Інтерфейсні мікросхеми

Завдяки розвитку мікропроцесорної техніки з’явився новий клас цифрових мікросхем - інтерфейсних. Вони, як правило, побудовані на СІС і ВІС і не призначені для виконання логічних операцій їх основне призначення– організація міжблокових з’єднань та інтерфейсів цифрових систем (мікроЕОМ).

Кожний блок цифрової системи зв’язаний з іншим блоком шиною. Шини, що передають по своїх лініях двійкову інформацію у вигляді слів, бувають одно- та двонапрямленими. Однонапрямлені шини забезпечують передання цифрових сигналів лише в одному напрямі - від джерела (передавача) інформації до приймача. До них належать адресні та шини керування. Двонапрямлені шини - це, як правило, шини даних, з допомогою яких сигнали передаються в обох напрямах (хоча при потребі можуть використовуватись як однонапрямлені).

Оптимальне функціонування блоків цифрової системи значною мірою залежить від впливу шини на параметри та характеристики сигналу. Адже сигнали, що виробляє передавач, пройшовши певну відстань по шині до приймача, практично завжди втрачають свою форму (особливо при переданні сигналів по кабелю, який має велику ємність) і погіршують свої характеристики та параметри. Саме тому блоки чи вузли цифрової системи під’єднують до шини не безпосередньо, а через інтерфейсні мікросхеми - модулі, які забезпечують оптимальне міжблокове спряження.

Можна виділити інтерфейсні мікросхеми, що утворюють групу так званих шинних передавачів-приймачів (ШПП). Основне призначення ШПП полягає у підсиленні електричних сигналів, що передаються по двонапрямлених лініях зв’язку (шинах), а також для узгодження рівнів цих сигналів і реалізації функцій часової та логічної буферизації даних. Найпростіші серед інтерфейсних мікросхем шинні формувачі (ШФ), або шинні драйвери. ШФ орієнтовані головним чином для ретрансляції сигналів та електричного узгодження однонапрямлених шин.

Логічний стан (0 або 1) лінії шини у будь-який момент часу визначається рівнем сигналу, який у вигляді струму проходить з одного блока в інший. Чим більше блоків під’єднано до лінії, тим більша сила струму навантаження; і якщо вона перевищує припустиме значення, це може призвести до невідповідності логічних рівнів на шині. Тому надлишковий струм, що при цьому виникає, необхідно якимось чином зняти з лінії. Ця процедура носить назву буферування і реалізується з допомогою ШПП, що в даному випадку відіграє роль звичайного повторювача (буфера). Отже, буферування служить для підтримання параметрів сигналу у припустимих межах. Ця процедура особливо необхідна при значному ємнісному навантаженні. Наприклад, для передання сигналу по довгому кабелю, що має велику ємність, буфер потрібно встановлювати зразу на виході передавача до кабеля. Для буферування шин застосовують інтерфейсні мікросхеми, що побудовані на ЛЕ а відкритим колектором або на тристанових драйверах. Ці ЛЕ, крім того, дозволяють реалізувати на кожній лінії шини монтажу логіку з різними блоками системи, зокрема "монтажне АБО" для об’єднання їх виходів.

Залежно від числа блоків, що під’єднані до шини, ступінь її навантаження буде різним. Тому системні (магістральні) шини мають вищу навантажувальну здатність, бо до них під’єднується велика кількість блоків та вузлів системи. Значно меншу навантажувальну здатність мають локальні шини даних, бо вони під’єднуються до окремих блоків системи.

Схеми ШПП і ШФ виконують (в основному на ТТЛШ) чотирирозрядними (К589АПІ6, К589АП26, 555ИП6), восьмирозрядними (К580ВА86/87, 555АП6) і як здвоєні чотирирозрядні (КІ533АПЗ).

