Правила соединения КМОП- и ТТЛ- логических элементов
В этой статье кратко рассмотрим хронологии «взлетов и падений» семейств цифровой логики. Также рассмотрим входные и выходные характеристики «выживших» семейств ТТЛ- КМОП-логики для того, чтобы понять, как осуществить сопряжение логических семейств друг с другом и с устройствами цифрового ввода (переключателями, клавиатурой, компараторами и т.п.)
Историческая справка логических семейств
В «давние» времена, предприимчивые люди, не пожелавшие создавать свои логические схемы на дискретных транзисторах, самоотверженно бились над резисторно-транзисторной логикой (РТЛ). Это было простое семейство логических элементов, характеризующееся небольшим коэффициентом разветвления по выходу и низкой помехоустойчивостью.
Рисунок иллюстрирует возникшие в то время проблемы.
В частности, логический порог, превышающий уровень земли на одно напряжение Uбэ, и крайне маленький коэффициент разветвления по выходу были обусловлены пассивной выходной схемой и низкоомной токоотводящей нагрузкой. РТЛ была логикой +3,6 В. В некоторых случаях один выход мог питать только один вход! Это были времена малой интеграции. Наиболее сложным элементом, который можно было реализовать, был сдвоенный триггер, работающий на частоте 4 МГц. Но схемы на РТЛ смело строились. Иногда сбивались особенно, когда в той же комнате включали паяльник.
Похоронный звон по РТЛ прозвучал несколькими годами позже, когда появилась диодно-транзисторная логика (ДТЛ) фирмы Signetics
и вскоре вслед за ней универсальная быстродействующая логика SUHL фирмы Sylvania, которая теперь называется транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ).
Фирма Signetics выпускала распространенную смесь из двух серий, названную DCL Utilogic серии 8000 («Логические схемы по выбору проектировщика»). ТТЛ быстро прижилась особенно в «системе счисления» «74хх», автором которой была фирма Texas Instruments. В этих семействах были применены входы, поставляющие ток, с логическим порогом в 2 напряжения Uбэ и (как правило) двухтактные каскадные выходы. Семейства ДТЛ и ТТЛ открыли эру положительной 5-вольтовой логики и предлагали скорость, соответствующую 25 МГц, а коэффициент разветвления по выходу 10. Один выход мог работать на 10 входов. Разработчики не могли нарадоваться скорости, надежности и сложным функциям (например, счетчику по модулю 10) этих семейств. Казалось, что больше и мечтать не о чем. ТТЛ-это на веки вечные.
Однако людям свойственно стремление к совершенствованию. Им потребовалась большая скорость, меньшая мощность потребления. Казалось бы, вскоре они получили и то и другое. В области высокого быстродействия скоростные ТТЛ- схемы (серии 74Н) позволили увеличить скорость почти вдвое, правда, за удвоенную мощность! (это выдающееся достижение было сделано путем уменьшения вдвое величин всех резисторов).
Другое семейство — эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) — представило настоящую скорость (30 МГц в первоначальной версии) за счет использования отрицательного источника питания и более близких друг к другу логических уровней (- 0,98 В и — 1,75 В).
Элементы семейства потребляли уйму мощности и едва втиснулись в малый уровень интеграции. В области низкой мощности появились маломощные ТТЛ-элементы (серия 74L) с 1/4 скорости при 1/10 мощности, соответствующих «стандартной» ТТЛ серии 7400.
При поддержке фирмы RCA было разработано первое семейство логических элементов на МОП-транзисторах, КМОП-логика серии 4000.
Эти элементы обладали нулевой мощностью потребления в состоянии покоя и широким диапазоном напряжения питания (от 4-3 до 4- 12 В). Выходы имели размах, равный напряжению питания, а входы не «оттягивали» ток. Это были хорошие новости, но были и плохие — скорость (1 МГц при питании 10 В) и цена. Несмотря на большую цену на микромощных КМОП-элементах выросло целое поколение разработчиков устройств с батарейным питанием, просто не было другого выбора. Работая с легко «ранимыми» входами, разработчики поняли истинное значение статического электричества.
Такова была ситуация на начало 1970-х гг. — две главные линии биполярной логики (ТТЛ и ЭСЛ) и необычная КМОП-логика. Варианты ТТЛ были по природе своей совместимы друг с другом, за исключением того, что ТТЛ-элементы серии 74L имели слабый выходной узел (отвод тока 3,6 мА) и могли питать только две стандартных (серии 74) нагрузки ТТЛ (чьи входы требовали 1,6 мА на низком уровне). Среди большинства семейств почти не было совместимости (хотя погруженные ТТЛ-элементы могли питать КМОП-элементы, а 5-вольтовые КМОП — только одну ТТЛ-нагрузку серии 74L).
В течение 1970-х гг. ситуация постоянно улучшалась практически на всех направлениях. От ТТЛ отпочковались ненасыщенные «фиксируемые диодами Шоттки» семейства.
