Входы и выходы цифровых микросхем

Характеристики и параметры входов и выходов цифровых микросхем определяются прежде всего технологией и схемотехникой их внутреннего строения. Но для разработчика цифровых устройств любая микросхема представляет собой всего лишь "черный ящик", внутренности которого знать не обязательно. Ему важно только четко представлять себе, как поведет себя та или иная микросхема в данном конкретном включении, будет ли она правильно выполнять требуемую от нее функцию.

Наибольшее распространение получили две технологии цифровых микросхем:

• ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) — биполярная транзисторно-транзисторная логика и ТТЛ с диодами Шоттки;
• КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой "металл–окисел–полупроводник".

Рис. 1.7. Входной и выходной каскады микросхем ТТЛШ

Рис. 1.8. Входной и выходной каскады микросхем КМОП

Различаются они типами используемых транзисторов и схемотехническими решениями внутренних каскадов микросхем. Отметим также, что микросхемы КМОП потребляют значительно меньший ток от источника питания, чем такие же микросхемы ТТЛ (или ТТЛШ) — правда, только в статическом режиме или на небольших рабочих частотах. На рис. 1.7 и 1.8 показаны примеры схем входных и выходных каскадов микросхем, выполненных по этим технологиям. Понятно, что точный учет всех эффектов в этих схемах, включающих в себя множество транзисторов, диодов и резисторов, крайне сложен, но обычно он просто не нужен разработчику цифровых схем.

Рассмотрим сначала входы микросхем.

На первом уровне представления (логическая модель) и на втором уровне представления (модель с временными задержками) о входах микросхем вообще ничего знать не нужно. Вход рассматривается как бесконечно большое сопротивление, никак не влияющее на подключенные к нему выходы. Правда, количество входов, подключенных к одному выходу, влияет на задержку распространения сигнала, но, как правило, незначительно, поэтому это влияние учитывается редко.

Даже на третьем уровне представления (электрическая модель) в большинстве случаев не нужно знать о внутреннем строении микросхемы, о схемотехнике входов. Достаточно считать, что при подаче на вход сигнала логического нуля из этого входа вытекает ток, не превышающий I_IL, а при подаче сигнала логической единицы в этот вход втекает ток, не превышающий I_IH. А для правильной логики работы микросхемы достаточно, чтобы уровень напряжения входного сигнала логического нуля был меньше U_IL, а уровень напряжения входного сигнала логической единицы был больше U_IH.

Особым случаем является ситуация, когда какой-нибудь вход не подключен ни к одному из выходов — ни к общему проводу, ни к шине питания (так называемый висящий вход). Иногда возможности микросхемы используются не полностью и на некоторые входы не подается сигналов. Однако при этом микросхема может не работать или работать нестабильно, так как ее правильное включение подразумевает наличие на всех входах логических уровней, пусть даже и неизменных. Поэтому рекомендуется подключать неиспользуемые входы к напряжению питания микросхемы U_CC или к общему проводу (к земле) в зависимости от того, какой логический уровень необходим на этом входе. Но для некоторых серий микросхем, выполненных по технологии ТТЛ (например, К155 или КР531), неиспользуемые входы надо подключать к напряжению питания не напрямую, а только через резистор величиной около 1 кОм (достаточно одного резистора на 20 входов).

На неподключенных входах микросхем ТТЛ формируется напряжение около 1,5–1,6 В, которое иногда называют висячим потенциалом. Обычно этот уровень воспринимается микросхемой как сигнал логической единицы, но рассчитывать на это не стоит. Потенциал, образующийся на неподключенных входах микросхем КМОП, может восприниматься микросхемой и как логический нуль, и как логическая единица. В любом случае все входы надо куда-то подключать. Неподключенными допускается оставлять только те входы (ТТЛ, а не КМОП), состояние которых в данном включении микросхемы не имеет значения.

Выходы микросхем принципиально отличаются от входов тем, что учет их особенностей необходим даже на первом и втором уровнях представления.

Существуют три разновидности выходных каскадов, существенно различающиеся как по своим характеристикам, так и по областям применения:

• стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S или, реже, ТТЛ, TTL);
• выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC);
• выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается 3С, 3S).

Стандартный выход 2С имеет всего два состояния: логический нуль и логическая единица, причем оба они активны, то есть выходные токи в обоих этих состояниях (I_OL и I_OH) могут достигать заметных величин. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух выключателей, которые замыкаются по очереди (рис. 1.9), причем замкнутому верхнему выключателю соответствует логическая единица на выходе, а замкнутому нижнему — логический нуль.

Рис. 1.9. Три типа выходов цифровых микросхем

Выход с открытым коллектором ОК тоже имеет два возможных состояния, но только одно из них (состояние логического нуля) активно, то есть обеспечивает большой втекающий ток I_OL. Второе состояние сводится, по сути, к тому, что выход полностью отключается от присоединенных к нему входов. Это состояние может использоваться в качестве логической единицы, но для этого между выходом ОК и напряжением питания необходимо подключить нагрузочный резистор R (так называемый pull-up) величиной порядка сотен Ом. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из одного выключателя (рис. 1.9), замкнутому состоянию которого соответствует сигнал логического нуля, а разомкнутому — отключенное, пассивное состояние. Правда, от величины резистора R зависит время переключения выхода из нуля в единицу, что влияет на задержку t_LH, но при обычно используемых номиналах резисторов это не слишком важно.