,

Рис. 2.15 Один канал і схемне позначення двонапрямленого ШПП

Принцип дії двонапрямленого ШПП пояснює рис 2.13 та табл.3.4.У колі кожного каналу (чи розряду) схеми буфера ввімкнені зустрічне два тристанові драйвери, роботою кожного з яких (через повторювачі) керують сигнали дозволу і .

Таблиця 2.9 Режими роботи ШПП

Значення керуючих сигналів	Напрям передачі інформації
		Від до
		Передача відсутня
		Заборона
		Від до

Для сигналу активним є високий рівень (лог.1), а для сигналу - низький рівень (лог.0). Отже, при ( ) відбувається пере­дача від до , бо працює нижній драйвер. При працює верхній драйвер, і сигнал передається від до . Передача сигналу буде відсутня при , бо тоді обидва драйвери переходять у високоімпедансний стан . Зрозуміло, що одночасна дія двох активних сигналів і недопустима.

Слід зауважити, що в деяких випадках замість ШПП або ШФ залежно від навантаження на шину можна застосувати К155ЛН1, К555ЛН1, К56ІЛН1 або К555ЛН2, К155ЛНЗ, К155ЛН5, які забезпечують підвищену навантажувальну здатність у порівнянні з іншими представниками своїх серій ІС.

Узгоджувачі рівнів

При проектуванні цифрових пристроїв часто доводиться використовувати мікросхеми різних серій, які відрізняються за різними ознаками. Сумісне застосування різноманітних мікросхем викликає значні труднощі. На практиці найчастіше доводиться узгоджувати мікросхеми ЛЕ різних технологій і між собою, і з такими навантаженнями, як цифрові індикатори, дисплеї, лампи розжарювання тощо. Узгодження ЛЕ з такими елементами у загальному випадку можуть бути: логічними - для формування керуючих кодів; за струмом, залежно від сили і напряму на вході та виході, і за напругою - для узгодження вхідних та вихідних рівнів. Очевидно, що залежно від типу навантаження може виникати необхідність у поєднанні різних типів узгодження.

Спряження типів мікросхем пов’язане в першу чергу з необхідністю узгодження вхідних та вихідних рівнів напруг та струмів сигналів. Якщо, одним вузлам схеми за вимогою щодо швидкодії відповідають мікросхеми ЕЗЛ, то для інших є неприпустимою досить значна потужність, яку споживають ЛЕ ЕЗЛ, і тому для цих ЛЕ необхідні ЛЕ малопотужних серій. Крім електричного, також необхідно забезпечити й часове спряження різнотипних ЛЕ.

На практиці особливий інтерес викликають узгоджувачі рівнів типу ТТЛ КМОН.

Узгодження ТТЛ КМОН при однаковій напрузі живлення +5 В здійснюється безпосереднім під’єднанням виходу ЛЕ ТТЛ до входу ЛЕ КМОН. Оскільки на вході ЛЕ КМОН струм мізерно малий, узгодження за струмом забезпечується автоматично. Якщо потрібно збільшити швидкодію, можна використати більш потужне джерело вихідного струму. Однак узгодження за напругою вимагає додаткових заходів, які викликані тим, що мінімальний рівень ТТЛ (=2.4В) нижчий за мінімально припустимий рівень КМОН (=3.5В). Тому для підвищення запасу завадостійкості за виходом ЛЕ ТТЛ між його виходом і слід увімкнути узгоджувальний резистор 2...5 кОм залежно від серії ТТЛ.

Якщо джерела живлення обох ЛЕ різні, причому , що часто зустрічається на практиці, то при застосуванні ЛЕ ТТЛ з відкритим колектором, припустиме значення узгоджувального резистора визначається за формулами (2.3) і (2.4).

Тут: Е- напруга живлення вихідні струм та напруга при лог.0, вихідні струм та напруга при лог.1 вхідні струми

( 2.0 )

( 2.0 )

Для узгодження типу ТТЛ КМОН при напрузі живлення останнього В застосовують мікросхеми узгоджувачів рівнів К564ПУ6, К564ПУ7 і К564ПУ8, які містять у своєму складі по шість елементів. Відмінною особливістю мікросхеми К564ПУ6 є наявність окремих для кожного каналу узгодження сигналів дозволу, з допомогою яких відповідний вихід елемента схеми може перейти у -стан.

