СОГЛАСОВАНИЕ РАЗНОРОДНЫХ СИСТЕМ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ


 

При разработке электронных устройств разработчику приходится сталкиваться с необходимостью совместного применения различных семейств логических микросхем. Сопряжение различных серий цифровых элементов в первую очередь связано с необходимостью согласования уровней напряжения и тока. Кроме того, при объединении логических семейств надо знать схемотехнические свойства входов и выходов. Это удобно продемонстрировать на примере ТТЛ и КМОП-логик.

Когда на вход элементов ТТЛ подается низкий (нулевой) уровень напряжения, то из этого входа вытекает ток порядка 1 mА (для большинства серий ТТЛ) при входном напряжении не более 0,4 V.

Рисунок 6.1 – Элемент 2И-НЕ ТТЛ

 

Недопонимание этого обстоятельства часто приводит к отказу в работе сопрягаемых элементов. Когда на вход элементов ТТЛ подается высокий (единичный) уровень напряжения, входной ток, втекающий во вход этого элемента, имеет порядок единиц, а то и десятки микроампер. Заметим, что этот ток не что иное, как настоящий коллекторный ток «инверсного» (или иначе «горизонтального») транзистора, а не ток утечки, как часто полагают.

Для отрицательных напряжений, если они появляются на входе, вход ТТЛ действует как диод, включенный на землю, а для напряжений свыше +5 V вход эквивалентен закрытому эмиттеру транзистора с небольшим напряжением пробоя (порядка +5,5 V).Типичное значение входного порога логического перехода, составляет у схем ТТЛ примерно 1,3 V, но может меняться от 0,8 до 2,0 V.

Если отдельные логические элементы ТТЛ остаются неиспользованными, то их входы обычно соединяют с общей «земляной» шиной, т.е. подают логический «ноль». В этом случае мощность, рассеиваемая ими, минимальна, а выходы этих элементов можно использовать для создания логической «единицы» на входах других элементов. Другой способ создания уровня логической единицы на неиспользуемых входах элементов ТТЛ заключается в подаче на них напряжения 2,4…3,6 V от отдельных источников питания. Можно также воспользоваться источником питания 5 V, подключив неиспользованные входы через ограничивающих резисторы сопротивлением 1…2 kW. К одному резистору допускается присоединение до 20 входов микросхем ТТЛ серии К155 или К133.

Выход схем ТТЛ содержит npn-транзистор, включенный на шину –Uп, поэтому элемент ТТЛ может отводить на шину –Uп. (землю) значительный ток (порядка Iвых0 16 mА) при небольшом падении напряжения (порядка 0,1…0,2 V). Высокий уровень выходного напряжения создается эмиттерным повторителем, подключенным к шине +Uп с токоограничивающими резисторами в коллекторной и базовой цепи. В результате на выходе появляется «высокое» (единичное) напряжение (около 3,5 V). Одновременно выход может служить источником тока порядка нескольких миллиампер.

У элементов КМОП-логики входной ток практически отсутствует при колебаниях входного напряжения от 0 до 15,0 V (ток утечки менее 10–5 μА). Для сигналов, превышающих диапазон напряжения питания, вход микросхемы представляет собой два диода, один из которых подключен к положительному полюсу источника питания, а другой – к отрицательному (рис. 6.2).Ток через эти диоды даже кратковременно не должен превышать 10 mА. Диоды необходимы для защиты затворов КМОП-транзисторов от статического электричества. Напряжение порога срабатывания обычно составляет 0,5Uп.

Рисунок 6.2 – КМОП-элемент

Выходная схема КМОП-элемента представляет собой пару транзисторов, из которых один открыт, а другой закрыт. При малых токах открытые транзисторы ведут себя как резисторы сопротивлением в несколько сотен Ом, подключенные к шинам +Uп или –Uп. Однако выходной ток через эти транзисторы ограничивается на уровне нескольких миллиампер.

Микросхемы, принадлежащие к разным сериям ТТЛ, непосредственно согласуются между собой по электрическим уровням, которые у них одинаковы, однако и тут следует учитывать особенности каждой серии.