Сначала серия 74S, которая благодаря утроенной скорости при удвоенной мощности вытеснила серию 74Н. Затем 74LS (L-low, 5- Schottky, маломощная Шоттки), которая, слегка улучшив скорость при 1/5 мощности, вытеснила ТТЛ серии 74. Жизнь с 74LS и 74S была приятной. Затем подоспела фирма Fairchild со своей серией 74F. F-FAST: Fairchild Advanced Schottky TTL-усовершенствованная ТТЛ с диодами Шоттки фирмы Fairchild. Она была быстрее на 50%, чем 74S, при 1/3 мощности. Кроме того, были и другие улучшения, так что проектирование схем на этих элементах стало сплошным удовольствием.
Фирма Texas Instruments (автор многих линий 74хх) выпустила пару улучшенных семейств Шоттки-логики: 74AS (улучшенная Шоттки-логика) и 74ALS («улучшенная маломощная Шоттки»). Предполагалось, что первое семейство заменит 74S, а второе-74LS. Все эти ТТЛ-семейства имели одинаковые логические уровни и добротную схему формирования выхода, так что их можно было сочетать в одной схеме.
Между тем серия 4000 КМОП эволюционировала в улучшенную серию 4000 В с более широким диапазоном напряжения питания (от 3 до 18 В), лучшей защитой входов и более высокой скоростью (3,5 МГц при 5 В). По существу, это та же серия 74S с функциями и выводами семейства 74, которая переняла успех биполярной логики семейства 74.
ЭСЛ пустила ростки в виде ECLII, ECLIII, ECL 10,000 и ECL 100,000, обладающие скоростью до 500 МГц.
Итак, ситуация в 1980 г. была следующей. Большинство схем было выполнено на серии 74LS в сочетании с 74F (или 74AS), если требовалась более высокая скорость. Та же самая ТТЛ использовалась как своего рода клей для связи микропроцессорных n-МОП-схем, чьи входы и выходы были совместимы с ТТЛ.
Микромощные устройства всегда были сделаны с использованием КМОП-серий 4000 В или 74С, эквивалентными и совместимыми друг с другом. Для устройств с самой высокой скоростью (100 — 500 МГц) использовалась ЭСЛ. Совместное использование семейств было не столь уж частым явлением, исключение составляли редкие сочетания КМОП и ТТЛ или сопряжение ТТЛ с быстродействующими ЭСЛ-схемами.
В 1980-е гг. произошло замечательное событие-разработка КМОП-логики со скоростью и выходными параметрами, соответствующими ТТЛ. Сначала появились элементы серии 74НС («высокоскоростная КМОП-логика») с такой же скоростью как 74LS и, разумеется, с нулевым током покоя. Затем серия 74АС («улучшенная КМОП-логика») с такой же скоростью как 74F или 74AS. Эта логика обладала размахом выходного сигнала, равным напряжению питания, и входным порогом, равным половине напряжения источника питания. Логика сочетает лучшие свойства предшествующих ТТЛ- и КМОП-логики и постепенно должна вытеснить биполярную ТТЛ. Вместе с тем имеется некоторая несовместимость. Логический «высокий» уровень выходного сигнала ТТЛ- и n-МОП-логики (мин. 2,4 В) не достаточен для запуска входа НС и АС. Поэтому был период времени, когда необходимо было использовать некоторые из старых семейств биполярной ТТЛ- или n-МОП-логики. Каждое семейство КМОП- логики имеет вариант с более низким входным порогом. Такие семейства имеют наименование 74НСТ и 74АСТ («быстродействующая КМОП-логика с ТТЛ-порогом»).
В 80-е гг. БИС и СБИС постепенно переключались с n-МОП-технологии на КМОП (с вытекающими отсюда низкой мощностью и КМОП-совместимостью), одновременно увеличивая скорость и сложность. И наконец, на вершине быстродействия — элементы на GaAs (арсенида галлия), обеспечивающие скорость в несколько гигагерц.
Заметьте, что все КМОП-семейства (4000 В, 74 С, НС, НСТ, АС и ACT) обладают довольно привлекательным свойством — нулевой «статической» мощностью рассеивания с типовым током покоя менее микроампера. Но при переключениях логических уровней КМОП-элементы потребляют «динамический» ток, обусловленный двумя эффектами:
а) переходной проводимостью между шинами питания внутренних двухтактных пар в середине логического перепада
б) динамическим током, необходимым для заряда и разряда внутренних емкостей и емкости нагрузки.
Динамический ток пропорционален частоте переключения и может соперничать с током биполярной логики при достижении максимальной частоты работы.
В завершении исторической справки следующие рекомендации:
Используйте во всех ваших новых устройствах логику 74НС в сочетании с
а) 74НСТ для обеспечения совместимости с существующими устройствами на n-МОП- и ТТЛ
б) 74АС(Т) для обеспечения скорости.
Можно использовать биполярную ТТЛ (74LS/ALS и 74F/S), но предпочтительнее, по-видимому, КМОП-логика. Если требуется широкий диапазон напряжения питания, а к быстродействию особых требований не предъявляется, то используйте старую серию 4000 В/74С.
Входные и выходные характеристики
Семейства цифровой логики проектируются таким образом, чтобы выход кристалла был способен работать на большое число входов элементов того же семейства. Типовой коэффициент разветвления по выходу равен 10. Это означает, что к выходу вентиля или триггера можно подключить до 10 входов и элемент будет правильно работать. Практически это означает, что вы можете особенно не думать о реальных процессах, происходящих на логических входах и выходах.
