Тема 3.1 Основные сведения о цифровых микросхемах
С момента изобретения транзистора и появления электронной промышленности ученые и инженеры столкнулись с необходимостью разработки и производства компактных схем в одном корпусе. Результатом такой работы стало практически одновременное (в 1960-х годах) появление нескольких технологий создания микросхем, но в целом они свелись только к двум технологиям производства транзисторов в то время:
Преимущества:
1. Высокое быстродействие (десятки мегагерц).
2. Относительно низкая чувствительность к воздействию статических зарядов.
Недостатки:
1. Высокое энергопотребление и большое падение напряжения на выходах микросхемы (при логической 1 на выходах напряжение существенно ниже напряжения питания). ТТЛ потребляет больше энергии, чем КМОП. Это верно в том смысле, что вход ТТЛ – это просто база биполярного транзистора, которому требуется ток для его включения.
2. Высокие требования к напряжению питания (отклонение не более 0,5 В от номинального).
3. Низкая помехоустойчивость из-за низкого порога срабатывания логического элемента.
Сфера применения: Благодаря своему очень высокому быстродействию микросхемы на основе ТТЛ получили широкое распространение в компьютерах и различных вычислительных системах, в основном стационарных, где нет острого вопроса по энергопотреблению. Кроме этого, применяются они в электронных музыкальных инструментах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и автоматике. Однако при их использовании всегда необходимо уделять особое внимание стабилизации питания, иначе микросхема либо не будет работать, либо сгорит от даже незначительного превышения напряжения питания. По этой же причине всегда следует принимать усилия по согласованию уровней напряжения, если планируется использование ТТЛ-микросхем совместно с другим типом микросхем. При работе с ТТЛ-микросхемами не забывайте подтягивать неиспользуемые входы к «земле» или «питанию» (в зависимости от того, что надо получить от микросхемы). Данная мера необходима в связи с низкой помехоустойчивостью.
2. Логика, основанная на комплементарной структуре металл-оксид-полупроводник (сокращенно КМОП или по-английски CMOS - complementary metal-oxide-semiconductor). Указанная структура КМОП представляет собой наборы полевых транзисторов.
Преимущества:
1. Низкие требования к питанию. Микросхемы стабильно работают при широком диапазоне питающих напряжений. В последних поколениях диапазон сузился, но все равно остается широким по сравнению с ТТЛ-микросхемами.
2. Низкое энергопотребление, которое делает их идеальными для мобильных устройств (в статическом состоянии почти не потребляет энергии).
3. На выходах логическая 1 близка к напряжению питания, а логический ноль близок к «земле».
4. Порог переключения логических элементов низок и составляет половину напряжения питания.
5. Высокая помехоустойчивость благодаря широким допускам напряжения как при логическом 0, так и при логической 1.
Недостатки:
1. Относительно высокая чувствительность к воздействию статических зарядов. Микросхемы первых поколений очень сильно боялись статического напряжения и легко выходили из строя от неаккуратного обращения. Микросхемы последнего поколения стали более устойчивыми, но все равно требуют антистатических мер предосторожности.
2. Менее высокое быстродействие, чем у ТТЛ-микросхем — особенно у микросхем первых поколений. Несмотря на то, что современные КМОП-микросхемы по быстродействию значительно улучшили свои позиции, они все равно уступают по этому параметру микросхемам семейства ТТЛ.
3. Быстродействие сильно зависит от напряжения питания. На низких напряжениях 2-3 вольта быстродействие уменьшается в несколько раз по сравнению с напряжением питания 5-6 В.
4. Высокоомность входов микросхем. Во избежание наводок или воздействия статического электричества необходимо неиспользуемые входы подключать к «земле» или питанию в зависимости от сигнала, требуемого по умолчанию.
Сфера применения. Изначально КМОП-микросхемы выполняли функцию энергосберегающей, но медленной альтернативы ТТЛ-микросхемам. Поэтому они КМОП нашли применение прежде всего там, где требовалась продолжительная автономная работа, но была не сильно важна производительность: в электронных часах, калькуляторах и других устройствах с питанием от батареек.
Однако по мере развития вычислительных систем и наращивания их производительности, в том числе с помощью увеличения плотности электронных компонентов в микросхеме, встала проблема рассеивания энергии на элементах. Поэтому технология КМОП стала оказываться в выигрышном положении по сравнению с ТТЛ. В итоге продолжительной работы по совершенствованию технологии КМОП были достигнуты результаты по скорости переключения и плотности монтажа, превосходящие решения на биполярных транзисторах. Поэтому в настоящее время КМОП-микросхемы обладают высокой популярностью для решения самых разных задач. Тем не менее, несмотря на значительный прогресс КМОП-микросхем, все равно следует соблюдать осторожность и принимать меры по нейтрализации исконных недостатков, например, чувствительности к электростатическим зарядам.
Для построения устройств автоматики и вычислительной техники широкое применение находят цифровые микросхемы серии К155, которые изготавливают по стандартной технологии биполярных микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Имеется свыше 100 наименований микросхем серии К155. При всех своих преимуществах - высоком быстродействии, обширной номенклатуре, хорошей помехоустойчивости - эти микросхемы обладают большой потребляемой мощностью.
Поэтому им на смену выпускают микросхемы серии К555, принципиальное отличие которых - использование транзисторов с коллекторными переходами, зашунтированными диодами Шоттки. В результате транзисторы микросхем серии К555 не входят в насыщение, что существенно уменьшает задержку выключения транзисторов. К тому же они значительно меньших размеров, что уменьшает емкости их р-n-переходов. В результате при сохранении быстродействия микросхем серии К555 на уровне серии К155 удалось уменьшить ее потребляемую мощность примерно в 4...5 раз.
Дальнейшее развитие микросхем серий ТТЛ - разработка микросхем серии КР1533. Основное эксплуатационное отличие их от схем серии К555 - в 1.5...2 раза меньше потребляемая мощность при сохранении и повышении быстродействия.
Средняя задержка распространения элементов микросхем серии К155, К555, КР1533 примерно 15...20 нс. В случаях, когда требуется более высокое быстродействие, используют микросхемы серии КР531.
Стандартные выходные уровни лог. 1 составляют 2,4...2,7 В
Лог. 0 составляет 0 - 0,5 В