4...+5 В, уровень 0 — в пределах 0...+ 0,4В. Обратите внимание, что между нижней границей уровня 1 и верхней уровня 0 разница напряжений составляет 2 В. Этот диапазон напряжений служит для защиты интегральных схем от ложных срабатываний при помехах, амплитуда которых лежит в указанных пределах. Если бы эта защита не была предусмотрена, то любая помеха соответствующей амплитуды приводила бы к ложному срабатыванию цифрового элемента, т. е. к искажению передаваемой им информации. Этот диапазон напряжение сигнала «проскакивает» в момент переключения с одного уровня напряжений на другой за очень малое время.

В   диапазоне   напряжений, соответствующих уровню логической 1, один вход ТТЛ потребляет от источника сигнала ток силой не более 0,1 мА, в диапазоне, соответствующем уровню логического 0,— не более 1,6 мА. Эти параметры определяют максимальное количество входов элементов ТТЛ, которое можно подключить к одному источнику сигнала. Вход с такими характеристиками   называется стандартным ТТЛ входом или стандартной ТТЛ нагрузкой.

Стандартный ТТЛ выход обеспечивает уровень логической 1 при выходном токе силой 1,6 мА, а уровень логического 0 при входном токе силой 16 мА. Сравнив характеристики входов и выходов, нетрудно заметить, что к одному стандартному ТТЛ выходу можно подключить до 10 стандартных ТТЛ входов. Этот параметр характеризует нагрузочную способность ТТЛ выхода. Конечно, к выходу можно подключать не только ТТЛ входы, но и другие нагрузки, но указанные параметры должны обязательно соблюдаться.

На схемах все элементы цифровой электроники обозначаются прямоугольником, который имеет основное поле и при необходимости левое и (или) правое дополнительные поля , которые могут быть разделены на зоны.

Обозначение микросхем на схемах

Внутри прямоугольника в основном поле   проставляется   условное обозначение выполняемой элементом функции, в дополнительных полях — метки, показывающие назначения выводов или их характеристики.

Многообразие указателей и меток, используемых в обозначении элементов цифровой электроники, не позволяет привести их здесь полностью

Поэтому в качестве примеров приводим основные указатели и метки, с которыми вы можете встретиться на начальных этапах изучения.

Указатели   функционального назначения цифровых элементов (проставляются вверху основного поля):

1 — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ
& — логический элемент, реализующий функцию И;
=1 — логический элемент, реализующий функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
DC — дешифратор
CD — шифратор
MUX — мультиплексор;
DMX—демультиплексор;
Т — триггер
RG — регистр
СТ2 — двоичный счетчик
СТ2/10 — двоично-десятичный счетчик
G — генератор
CPU — центральный процессорный элемент
RAM — оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой
PROM однократно программируемое постоянное запоминающее устройство
EEPROM многократно программируемое постоянное запоминающее устройство с электрической перезаписью

Метки функционального назначения выводов цифровых элементов (проставляются в дополнительных полях):

S   — установка элемента в «1»
R — установка элемента в «0»
С — тактовый вход
Т — счетный вход
D — информационный вход или выход
Q — прямой информационный выход (триггеры, счетчики и т. п.)
&   — все входы данной зоны являются входами элемента И
1 — все входы данной зоны являются входами элемента ИЛИ

Указанные метки могут быть дополнены знаком отрицания (горизонтальная черта над символом). Применительно к меткам входа это означает, что активным уровнем сигнала для этого входа является уровень 0. Если этого знака нет, то активным уровнем является уровень 1.

Кроме того, на условном графическом обозначении цифровых элементов могут присутствовать дополнительные графические метки:

инверсия сигнала на входе (выходе) элемента (рисунок Б)

прямой динамический вход (воздействие на элемент только при переходе сигнала на этом входе из 0 в 1) (рис. в)

инверсный динамический вход (воздействие на элемент только при переходе сигнала на этом входе из 1 в 0) (рис.  г)

вход (выход), не несущий логической нагрузки (выводы подключения питания, дополнительных внешних нецифровых элементов и т.п.) (рис.  д)