Однако если вы пытаетесь подключить цифровую схему к внешним источникам цифровых или аналоговых сигналов, необходимо иметь представление о том, что нужно для управления логическим входом и чем может управлять логический выход. Более того, при смешивании семейств логических элементов важно знать схемные особенности логических входов и выходов. Сопряжение логических семейств представляет отнюдь не чисто теоретический интерес. Для того чтобы воспользоваться преимуществами, которыми обладает только одно семейство логических элементов, не мешало бы знать, как сочетать логические элементы различных типов.
Входные характеристики
Графики, приведенные на рисунке ниже, демонстрируют основные свойства КМОП- и ТТЛ-входов — входной ток и выходное напряжение (для инвертора) как функции входного напряжения.
На графиках несколько расширен диапазон входных напряжений по сравнению с принятым в цифровых схемах, поскольку при сопряжении легко могут возникнуть ситуации, когда входные сигналы будут превышать напряжение источника питания. Как следует из графиков, и КМОП-логика и ТТЛ нормально работают при подключении вывода питания отрицательной полярности к земле.
При подаче на ТТЛ-вход низкого уровня он работает как источник тока заметной величины, а при подаче высокого уровня — как нагрузка, потребляющая небольшой ток (никогда не превышает 20 мкА). Для управления ТТЛ-входом вы должны обеспечить отвод тока порядка 1 мА (точные значения приведены в таблице 1), поддерживая напряжение на входе на уровне менее 0,4 В. Несоблюдение этого условия может привести к неправильной работе схемы при сопряжении!
Для входных напряжений ниже уровня земли ТТЛ-вход ведет себя как фиксирующий диод, включенный на землю. При напряжениях выше + 5 В ток определяется напряжением пробоя диода (LS, F) или перехода база-эмиттер (ALS, AS) с напряжением пробоя около 10 В.
Типичное значение входного порога ТТЛ составляет примерно + 1,3 В, хотя по техническим условиям он может находиться между +0,8 и +2,0 В.
ТТЛ- вентили с триггерами Шмитта на входе (’13, ’14, ’132) имеют гистерезис ±0,4 В. При графическом изображении они помечаются символом гистерезиса. Напряжение питания Uпит (обычно его обозначают UKK) составляет + 5,0 В ±5%.
Входы КМОП-элементов при входных напряжениях от уровня земли до напряжения питания не потребляют ток (за исключением тока утечки, типовое значение которого составляет 10-5 мкА). Для напряжений выше диапазона напряжений питания входы ведут себя как два фиксирующих диода, подключенных к положительному полюсу источника питания и к земле
Кратковременный ток через эти диоды, превышающий примерно 10 мА, переводит многие КМОП-приборы в состояние тиристорного «защелкивания». Более новые схемы противостоят большим токам и обладают иммунитетом к этой «болезни». Например, на входы семейств НС и НСТ можно подавать на 1,5 В выше напряжения питания без нарушения функционирования или разрушения прибора. Диоды на входе применяются для защиты входов. Без них КМОП-элементы были бы чрезвычайно подвержены разрушениям от статического электричества при ручных манипуляциях.
Типовое значение порога для семейств 4000В, 74С, 74НС и 74АС составляет половину напряжения питания, но он может колебаться от 1/3 до 2/3 U+ (U+ обычно называют Uсс). Для 74НСТ и 74АСТ типовой порог равен примерно 1,5 В для обеспечения совместимости с ТТЛ. Как и в ТТЛ, существуют КМОП-вентили с триггерами Шмитта на входе. Напряжение питания КМОП-логики составляет от + 2 до + 6 В для НС, АС, + 5 В ±10% для НСТ и ACT, и от +3 до +18 В для 4000В и 74С.
Выходные характеристики
Выходной узел ТТЛ представляет собой п-р-п -транзистор, подключенный к земле, и п-р-п—повторитель (или схема Дарлингтона), подключенный к U+ с резистором, ограничивающим ток, в коллекторе. Один транзистор насыщен, другой выключен. В результате ТТЛ-элемент может отводить большой ток на землю (8 мА для 74LS, 24 мА для 74F) при небольшом падении напряжения. Способен отдавать по меньшей мере несколько миллиампер при высоком выходном уровне (около +3,5 В). Выходная схема проектируется таким образом, чтобы можно было подключить до 10 ТТЛ-входов.
Выходная схема КМОП-логики представляет собой двухтактную пару комплементарных МОП-транзисторов. Один включен, другой выключен (смотрите рисунок выше). Выход ведет себя как rоткр МОП-транзистора, подключенное к земле или к U+, если напряжение на нем находится в пределах 1 В относительно шины питания. Или ведет себя как источник тока, если вы отбираете такой большой ток, что напряжение на выходе отличается на 1-2 В от напряжения на шинах питания. Типовое значение rоткр составляет от 200 Ом до 1 КОм для 4000В/74С, 50 Ом-для 74НС(Т) и 10 Ом для 74АС(Т). Выходные характеристики КМОП и ТТЛ показаны на рисунке:
На рисунке изображено типовое выходное напряжение для обоих состояний выхода — ВЫСОКОГО и НИЗКОГО в зависимости от входного тока. Для упрощения графиков входной ток везде показан положительным. Заметьте, что выходы КМОП-элементов, если они не сильно нагружены, подключаются либо к U+, либо к земле, обеспечивая полный размах выходного напряжения.