Узгодження КМОН ТТЛ, тобто коли джерелом сигналу є вихід ЛЕ КМОН, а навантаженням - вхід ЛЕ ТТЛ, має певні особливості. Узгодження за напругою забезпечується автоматично внаслідок того, що при у ЛЕ КМОН для лог.1 ЛЕ ТТЛ і для лог.0 у ЛЕ КМОН ЛЕ ТТЛ. Значення струму при лог.1 ЛЕ ТТЛ (який тече у схему) дорівнює приблизно 0,1мА, і якщо число n входів ЛЕ ТГЛ, що навантажують ЛЕ КМОН, не перевищує , узгодження за струмом при лог.1 забезпечується без додаткового збільшення навантажувальної здатності ЛЕ КМОН. Однак узгодження за струмом при лог.1 забезпечити автоматично не вдається через те, що cтрум ЛЕ ТТЛ майже дорівнює струму ЛЕ КМОН. Струм навіть одного ЛЕ ТТЛ (наприклад, серії 155 мА) перевищує струм ЛЕ КМОН, а отже, знижує навантажувальну здатність останнього. Узгоджувачами за струмом у даному випадку можуть бути мікросхеми КМОН 564ЛЕ5, 564ЛЕ6 і 564ЛЕ10, вяких всі входи для цього об’єднуються. Тоді навантажувальна здатність ЛЕ визначатиметься числом паралельно ввімкнених n -канальних транзисторів, і для розглянутих мікросхем узгоджувачів вона зростає у 2-4 рази.

У випадку, коли напруги живлення , необхідно виконувати узгодження як за струмом, так і за напругою. Для цього використовують узгоджувачі рівнів (див. рис. 2.15-типу КМОН ТТЛ) – 564ЛН2 або 564ПУ4, які мають підвищену навантажувальну здатність за струмом. Ці мікросхеми можуть живитися від одного джерела живлення ЛЕ ТТЛ ( В). Оскільки В, та для запобігання руйнування узгоджувача застосована, схема захистуна діодах, яка допускає на своєму вході напругу до +15 В. Відповідно до типу ЛЕ ТТЛ обидва узгоджувачі можуть мати при В ( ) (для універсальних ЛЕ), (для малопотужних ЛЕ) і (для мікропотужних ЛЕ).

До узгоджувачів рівнів вхідних і вихідних струмів та напруг типу ТТЛ КМОН і належать ЛЕ-561ЛН2, 561ПУ4 і 564ЛА10. Останній, наприклад, має вихідний каскад з відкритим стоком, що забезпечує струм , достатній для під’єднання десяти входів ТТЛ серії.

Більшість біполярних мікросхем різних типів можуть сумісно використовуватись без застосування складних узгоджувачів (в окремих випадках з використанням узгоджуючих резисторів або подільників напруги). Цьому сприяє те, що за стандартні рівні вхідних і вихідних напруг у цих мікросхемах вибрані рівні ТТЛ. До них належать мікросхеми ТТЛШ, І²Л та комбіновані типу ТТЛ-І²Л і ТТЛ-ЕЗЛ. Виняток становлять мікросхеми ЕЗЛ-технології, як мають такі рівні напруг: живлення В і -2,0В, В і В. Електричне спряження ЛЕ ЕЗЛ із стандартними ЛЕ ТТЛ, ТТЛШ і І²Л здійснюється в основному за допомогою мікросхем узгоджувачів, які за своєю будовою є значно складнішими від узгоджувачів інших типів.

Мікросхеми К500ПУ124 і К500ПУ125 – це узгоджувачі типу ТТЛ ЕЗЛ і ЕЗЛ ТТЛ відповідно, а мікросхема К1800ВА4 - типу ТТЛ ЕЗЛ,