Во-первых, допустимое число входов микросхем ТТЛ разных серий, которое можно подключать к выходу каждой из этих серий, составляют:

Нагружаемые серии Число входов нагружаемых микросхем серий
133, К155 130, К131 134, КР134 530, К531 533, К555
Универсальные (133, К155)  
Быстродействующие (130, К131)  
Микромощные (134, КР134)  
Шоттки (530, К531)  
Маломощные Шоттки (533, К555)  
                       

Превышение указанных значений не рекомендуется, так как напряжение на выходе нагружаемой схемы в состоянии Uвых0 может оказаться выше максимально допустимого.

Во-вторых, у быстродействующих схем на транзисторах Шоттки (серии 530, К531) крутизна фронтов импульсов очень велика. Из-за этого следует считаться с возможностью высокочастотных наводок по сигнальным цепям, особенно при открытых входах, которые действуют подобно антеннам. При сопряжении таких логик с другими семействами, особенно с микромощными, следует применять раздельное питание и заземление, разнесение входных и выходных сигнальных цепей.

Переход от микросхем ТТЛ к КМОП при одинаковом напряжении питания, равном 5 V, осуществляется непосредственным подключением выхода ТТЛ ко входу КМОП. Важно только, чтобы к выходу ТТЛ не были подключены входы других элементов ТТЛ, так как снижение выходного напряжения из-за их входных токов ниже уровня 3,5 V является пороговым для КМОП-логики. Однако при 3,5 V на выходе ТТЛ запас помехоустойчивости становится мал. Повысить его можно, включив между выходом и шиной питания резистор 2…5 kW в зависимости от серии ТТЛ.

При переходе от КМОП к ТТЛ выходной ток порядка десятков микроампер, соответствующий высокому уровню на входе ТТЛ, легко обеспечить. Однако для большинства приборов КМОП-структуры при выходном напряжении низкого уровня ток нагрузки не должен превышать 0,5…1 mА, что приемлемо только для входов маломощных серий ТТЛ (Iвх0 0,2 mА).

В общем случае напряжение питания, логические уровни, токи входов и выходов могут не совпадать, и согласование разных микросхем представляет самостоятельную задачу. Для этой цели используются как специальные микросхемы, так и ключевые схемы на дискретных элементах, т.е. транзисторах и резисторах. Одна из таких возможных схем приведена на рис. 6.3.

Рисунок 6.3 – Схема согласования ТТЛ ЛЭ с КМОП ЛЭ

Схема универсальна. За счет подбора параметров ее элементов может быть применена в различных ситуациях, в том числе при согласовании КМОП ТТЛ и ТТЛ КМОП. Соответственно значения параметров ее элементов приведены для первого случая без скобок, а для второго – в скобках. Указанные величины резисторов рассчитаны на основании очевидных соотношений так, чтобы не были превышены предельные значения токов и напряжений ИС.

Иногда приходится применять схемы для согласования положительной и отрицательной логик. Пример такой схемы приведен на рис. 6.4. Она преобразует положительный уровень напряжения +U1, соответствующий коду «1» в одной системе элементов, в отрицательный уровень напряжения – U2, также изображающий код «1», но в другой системе элементов.

Рисунок 6.4 – Схема согласовония разнополярных МС

Коду «0» в обеих системах соответствует нулевое напряжение. Когда на вход схемы подано нулевое напряжение, транзистор открыт и на выходе напряжение равно нулю. Положительное напряжение на входе закрывает транзистор VT, формируя на выходе отрицательное напряжение, соответствующее коду «1», уровень которого определяется напряжением U2.

Если, наоборот, есть необходимость преобразовать отрицательный уровень –U1 в положительный +U2, то можно использовать эту же схему, заменив у нее транзистор pnp- на npn-, источник питания –Uп на +Uп и +Uсм на –Uсм.

Для согласования различных семейств цифровых элементов между собой выпускаются интегральные микросхемы преобразователей уровней (ПУ).

В отличие от логических элементов, в преобразователях уровней входные и выходные уровни всегда различаются между собой – это характерно для ПУ. Очевидно, чтобы вход ПУ можно было соединить с выходом логического элемента (ЛЭ1), входной каскад ПУ должен быть выполнен по принципу построения ЛЭ1. Аналогично, по принципу ЛЭ2, должен быть построен выходной каскад ПУ. Одновременно, как правило, применяются и разнотипные источники питания, характерные для обеих систем элементов.