При подключении только КМОП-нагрузок (нулевой статический ток) размах составляет полное напряжение на шинах питания. Для сравнения отметим, что типовое значение ТТЛ-уровней составляет 50-200 мВ (НИЗКИЙ) или +3,5 В (ВЫСОКИЙ) при условии подключения в качестве нагрузки других ТТЛ-элементов. Подключение нагрузочного резистора доводит высокий ТТЛ-уровень до +5 В.
Совмещение логических семейств
Поскольку иногда приходится смешивать различные типы логических семейств, важно знать, каким образом можно обеспечить «общение» различных семейств друг с другом. Например, многие представляющие интерес кристаллы БИС созданы на основе n-МОП-технологии с ТТЛ-совместимыми выходными уровнями. ВЫСОКИЙ уровень около + 3 В. Но их нельзя сразу же подключать к 74НС.
Другой пример, вам захотелось использовать превосходную серию счетчиков 74С9хх в существующей схеме, построенной на 74LS. Или вам понадобилась 5-вольтовая логика по периферии 12-вольтовой КМОП-системы для того, чтобы обеспечить соединение с внешними ТТЛ-совместимыми сигналами, или для питания кабелей.
Воспрепятствовать сочетанию какой-либо логической пары кристаллов могут только 3 вещи:
а) несовместимость входных логических уровней;
б) возможности выходного формирователя
в) напряжение питания.
Проблемы сопряжений сведены в таблице:
OKa — с ограниченным коэффициентом разветвления по выходу. (+) — работает; ( -) — не работает;
А — используйте открытый коллектор с резистором, подключенным к +5 В, или промежуточный вентиль НСТ;
B — используйте: 1) резистор, подключенный к +10 В; 2) элементы 40109, 14504 или преобразователь уровней LTC1045;
C — используйте элементы 74С901/2, 4049/50, 14504 или преобразователь уровней LTC1045.
ТТЛ использует напряжение питания + 5 В и обычно выдает высокий уровень всего около +3,5 В. Она обладает хорошим низким уровнем — почти до земли. Таким образом, ее можно подключить к логике с низким значением порога, т. е. к ТТЛ, НСТ, ACT и n-МОП, в которых заранее закладывается совместимость. Для того чтобы управлять НС, АС и 4000В/74С, работающих при 5 В, понадобится полный перепад до +5 В. Это можно сделать с помощью резисторной подвески к +5 В или вставляя буфер НСТ (НСТ и ACT имеют выходы с полным перепадом). Если вы используете подвеску, следует учесть, что значение резистора определяется компромиссом. Чем меньше, тем быстрее, но при большей мощности. Обычно выбирают 4,7 КОм. Резистор подвески подтягивает высокий выходной уровень ТТЛ к +5В.
Последняя часть волны подъема (во время которой резистор и делает всю работу) довольно медленная. Для того чтобы управлять высоковольтной КМОП-логикой, можно воспользоваться преобразователем уровней типа 40109, 14504 или LCT1045. Они очень медленные, ну и пусть, мы все равно пытаемся управлять медленной КМОП-логикой. n-МОП-выходы похожи на ТТЛ, но в общем случае обладают меньшей нагрузочной способностью. Поэтому можно использовать те же средства сопряжения.
Выходы всех КМОП-семейств обладают перепадом, равным напряжению питания. Это означает, что вы можете непосредственно подключать 5-вольтовую КМОП-логику к ТТЛ, n-МОП- и к 5-вольтовой КМОП-логике. Учтите, однако, что КМОП старого типа (4000В/74С) имеют слабый выход при работе от 5 В (ток отвода 0,5 мА) и полностью теряют свою способность управлять ТТЛ. Для этих семейств используйте транслятор уровней для управления высоковольтной КМОП-логикой.
Превосходным решением задачи сопряжения КМОП-ТТЛ/n-МОП является использование КМОП при уменьшенном напряжении питания. По стандарту JEDEC Standard № 8 напряжение питания составляет 4-3,3 В, при этом входной порог располагается вблизи обычного ТТЛ-порога 1,4 В. Таким образом, ТТЛ может непосредственно управлять НС/АС при питании 3,3 В и наоборот. Дополнительно работа при 3,3 В снижает динамическую мощность потребления на 55% относительно мощности при 5 В при увеличении задержек распространения почти на 40%. Однако нельзя подключать (и в том, и в другом направлении) 3,3-вольтовую КМОП к другим КМОП, работающим при 5 В.
Наконец, высоковольтная КМОП-логика может управлять 5-вольтовой логикой, если для формирования 5-вольтового выходного перепада поставить преобразователь уровней (74С901/2, 14504, LTC1045 или 4049/4050). Можно управлять LS ТТЛ-элементами непосредственно от высоковольтной КМОП-логики, поскольку там нет диодов, защищающих входы, и входное напряжение пробоя обычно превышает 10 В. Однако в соответствии с техническими условиями на LS (абсолютное максимальное входное напряжение 7 В) необходимо использовать преобразователь уровней.
