Микросхемы и их функционирование

В настоящее время выпускается огромное количество разнообразных цифровых микросхем: от простейших логических элементов до сложнейших процессоров, микроконтроллеров и специализированных БИС (Больших Интегральных Микросхем). Производством цифровых микросхем занимается множество фирм — как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому даже классификация этих микросхем представляет собой довольно трудную задачу.

Однако в качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые уже несколько десятилетий рядом фирм, например, американской фирмой Texas Instruments (TII). Эти серии включают в себя функционально полный комплект микросхем, используя который, можно создавать самые разные цифровые устройства. Даже при компьютерном проектировании современных сложных микросхем с программируемой логикой (ПЛИС) применяются модели простейших микросхем этих серий семейства 74. При этом разработчик рисует на экране компьютера схему в привычном для него элементном базисе, а затем программа создает прошивку ПЛИС, выполняющую требуемую функцию.

Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозначение, и система обозначений отечественных серий существенно отличается от принятой за рубежом.

В качестве примера рассмотрим систему обозначений фирмы Texas Instruments (рис. 2.5). Полное обозначение состоит из шести элементов:

1. Идентификатор фирмы SN (для серий AC и ACT отсутствует).
2. Температурный диапазон (тип семейства):
   • 74 — коммерческие микросхемы (температура окружающей среды для биполярных микросхем — 0. 70°С, для КМОП микросхем — – 40. +85°С),
   • 54 — микросхемы военного назначения (температура — –55. +125°С).

• Отсутствует — стандартная ТТЛ–серия.
• LS ( Low Power Schottky) — маломощная серия ТТЛШ.
• S (Schottky) — серия ТТЛШ.
• ALS (Advanced Schottky) — улучшенная серия ТТЛШ.
• F (FAST) — быстрая серия.
• HC (High Speed CMOS ) — высокоскоростная КМОП–серия.
• HCT (High Speed CMOS with TTL inputs) — серия HC, совместимая по входу с ТТЛ.
• AC (Advanced CMOS ) — улучшенная серия КМОП.
• ACT (Advanced CMOS with TTL inputs) — серия AC, совместимая по входу с ТТЛ.
• BCT ( BiCMOS Technology) — серия с БиКМОП–технологией.
• ABT (Advanced BiCMOS Technology) — улучшенная серия с БиКМОП–технологией.
• LVT ( Low Voltage Technology) — серия с низким напряжением питания.

Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.

Отечественная система обозначений микросхем отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 2.6). Основные элементы обозначения следующие:

1. Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует.
2. Тип корпуса микросхемы (один символ) — может отсутствовать. Например, Р — пластмассовый корпус, М — керамический, Б — бескорпусная микросхема.
3. Номер серии микросхем (от трех до четырех цифр).
4. Функция микросхемы (две буквы).
5. Номер микросхемы (от одной до трех цифр). Таблица функций и номеров микросхем, а также таблица их соответствия зарубежным аналогам приведены в приложении.

Например, КР1533ЛА3, КР531ИЕ17, КР1554ИР47.

Главное достоинство отечественной системы обозначений состоит в том, что по обозначению микросхемы можно легко понять ее функцию. Зато в системе обозначений Texas Instruments виден тип серии с его особенностями.

Чем отличается одна серия от другой?

На первом уровне представления ( логическая модель ) серии не различаются ничем. То есть одинаковые микросхемы разных серий работают по одним и тем же таблицам истинности , по одним и тем же алгоритмам. Правда, надо учитывать, что некоторые микросхемы имеются только в одной из серий, а некоторых нет в нескольких сериях.

На втором уровне представления (модель с учетом задержек) серии отличаются величиной задержки распространения сигнала. Это различие может быть довольно существенным. Поэтому в тех схемах, где величина задержки принципиальна, надо использовать микросхемы более быстрых серий (рис. 2.3).

На третьем уровне представления ( электрическая модель ) серии различаются величинами входных и выходных токов и напряжений, а также, что не менее важно, токами потребления (рис. 2.3). Поэтому в тех устройствах, где эти параметры принципиальны, надо применять микросхемы, обеспечивающие, к примеру, низкие входные токи, высокие выходные токи и малое потребление.

Серия К155 (SN74) — это наиболее старая серия, которая постепенно снимется с производства. Она отличается не слишком хорошими параметрами по сравнению с другими сериями. С этой классической серией принято сравнивать все остальные.

Серия К555 (SN74LS) отличается от серии К155 малыми входными токами и меньшей потребляемой мощностью (ток потребления — почти втрое меньше, чем у К155 ). По быстродействию ( по временам задержек) она близка к К155 .

Серия КР531 (SN74S) отличается высоким быстродействием (ее задержки примерно в 3–4 раза меньше, чем у серии К155), но большими входными токами (на 25% больше, чем у К155 ) и большой потребляемой мощностью (ток потребления — больше в полтора раза по сравнению с К155) .

Серия КР1533 (SN74ALS) отличается повышенным примерно вдвое по сравнению с К155 быстродействием и малой потребляемой мощностью (в четыре раза меньше, чем у К155 ). Входные токи еще меньше, чем у К555 .

Серия КР1531 (SN74F ) отличается высоким быстродействием (на уровне КР531 ), но малой потребляемой мощностью. Входные токи и ток потребления примерно вдвое меньше, чем у К155 .

Серия КР1554 (SN74AC ) отличается от всех предыдущих тем, что она выполнена по КМОП-технологии. Поэтому она имеет сверхмалые входные токи и сверхмалое потребление при малых рабочих частотах. Задержки примерно вдвое меньше, чем у К155 .

Наибольшим разнообразием имеющихся микросхем отличаются серии К155 и КР1533 , наименьшим — КР1531 и КР1554 .

Надо отметить, что приведенные здесь соотношения по быстродействию стандартных серий довольно приблизительны и верны не для всех разновидностей микросхем, имеющихся в разных сериях. Точные значения задержек необходимо смотреть в справочниках, причем желательно в фирменных справочных материалах.

Микросхемы разных серий обычно легко сопрягаются между собой, то есть сигналы с выходов микросхем одной серии можно смело подавать на входы микросхем другой серии. Одно из исключений — соединение выходов ТТЛ-микросхем со входами КМОП-микросхем серии КР1554 (74AC) . При таком соединении необходимо применение резистора номиналом 560 Ом между сигналом и напряжением питания (рис. 2.7).

При выборе той или иной серии микросхем следует также учитывать, что микросхемы мощной и быстрой серии КР531 создают высокий уровень помех по шинам питания, а микросхемы маломощной серии К555 очень чувствительны к таким помехам. Поэтому серию КР531 рекомендуется использовать только в крайних случаях, при необходимости получения очень высокого быстродействия. Не рекомендуется также применять в одном устройстве мощные быстродействующие микросхемы и маломощные микросхемы.