Примером ПУ может быть микросхема 564ЛН2 или 564ПУ4, предназначенные для согласования выходных уровней КМОП-структур с входами серий ТТЛ. В корпусе каждой такой микросхемы находятся по шесть одинаковых одновходовых элементов, обладающих повышенной нагрузочной способностью по току. Входная защитная цепочка позволяет при питании этой микросхемы 5 V подавать на ее входы повышенное напряжение вплоть до 15 V. Нагрузочная способность элементов обеих микросхем одинакова и применительно к разным сериям ТТЛ составляет: ТТЛ – универсальная 2; ТТЛ – маломощная 9; ТТЛ – микромощная 16 (при Uп = 5 V 5 % и Uвых0 0,5 V).

Для согласования выхода ТТЛ со входом КМОП при питании последних повышенным напряжением (Uп 10 V) применяют микросхемы 564ПУ7 и 564ПУ8, содержащие каждая по шесть преобразователей уровня. Их электрические параметры при Uп=12 V таковы: Различаются они тем, что 564ПУ8 выполняет эту операцию без инверсии, а 564ПУ7 – с инверсией.

Преобразователь уровней от КМОП к ТТЛ К176ПУ1 содержит пять инверторов. Для него требуется два источника питания 5 V и 9 V. Шесть преобразователей логических уровней от КМОП к ТТЛ содержит микросхема 176ПУ2. Эти инверторы можно использовать также в тех устройствах логики КМОП, где требуются большие выходные токи Iвых1 и Iвых0 (например, при перезарядке нагрузочной емкости).

Шесть преобразователей без инверсии расположены в корпусе К176ПУЗ. В качестве замены К176ПУ2 можно применить К561ЛН2, а вместо ПУЗ – преобразователь К561ПУ4 во всех схемах. Нагрузочная способность схем ПУ2 и ПУ3 – для входа ТТЛ (Iвых0=3,2 mА). Микросхемам К176ПУ1…К176ПУЗ требуются два напряжения питания 5 V для ТТЛ и 9 V для КМОП-транзисторов. Время переходного процесса преобразователей уровней от высокого к низкому не превышает 16…40 ns. Микросхема К176ПУ5 содержит четыре преобразователя уровней КМОП – ТТЛ и отличается комплиментарными выходами. Для нее также требуются два источника питания.

Микросхема К176ПУ5 содержит шесть преобразователей – буферных усилителей. По параметрам и применяемости она сходна с К561ЛН2, которая содержит шесть инверторов и работает так же, как и ЛН2, от двух источников питания. Микросхема К564ПУ6 содержит четыре канала преобразования логических уровней от низкого напряжения к высокому. Соответственно на микросхему подают два напряжения питания 5 и 15 V. Кроме того, каждый канал имеет входы разрешения. Преобразование ТТЛ – КМОП (без инверсии данных) разрешается при высоких уровнях на этих входах. При низком уровне на разрешающем входе соответствующий выход переходит в разомкнутое состояние. Микросхему можно использовать как преобразователь от высокого уровня к низкому, если заменить точки подключения напряжений питания.

Для преобразования уровней ТТЛ в уровни ЭСЛ служит микросхема К500ПУ124, которая содержит четырехканальный преобразователь ТТЛ – КМОП. На эту схему надо подавать два питающих напряжения +5 и –5,2 V. Отметим, что в схеме имеется разрешающий вход, на который надо подавать напряжение высокого уровня Uвх1 для ТТЛ. При Uвх0 на выходе всех преобразователей устанавливается напряжение низкого уровня для ЭСЛ. На соответствующих инверсных выхода устанавливается высокий уровень для ЭСЛ. Время задержки переключения составляет менее 5 ns, что позволяет принимать сигналы от микросхем ТТЛШ.

Микросхема К500ПУ125 – четырехканальный преобразователь, предназначенный для обратного преобразования сигналов ЭСЛ в сигналы ТТЛ. Оконченный усилитель каждого канала этой схемы имеет обычный двухтактный выход элементов ТТЛ с транзисторами Шоттки.

 

Вопросы для самопроверки

1. Почему возникают задачи согласования разнородных систем логических элементов.

2. Назовите основне параметры входных и выходных сигналов ТТЛ-логики и КМОП-логики.




Дата добавления: 2016-12-16; просмотров: 8981;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.011 сек.