Предостережение. Хотя статические логические уровни могут не вызывать беспокойства. Но иногда возникает занимательная динамическая несовместимость, если попытаться управлять фронтовыми входами (например, входы синхронизации счетчиков) НС или АС от выходов более медленной логики типа 4000В или 74С. На рисунке ниже изображены многократные переходы, которые вы могли часто наблюдать:
Иногда кристалл НС совсем отказывается считать до тех пор, пока вы не прикоснетесь щупом осциллографа (или небольшой емкостью)! По-видимому, виновником этого является комбинация большого времени перехода и относительно высокого выходного импеданса медленной КМОП.
На рисунках приведены некоторые сочетания семейств:
Управление КМОП- и ТТЛ-входами
Механические ключи в качестве устройств ввода
Если известны входные характеристики используемой логики, то управление цифровыми входами от переключателей, клавиатуры, компараторов и т.п. не доставит вам особых осложнений. Самый простой способ — это использовать резистор, подключенный к шине питания
Для элементов ТТЛ, учитывая их входные характеристики, лучше всего, когда резистор коммутируется ключом на землю. Ключ легко отбирает входной ток на низком уровне, а резистор поднимает высокий уровень до +5 В, обеспечивая высокую помехоустойчивость. Кроме того, это удобно, когда ключ возвращается в состояние, соответствующее земле.
Способ, когда резистор подключается к земле, а ключ обеспечивает коммутацию к +5 В, нежелателен. Так как при этом необходима маленькая величина сопротивления резистора (220 Ом), гарантирующая низкий ТТЛ-уровень в несколько десятых вольта. Это означает, что при замкнутом ключе будет протекать большой ток.
В схеме с подвеской к шине питания помехоустойчивость при разомкнутом ключе (худший случай с точки зрения чувствительности к помехе) будет составлять по крайней мере 3 В. В то время как в схеме с подвеской к земле — всего 0,6 В (для ТТЛ FAST нижний порог +0,8 В, входной ток равен — 0,6мА).
Для КМОП-логики и та и другая схема работает превосходно, поскольку входы не потребляют ток, а типовое значение порога составляет половину Ucc. Обычно если схема становится проще при наличии высокого уровня, когда ключ замкнут, то вполне пригоден способ с подключением резистора на землю.
Дребезг ключей
Как было отмечено в разделе «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ЛОГИКА. ТРИГГЕРЫ. Подавление дребезга контактов», после замыкания контактов механических переключателей дребезг контактов продолжается в течение примерно 1 мс. Дребезг крупногабаритных переключателей может продолжаться до 50 мс. Это может приводить к беспорядочным переключениям в схемах, реагирующих на смену состояний. Например, если триггер или счетчик тактируются прямо от ключа, то возможно многократное их переключение. В подобных ситуациях следует подавить дребезг ключа электронными средствами. Рассмотрим несколько способов подавления.
1. Можно собрать из двух вентилей асинхронный RS-триггер, не забыв, разумеется, о резисторах подвески к шине питания
Можно использовать готовый триггер с входами СБРОС и УСТАНОВКА (например, ’74), заземлив вход синхронизации.
2. Используйте интегральный вариант предыдущей схемы. Элементы ’279, 4043 и 4044 представляют собой счетверенные RS -триггеры.
3. Используйте КМОП-триггер Шмитта с замедляющей RC-цепочкой на входе
Фильтр нижних частот R2С1 сглаживает дребезг, поэтому триггер Шмитта переключится только один раз. В общем случае вполне достаточно иметь постоянную времени RС-цепочки, равную 10-25 мс. Для ТТЛ этот способ не подходит из-за низкого импеданса, необходимого для запуска ТТЛ-входов.
4. Можно воспользоваться кристаллом типа 4490, «сшестеренным подавителем дребезга». В этой превосходной схеме использована цифровая задержка (5-разрядный сдвиговый регистр на каждый ключ) как своего рода цифровой фильтр нижних частот. Схема содержит внутренние резисторы подвески и схему синхронизации. Пользователь добавляет времязадающий конденсатор, устанавливая частоту генератора и определяя тем самым время задержки.
5. Еще вариант, применить схему, показанную на рисунке, используя либо неинвертирующий вентиль, либо буфер.
Логический выход всегда можно заблокировать, замыкая его на U+ или землю, но при условии, что эта блокировка кратковременна. Приведенная схема удовлетворяет этому условию, поскольку принудительная установка действует только на интервале времени, равном задержке вентиля, после чего вентиль поддерживает сам себя в новом состоянии.
6. Применяйте компоненты с встроенным подавителем дребезга. Например, шифраторы клавиатуры проектируются с учетом того, что в качестве устройств ввода будут использованы механические ключи, поэтому они обычно содержат схему подавления дребезга.
7. Можно использовать ключи, построенные на основе эффекта Холла. Они представляют собой твердотельные ключи, управляемые магнитным полем, и используются в качестве панельных или клавиатурных ключей. Для их работы требуется напряжение 4- 5 В. Вырабатываемые ими бездребезговые логические выходные сигналы можно использовать для управления ТТЛ или КМОП-логикой, работающей от +5 В. Поскольку ключи на эффекте Холла не имеют изнашиваемых механических контактов, они практически вечны.
