Микросхемы комбинационного типа малой степени интеграции
Существует много типов микросхем ТТЛ малой степени интеграции, различающихся по функциональному назначению, нагрузочной способности, схеме выходного каскада. Работа логических элементов этих микросхем достаточно проста. Для элементов И выходной уровень лог. 1 формируется при подаче на все входы элемента уровней лог. 1, для элемента ИЛИ для формирования уровня лог. 1 на выходе достаточно подачи хотя бы на один вход уровня лог. 1. Элементы И-НЕ (основной элемент серий ТТЛ) и ИЛИ-НЕ дополнительно инвертируют выходной сигнал, элемент И-ИЛИ-НЕ состоит из нескольких элементов И, выходы которых подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ.
По нагрузочной способности микросхемы можно разделить на стандартные (№10 для серий К 155 и КР531 и N = 20 и 40 для микросхем серий К555 и КР1533 соответственно), микросхемы с повышенной нагрузочной способностью (N = 30 и более), микросхемы со специальным выходным каскадом, обеспечивающим значительно более высокую нагрузочную способность в одном из логических состояний. Некоторые типы микросхем выпускают с так называемым «открытым» коллекторным выходом.
Отдельно следует отметить специальный класс микросхем с третьим состоянием выходного каскада, называемым также еще «высокоимпедансным», или «Z-состоянием», при котором микросхема отключается по своему выходу от нагрузки. Это, как правило, буферные элементы с относительно большой нагрузочной способностью.
На рис. 2 приведены графические обозначения микросхем ТТЛ, выполняющих функции И-НЕ - самой многочисленной группы простых логических микросхем.
Микросхемы ЛА1 - ЛА4 имеют стандартную для своей серии нагрузочную способность, микросхемы ЛА6 и ЛА12 всех серий, КР1533ЛА21 - КР1533ЛА24 - втрое большую (здесь и далее в тексте в названии оставлена только та его часть, которая определяет тип триггера, счетчика, логического элемента и т. п., если такие же обозначения используются в микросхемах нескольких серий).
Микросхемы ЛА7 - ЛА11, ЛА13, КР1533ЛА23 выполнены с открытым коллектором, нагрузочная способность для ЛА7- ЛА11 в состоянии лог. 0 стандартная, для ЛА13 и КР1533ЛА23 - втрое большая.
Максимально допустимое напряжение, которое можно подавать на выход микросхемы ЛА11, находящейся в состоянии лог. 1, - 12 В, для остальных - 5,5 В. Микросхема КР531ЛА16 (рис. 2) - два мощных магистральных усилителя, выполняющих функцию 4И-НЕ. Нагрузочная способность каждого усилителя 60 мА в состоянии лог. 0 и 40 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2 В, что позволяет работать на линию связи с волновым сопротивлением 50 Ом, нагруженную на конце. Кроме того, гарантируется, что при выходном напряжении 2,7 В в состоянии лог. 1 выходной ток составляет не менее 3 мА. Микросхема КР531ЛА17 (рис. 2) - два элемента 4И-НЕ с возможностью перевода выхода в высокоимпедансное состояние при подаче на вход Е лог. 1. При подаче на вход Е лог. 0 выходы активны, допустимые выходные токи составляют 50 мА в состоянии лог. 0 и 32 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2 В, что обеспечивает возможность работы на линию связи с волновым сопротивлением 75 Ом. Дополнительно гарантируется, что при выходном напряжении 2,7 В в состоянии лог. 1 выходной ток составляет не менее 3 мА. Входные токи микросхем КР531ЛА12, КР531ЛА13, КР531ЛА16, КР531ЛА17 по сигнальным входам в состоянии лог. 0-4 мА, по входам Е - 2 мА. Микросхема К155ЛА18 (рис. 2) выполнена с открытым коллектором, ее выходное напряжение в состоянии лог. 0 не более 0,5 В при выходном втекающем токе 100 мА и не более 0,8 В при токе 300 мА. Максимальное напряжение на выходе в состоянии лог. 1 — 30 В, что позволяет коммутировать нагрузку мощностью до 9 Вт - электромагнитные реле, маломощные электродвигатели. Лампы накаливания, однако, можно использовать на номинальный ток не более 60 мА, так как сопротивление нити лампы в холодном состоянии значительно меньше номинального. Микросхема КР531ЛА19 (рис. 2) - двенадцативходовый элемент И-НЕ с возможностью перевода выхода в высокоимпедансное состояние при подаче лог. 1 на вход Е. В состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2,4 В микросхема допускает выходной ток до 6,5 мА, в состоянии лог. 0-20 мА. Микросхема К155ЛП7 (рис. 2) - два стандартных логических элемента И-НЕ с двумя объединенными входами и два n-р-n транзистора с предельно допустимым коллекторным напряжением 30 В и максимальным током коллектора 300 мА.