Наконец, выход с тремя состояниями 3С очень похож на стандартный выход, но к двум состояниям добавляется еще и третье — пассивное, в котором выход можно считать отключенным от последующей схемы. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух переключателей (рис. 1.9), которые могут замыкаться по очереди, давая логический нуль и логическую единицу, но могут и размыкаться одновременно. Это третье состояние называется также высокоимпедансным или Z-состоянием. Для перевода выхода в третье Z-состояние используется специальный управляющий вход, обозначаемый OE (Output Enable — разрешение выхода) или EZ (Enable Z-state).

Почему же помимо стандартного выхода (2С) были предложены еще два типа выходов (ОК и 3С)? Дело в том, что выходы, имеющие помимо активных еще и пассивное состояние, очень удобны для объединения их между собой. Например, если на один и тот же вход надо по очереди подавать сигналы с двух выходов (рис. 1.10), то выходы 2С для этого не подходят, а вот выходы ОК и 3С — подходят.

При объединении двух или более выходов 2С вполне возможна ситуация, при которой один выход стремится выдать сигнал логической единицы, а другой — сигнал логического нуля. Легко заметить, что в этом случае через верхний замкнутый ключ выхода, выдающего единицу, и через нижний замкнутый ключ выхода, выдающего нуль, пойдет недопустимо большой ток короткого замыкания I_кз. Это аварийная ситуация, при которой уровень получаемого выходного логического сигнала точно не определен — он может восприниматься последующим входом и как нуль, и как единица. Конфликтующие выходы могут даже выйти из строя, нарушив работу микросхем и схемы в целом.

Зато в случае объединения двух выходов ОК такого конфликта в принципе произойти не может. Даже если ключ одного выхода замкнут, а другого — разомкнут, аварийной ситуации не произойдет, так как недопустимо большого тока не будет, а на объединенном выходе будет сигнал логического нуля. А при объединении двух выходов 3С аварийная ситуация хоть и возможна (если оба выхода одновременно находятся в активном состоянии), но ее легко можно предотвратить, если организовать схему так, что в активном состоянии всегда будет находиться только один из объединенных выходов 3С.

Рис. 1.10. Объединение выходов цифровых микросхем

Объединение выходов цифровых микросхем совершенно необходимо также при шинной (или, как еще говорят, магистральной) организации связей между цифровыми устройствами. Шинная организация связей применяется, например, в компьютерах и в других микропроцессорных системах. Суть ее сводится к следующему.

При классической организации связей (рис. 1.11) все сигналы между устройствами передаются по своим отдельным линиям (проводам). Каждое устройство передает свои сигналы всем другим независимо от других устройств. В этом случае обычно получается очень много линий связи, к тому же правила обмена сигналами по этим линиям (или протоколы обмена) чрезвычайно разнообразны.

Рис. 1.11. Классическая организация связей

Рис. 1.12. Шинная организация связей

При шинной же организации связей (рис. 1.12) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям (проводам), но в разные моменты времени (это называется временным мультиплексированием). В результате количество линий связи резко сокращается, а правила обмена сигналами существенно упрощаются. Группа линий (сигналов), используемая несколькими устройствами, как раз и называется шиной. Понятно, что объединение выходов в этом случае совершенно необходимо — ведь каждое устройство должно иметь возможность выдавать свой сигнал на общую линию. К недостаткам шинной организации относится прежде всего невысокая (по сравнению с классической структурой связей) скорость обмена сигналами. При простых структурах связи она может быть избыточна.

Но вернемся к типам выходов цифровых микросхем.

На третьем уровне представления (электрическая модель) необходимо уже учитывать, что выходные ключи (рис. 1.9) представляют собой не простые тумблеры (как на первых двух уровнях представления), а транзисторные ключи со своими специфическими параметрами. Однако в большинстве случаев достаточно знать, какой ток может выдать данный выход при логическом нуле (I_OL) и при логической единице (I_OH). Величины этих токов не должны превышать суммы токов всех входов, подключенных к данному выходу (соответственно I_IL и I_IH). Количеством входов, которое можно подключить к одному выходу, определяется коэффициент разветвления или нагрузочную способность микросхемы. Существуют микросхемы с обычной нагрузочной способностью и с повышенной нагрузочной способностью (больше обычной в два раза и более). Выходы 3С, как правило, имеют повышенную нагрузочную способность (то есть обеспечивают большие выходные токи). Выходы 2С и ОК могут быть как с обычной, так и с повышенной нагрузочной способностью.

Также на третьем уровне представления (электрическая модель) необходимо учитывать выдаваемые выходом микросхемы величины выходных напряжений U_OL и U_OH. Выходы ОК могут быть рассчитаны как на обычное выходное напряжение логической единицы (U_OH = U_CC = 5 В), так и на повышенное напряжение логической единицы (до 30 В). В последнем случае внешний резистор этого выхода (см. рис. 1.9) подключается к источнику повышенного напряжения.

Только в сложных случаях, например, при переводе логического элемента в линейный режим за счет обратных связей, нужен учет других параметров входных и выходных каскадов. Но в этих редких случаях гораздо проще и надежнее не считать ничего самому, а воспользоваться стандартными схемами включения микросхем или подобрать режимы работы и номиналы внешних элементов (резисторов, конденсаторов) непосредственно на макете проектируемого устройства. В отличие от расчетов, такой подход даст полную гарантию работоспособности выбранного решения.