Несколько общих замечаний о ключах как устройствах ввода. Следует иметь в виду, что для однополюсных ключей на одно направление (иногда называемых «тип А») можно использовать 3-й и 4-й способы (и как правило, 6-й). В то время как для однополюсных ключей на 2 направления (тип «В») следует применять остальные способы. Помните также, что во многих случаях нет необходимости подавлять дребезг ключей. Ключи не всегда управляют схемами, чувствительными к фронту.
Еще один важный момент: хорошие ключи обладают обычно свойством «самоочистки», позволяющим сохранять чистоту контактных поверхностей. Тем не менее для очистки контактов желательно выбрать параметры схемы таким образом, чтобы через контакты протекал ток не менее нескольких миллиампер. Выбор подходящего материала для контактов (например, золото), а также специальная конструкция позволяют избежать этой проблемы «сухого переключения». Ключ будет хорошо работать даже при нулевом токе.
Управление цифровой логикой от компараторов и операционных усилителей
Компараторы и операционные усилители, наряду с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), являются обычными устройствами ввода, с помощью которых аналоговые сигналы могут управлять цифровыми схемами. На рисунке показано несколько примеров.
В первой схеме компаратор управляет ТТЛ непосредственно. Большинство компараторов содержат выходной n-p-n-транзистор с открытым коллектором и заземленным эмиттером. Поэтому остается только добавить нагрузочный резистор, подключенный к + 5 В. Аналогичную схему можно использовать и для КМОП, подключая резистор к + Ucc. Использование двуполярного источника для питания компаратора совсем не обязательно. Некоторые будут работать даже с одним источником питания 5 В (например, элементы LM311, LM339, LM393).
На второй схеме показан способ управления КМОП-логикой от операционного усилителя с использованием только последовательно включенного токоограничивающего резистора. Диоды защиты входов элементов КМОП образуют эффективные фиксаторы уровней Ucc и земли, благодаря чему входной ток не превышает 10 мА.
В третьей схеме операционный усилитель переводит n-p-n-транзистор в насыщение, обеспечивая возможность управления нагрузкой ТТЛ. Диод служит для предотвращения пробоя перехода база-эмиттер в обратном направлении (~6 В). В этой схеме R1 и D1 можно исключить, заменяя одновременно n-p-n-транзистор на n-канальный МОП-транзистор. Последняя схема не рекомендуется, но она вполне работоспособна. Фиксирующий диод на входе ТТЛ-элемента ограничивает отрицательный перепад до величины падения на диоде ниже земли, а внешний диод ограничивает положительный перепад. Последовательно включенный резистор предотвращает повреждение схемы, когда на входном транзисторе ТТЛ появляется напряжение обратного пробоя база-эмиттер. Величина резистора выбирается достаточно малой для того, чтобы отвести входной ток на низком уровне ТТЛ, когда на выходе операционного усилителя появится отрицательное напряжение в несколько вольт.
Тактовые входы. Гистерезис
Общее замечание относительно управления цифровой логикой от операционных усилителей. Не пытайтесь управлять тактовыми входами с помощью приведенных выше схем. Длительность перехода довольно большая и, когда входной сигнал проходит через напряжение логического порога, в вашей схеме могут появиться выбросы. Если возникает необходимость управлять тактирующими входами (триггеров, одновибраторов и т. п.), лучше всего использовать компаратор с гистерезисом. Или поставить на входе вентиль с триггером Шмитта (или любой другой элемент такого типа). Аналогичное замечание относится и к сигналам от транзисторных аналоговых схем. Обратимся к рисунку:
Величину резистора R2 выбирают таким образом, чтобы гистерезис составлял 50 мВ. Параллельно резистору обратной связи включен небольшой конденсатор С2, который обеспечивает необходимую скорость переходов и предотвращает появление многократных импульсов при пересечении порога (элемент 311 особенно склонен к этому). Для предотвращения выбросов на входе опорного напряжения важную роль играет конденсатор развязки С1. Во многих случаях опорное напряжение равно нулю и тогда С1 можно не ставить.
Замечания, касающиеся логических входов
При разработке ТТЛ-элементов имеется тенденция использовать низкий уровень в качестве активного входного сигнала (как и для их аналогов НС и АС). Например, от низкого уровня срабатывают входы УСТАНОВКА и СБРОС триггеров. Поэтому цепи внешних цифровых входных сигналов почти всегда содержат нагрузочный резистор и, будучи активными, находятся в состоянии низкого уровня (отвод тока). Это удобно, поскольку механические ключи и т. п. могут работать с возвратом на землю. Кроме этого, возрастает помехоустойчивость, так как цепь с напряжением около 4-5 В имеет помехоустойчивость 3 В, а цепь с напряжением около 0 В помехоустойчивость 0,8 В. Эта присущая ТТЛ слабость (низкая помехоустойчивость на низком уровне) станет очевидной, если вы представите себе, что кристалл может интерпретировать отрицательный выброс 0,5 В на своей земляной шине как входной сигнал высокого уровня. Такие выбросы не являются чем-то необычным. Их могут порождать короткие импульсы тока в индуктивности шины земли.