Подложка микросхемы подключена к выводу 8, что позволяет, подключив ее к источнику отрицательного напряжения, коммутировать транзистором и отрицательные сигналы, не выходящие по амплитуде за напряжение этого источника.
На рис. 3 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию ИЛИ-НЕ. На входах микросхем К155ЛЕ2, К155ЛЕЗ установлены дополнительные элементы И, позволяющие стробировать входные сигналы. Нагрузочная способность микросхем ЛЕ1 - ЛЕ4, КР531ЛЕ7 стандартная для соответствующей серии, микросхем К155ЛЕ5 и К155ЛЕ6 в состоянии лог. 0-48 мА, что соответствует N = 30, в состоянии лог. 1 - выше. Микросхема К155ЛЕ5 может обеспечить при выходном напряжении 2,4 В вытекающий ток 2,4 мА, микросхема К155ЛЕ6 - 13,2 мА. Для микросхемы К155ЛЕ6
нормирован также ток при выходном напряжении 2 В - он составляет не менее 42,4 мА, то есть эта микросхема может обеспечивать работу на нагрузку 50 Ом, например, на коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом, согласованный на конце. Микросхемы КР1533ЛЕ10 и КР1533ЛЕ11 имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема КР1533ЛЕ11 выполнена с открытым коллектором, максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии, - 5,5 В. На рис. 4 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию И. Микросхемы ЛИ1, ЛИЗ, ЛИ6 имеют стандартную для своих серий нагрузочную способность, микросхемы ЛИ2
и ЛИ4 выполнены с открытым коллектором, их нагрузочная способность в состоянии лог. 0 стандартная, в состоянии лог. 1 допускается подача напряжения 5,5 В. Микросхема К155ЛИ5 выполнена с открытым коллектором, ее нагрузочная способность такая же, как у К155ЛА18.
Микросхемы КР1533ЛИ8 и КР1533ЛИ10 имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. На рис. 5 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию ИЛИ. Микросхема ЛЛ1 имеет стандартную нагрузочную способность, микросхема К155ЛЛ2 выполнена с открытым коллектором и имеет нагрузочную способность такую же, как К155ЛА18. Микросхема КР1533ЛЛ4 имеет нагрузоч ную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии На рис. 6 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию НЕ (инверторы).
Микросхемы ЛН1 имеют стандартную нагрузочную способность, а ЛН2, К155ЛНЗ, К155ЛН5 выполнены с открытым коллектором и имеют стандартную нагрузочную способность в состоянии лог. 0. Для К155ЛНЗ и К155ЛН5 дополнительно гарантируется, что при втекающем токе 40 мА выходное напряжение в состоянии лог. 0 не превышает 0,7 В. Допустимое напряжение на выходе микросхемы в состоянии лог. 1 составляет 5,5, 30 и 15 В для ЛН2, К155ЛНЗ и К155ЛН5 соответственно. Микросхема К155ЛН6 (рис. 6) - шесть мощных инверторов с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Управление состоянием выходов производится по двум равноправным входам управления Е (1 и 15), собранным по схеме, выполняющей функцию И. При подаче на оба указанных входа лог. 0 выходы инверторов переходят в активное состояние и инвертируют входные сигналы, при подаче хотя бы на один вход лог. 1 - переходят в высокоимпедансное состояние. Нагрузочная способность инверторов довольно велика - при лог. 0 на выходе выходной втекающий ток может достигать 32 мА, при этом выходное напряжение не более 0,4 В, при лог. 1 на выходе выходной вытекающий ток - до 5,2 мА при выходном напряжении 2,4 В. Микросхема КР1533ЛН7 (рис. 6) - шесть инверторов с повышенной нагрузочной способностью и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Инверторы объединены в две группы,
у каждой из которых свой вход управления. Подача лог. 0 на вход Е1 включает инверторы с выходами 1-4, на вход Е2 - с выходами 5 и 6. Нагрузочная способность микросхемы 12 мА при 0,4 В в состоянии лог. 0 и 3 мА при 2,4 В в состоянии лог. 1. Микросхема КР1533ЛН8 (рис. 6) - шесть инверторов с повышенной нагрузочной способностью; максимальный уровень в состоянии лог. 0 -0,4 В при втекающем токе 12 мА и 0,5 В при 24 мА, минимальный уровень в состоянии лог. 1 2,4 В при вытекающем токе 3,0 мА и 2,5 В при 0,4 мА. Микросхема КР1533ЛН10 имеет нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема выполнена с открытым коллектором, максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии - 5,5 В. На рис. 7 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию И-ИЛИ-НЕ и расширителей И-ИЛИ.
