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 –U_п, поэтому элемент ТТЛ может отводить на шину –U_п. (землю) значительный ток (порядка I_вых⁰ 16 mА) при небольшом падении напряжения (порядка 0,1…0,2 V). Высокий уровень выходного напряжения создается эмиттерным повторителем, подключенным к шине +U_п 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 0,5U_п.

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 +U_п или –U_п. 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:

Превышение указанных значений не рекомендуется, так как напряжение на выходе нагружаемой схемы в состоянии U_вых⁰ 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 (I_вх⁰ 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 VТ 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 –U_п на +U_п и +U_см на –U_см.

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 U_п = 5 V 5 % и U_вых⁰ 0,5 V).

Для согласования выхода ТТЛ со входом КМОП при питании последних повышенным напряжением (U_п 10 V) применяют микросхемы 564ПУ7 и 564ПУ8, содержащие каждая по шесть преобразователей уровня. Их электрические параметры при U_п=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 I_вых¹ и I_вых⁰ (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 (I_вых⁰=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 U_вх¹ для ТТЛ. При U_вх⁰ 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.