Помехоустойчивость КМОП-логики одинакова в любом состоянии. Поэтому при управлении от приборов, имеющих открытое состояние, в качестве входных цепей вы можете использовать резисторы, подключенные к питанию или к земле. Чаще используются резисторы, подключенные к земле. Хотя подключение к питанию можно увидеть в схемах, в которых управляющий элемент аналогичен ключу с возвратом на землю.
Открытый ТТЛ-вход — это «слегка ВЫСОКИЙ». Он располагается на логическом пороге (1,3 В). Но, поскольку ток отсутствует, он не открывает входной транзистор.
Вам, возможно, довелось видеть «схемы», в которых вход, который должен быть подключен к высокому ТТЛ-уровню, остается незадействованным. Никогда не делайте этого! Незадействованный вход имеет нулевую помехоустойчивость, поэтому емкостная связь с любым близлежащим сигналом может привести к коротким всплескам к нижнему уровню на входе. В результате на выходе комбинационных элементов (вентилей) появляются выбросы, что само по себе уже плохо. В случае триггеров или регистров будет просто недопустимо, поскольку незадействованный вход СБРОС может сработать в непредсказуемые моменты времени. Выбросы, нарушающие работу, иногда невозможно увидеть на осциллографе. Они могут иметь характер одиночных импульсов длительностью около 20 нс. В большинстве случаев вам, возможно, и удастся «выйти сухим из воды», особенно при небольшой емкости между незадействованным выводом и соседними выводами, тем не менее это не выход из положения.
Неиспользуемые входы. Неиспользуемые входы, которые влияют на логическое состояние ИС (например, вход триггера СБРОС), должны быть подключены соответствующим образом к высокому или низкому уровням. Входы, не оказывающие влияния (например, входы неиспользуемых функциональных частей в том же корпусе), в ТТЛ можно оставить неподключенными, но не в КМОП. Открытые входы незадействованного КМОП-вентиля могут, например, сместиться к логическому порогу. Выходы при этом займут положение на половине напряжения питания, т. е. оба выходных МОП-транзистора будут открыты, потребляя значительный ток класса А. Это приведет к чрезмерному потреблению тока и может даже вызвать отказ элементов с большим числом выходных каскадов. Лучше заземлить все входы неиспользуемых функциональных частей в каждом КМОП-кристалле.
В ТТЛ можно не обращать внимания на неиспользуемые функциональные части кристалла, как и на несущественные входы используемых схем. Например, можно оставить неподключенными входы параллельной загрузки счетчика, если вы никогда не активизируете линию ЗАГРУЗКА.
Управление внешней цифровой нагрузкой от КМОП- и ТТЛ-элементов
Управление с помощью ТТЛ- и КМОП- элементов устройствами релейного типа, такими, как лампы (светодиоды), реле, устройства отображения и даже нагрузки с переменным током, не доставит особых трудностей. На рисунках ниже представлены некоторые способы управления.
На рисунке 1 показан стандартный способ управления светоизлучающим диодом от 5-вольтовой логики. ТТЛ-элементы лучше работают на отводе тока, чем на отдаче, поэтому светоизлучающий диод подключается к +5 В. Для КМОП-элементов светоизлучающий диод можно подключать либо к U+, либо к земле. Светоизлучающий диод ведет себя как диод с прямым падением напряжения от 1,5 до 2,5 В при типовых рабочих токах от 5 до 20 мА. Используя некоторые современные высокоэффективные светоизлучающие диоды, можно получить хорошую светоотдачу всего при нескольких миллиамперах.
На рисунке 2 показано, как управлять 5-вольтовым слаботочным реле с помощью логических элементов, отводя ток по типу схемы на рисунке 1. Диод шунтирует индуктивные выбросы. Реле, показанное на схеме, выполнено в стандартном корпусе DIP с сопротивлением обмотки 500 Ом (потребляемый ток составляет 10 мА, что соответствует возможностям большинства элементов 5-вольтовой логики).
Схемы на рисунках 3, 4, 5 предназначены для управления высоковольтной нагрузкой. На схеме рисунка 3 вентиль 74LS26 с открытым коллектором, работающий от источника 15 В, управляется 12-вольтовым реле.
На рисунке 4 «сдвоенный периферийный формирователь» 75451 управляет некой неопределенной нагрузкой в диапазоне напряжений до 30 В и токов до 300 мА. Выпускаются также аналогичные приборы с открытым коллектором, предназначенные для работы с напряжением 80 В и с большими токами.
В схеме рисунка 5 использован низкопороговый n-канальный мощный полевой транзистор. Благодаря высокому входному импедансу транзистора такой способ управления особенно удобен. При управлении ТТЛ-уровнями для обеспечения нормальных условий работы лучше использовать резисторную подвеску к питанию. Дело в том, что минимальный гарантированный в ТТЛ-элементах высокий уровень (2,4 В) является слишком низким.
Рассмотренные выше способы могут оказаться неприемлемыми для элементов НС, LS или 74С из-за ограничений по выходу (отводящий ток составляет соответственно 5, 8 и 3,5 мА). Для управления большими светоизлучающими диодами можно воспользоваться элементами типа 74AS1004 (сшестеренный инвертор с током отвода или отдачи 48 мА). При управлении сильноточной нагрузкой от логических элементов следует позаботиться о массивной земляной шине для подвода земли к кристаллу. Так как ток нагрузки возвращается на землю источника питания через кристалл. В некоторых случаях целесообразно использовать отдельный путь возврата земли.
На рисунке 6 показано применение п-р-п-транзистора для переключения сильноточной нагрузки с помощью 5-вольтовой логики. Для коммутации больших токов используйте второй транзистор, как показано на схеме рисунка 7.
На рисунках 8 и 9 представлен способ управления нагрузками, подключенными к отрицательному полюсу источника питания. Высокий выходной уровень открывает р-n-р-транзистор и напряжение насыщения на коллекторе становится выше потенциала земли на величину падения напряжения на диоде. Ток эмиттера, а, следовательно, и максимальный ток коллектора (нагрузки), в схеме рисунка 8 определяется резистором (или положительным предельным током вентиля).
В улучшенной схеме рисунка 9 в качестве буфера используется п-р-п -повторитель. Диод, включенный последовательно с выходом, удерживает нагрузку от перепадов выше земли. В обоих случаях максимальный ток нагрузки равен току эмиттера р-n-р -транзистора. Аналогичные схемы выпускаются в интегральном исполнении. Они имеют КМОП/ТТЛ-совместимые входы и высоковольтные выходы с нагрузочной способностью по току до нескольких сотен миллиампер. Можно попробовать применить элементы DS3687 (300 мА, — 56 В) и серию UDN.
В том случае, когда используется слаботочная логика 4000В/74С с выходным током, едва достигающим миллиампера, следует предусмотреть специальный мощный формирователь, даже для светодиода. На рисунке 10 показан надежный сшестеренный буфер, управляющий светодиодом. Этот элемент может работать с отводом тока от 5 до 50 мА при напряжении питания от 5 до 15 В соответственно (нагрузочная способность выхода увеличивается с увеличением напряжения питания).
В рисунках 11 и 12 используются еще более мощные формирователи — 40107, содержащий мощный n-канальный МОП-транзистор на выходе с открытым стоком. Отводящий ток составляет от 16 до 50 мА при напряжении питания от 5 до 15 В, соответственно. И DS3632 с мощным п-р-п -формирователем по схеме Дарлингтона, рассчитанным на ток 300 мА. Можно, разумеется, всегда использовать и дискретные внешние транзисторы, как в схемах на рисунках 7 и 9, но их применение ограничено базовым током менее миллиампера. Дискретный n-канальный МОП-транзистор на рисунке 5 особенно хорошо работает со «слабенькими» КМОП-элементами.
Для управления удаленной нагрузкой или нагрузкой с независимой системой заземления лучше всего использовать оптрон. Этот прибор содержит светодиод (на стороне формирователя), который освещает фотоприемник (на стороне нагрузки). Оптроны выпускаются на различные скорости с различными конфигурациями входов/выходов, выход с МОП-транзистором или выход с тиристором или симистором).
Типичным примером является распространенный элемент 4N36, показанный на рисунке 13. Этот элемент содержит простой светодиод на входе, п-р-п-транзистор на выходе и может работать при напряжении 2500 В с временем переключения 4 мкс. Минимальный коэффициент передачи по току составляет 1,0, поэтому остается только пропустить через светодиод ток, равный максимальному выходному току.
Существует ряд оптронов, которые используют логические уровни на входе и на выходе. Примером может служить оптрон 740L6000. Уровни на входе и выходе соответствуют уровням LS, время распространения составляет 60 нс (15 МГц), напряжение изоляции — 2500 В.
Наиболее простым способом управления нагрузкой переменного тока является способ, показанный на рисунке 14, с применением твердотельного реле. Реле этого типа представляет собой симистор с оптической связью с логическим входом и нагрузочной способностью по току от 1 до 40 А. Коммутация нагрузки с переменным напряжением 115 В.
Слаботочные реле в большом разнообразии выпускаются в корпусах типа DIP. Более мощные реле выпускаются в виде прямоугольных блоков со сторонами, равными примерно 5.8 см (2 дюйма), предназначенных для установки на шасси.
С другой стороны, нагрузки переменного тока можно коммутировать с помощью обычного реле, управляемого логическим элементом. При этом, однако, необходимо изучить технические данные, поскольку большинство реле, управляемых логикой, не способны коммутировать большие нагрузки переменного тока. Возможно, понадобится логическое реле для того, чтобы управлять вторым более мощным реле. Почти во всех реле используется коммутация по типу «перехода через нуль» (или «нулевого напряжения»). Эта коммутация в действительности является комбинацией включения по нулевому напряжению и выключения по нулевому току. Это весьма полезная особенность, она предотвращает попадание выбросов и помех в шину питания.
Много «мусора» на силовую шину переменного тока попадает от симисторных контроллеров, в которых коммутация осуществляется не в моменты перехода через нуль. Это, например, регуляторы света с фазовым управлением для осветительных ламп, термостатов и двигателей. В качестве альтернативы оптической связи, использованной в схеме на рисунке 14, иногда можно встретить импульсный трансформатор для подвода импульсов запуска к симистору или тиристору.