Все микросхемы И-ИЛИ-НЕ имеют стандартные выходы, кромеКР531ЛР10, которая выполнена с открытым коллектором, допустимое напряжение для нее в состоянии лог. 1 - 5,5 В. Следует отметить различие микросхем К155ЛР4 и К555ЛР4, КР1533ЛР4, а такжеК555ЛР11, КР1533ЛР11 и КР531ЛР11. Микросхемы К155ЛР1, К155ЛРЗ, К155ЛР4 имеют входы для подключения расширителей И-ИЛИ К155ЛД1 и К155ЛД2, увеличивающих число групп И в функции ИЛИ этих микросхем. Аналогичные входы для расширения числа входов по ИЛИ имеет микросхема К155ЛЕ2. Однако более простой способ построения элементов И или ИЛИ с большим числом входов - каскадное соединение микросхем,
выполняющих функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. На рис. 8 (а) приведена схема элемента И на 16 входов, на рис. 8 (б) - элемента ИЛИ на 32 входа. На рис. 8 (в) приведена схема элемента совпадения, формирующего на своем выходе лог. 1 при лог. 1 на четырех верхних по схеме входах и лог. 0 на трех нижних. Такой элемент может использоваться для дешифрации определенных состояний счетчиков и других устройств. На рис. 9 приведены графические обозначения микросхем - повторителей входного сигнала. Микросхема ЛП8 - четыре повторителя входного сигнала с высокоимпедансным состоянием. При лог. 0 на управляющем входе Е сигналы с входа D элемента проходят на выход элемента без инверсии. При лог. 1 на входе Е выход элемента переходит в высокоимпедансное состояние. При лог. 0 на выходе микросхема К155ЛП8 обеспечивает втекающий ток 16 мА, при лог. 1 - вытекающий 5,2 мА, К555ЛП8 - 24 мА и 2,6 мА соответственно. Микросхема К155ЛП9 (рис. 9) - шесть повторителей входного сигнала с открытым коллектором, ее выходные параметры такие же, как и у К155ЛНЗ. Микросхема К155ЛП10 (рис. 9) - шесть мощных повторителей с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние.
Логика управления и нагрузочная способность этой микросхемы такие же, как и у К155ЛН6. Микросхема К155ЛП11 (рис. 9) - шесть мощных повторителей, подобных повторителям микросхемы К155ЛП10, но разбитых на две группы, каждая из которых имеет свой вход управления.
Подача лог. 0 на вход Е1 включает повторители с выходами 1-4, вход Е2 управляет выходами 5 и 6. Нагрузочная способность микросхемы К155ЛП11 такая же, как у К155ЛН6. Микросхемы КР1533ЛП16 и КР1533ЛП17 имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема КР1533ЛП17 выполнена с открытым коллектором,
максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии - 5,5 В. Основное назначение микросхем-повторителей входного сигнала, имеющих возможность перевода выходов в высокоимпедансное состояние, - поочередная подача на одну магистраль сигналов от различных источников. Причем благодаря большой нагрузочной способности микросхем магистраль может иметь большую емкость и большое число подключенных к ней нагрузок и источников сигналов. Эти микросхемы находят широкое применение также в качестве буферных элементов, в особенности в микропроцессорных микросхемах. Для таких же целей служат далее рассматриваемые микросхемы, графические обозначения которых приведены на рис. 10. Микросхема КР531АП2 - четыре пары буферных неинвертирующих элементов с открытым коллектором, частично соединенных между собой. Сигналы могут передаваться со входов А1 - А4 на двунаправленные выходы С1 - С4 при лог. 0 на входе ЕА и лог 1 на входе ЕВ, с двунаправленных выводов С1 - С4 на выходы В1 - В4 при лог. 0 на входе ЕВ и лог. 1 на входе ЕА. При подаче лог. 1 на оба входа ЕА и ЕВ выходы В1 - В4 и С1 - С4 переходят в высокоимпедансное состояние. Одновременная подача лог. 0 на входе ЕА и ЕВ не допускается. Попарное соединение выводов А1 - А4 и В1 - В4 превращает микросхему в четыре двунаправленных ключа, максимальный выходной ток в состоянии лог. 0-60 мА, максимальные входное и выходное напряжения в состоянии лог. 1-10,5 В, входной ток в состоянии лог. 0 не превышает 0,15 мА. Микросхема АПЗ (рис. 10) - восемь инвертирующих буферных элементов с повышенной нагрузочной способностью и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Элементы разбиты на две группы по четыре, у каждой из групп свой вход управления для включения элементов и их перевода в третье состояние (Е1 и Е2).
Включение элементов каждой группы происходит при подаче на соответствующий вход (Е1 и Е2) лог. О, переход в высокоимпедансное состояние - при подаче лог. 1. Выходной втекающий ток микросхемы К555АПЗ в состоянии лог. О при напряжении на выходе 0,5 В может достигать 24 мА, вытекающий в состоянии лог. 1 при напряжении на выходе 2 В - 15 мА. Для микросхем КР1533АПЗ максимальный уровень лог. 0 0,4 В при втекающем токе 12 мА и 0,5 В при 24 мА. Минимальный уровень лог. 1 2,4 В при вытекающем токе 3 мА и 2,5 В при 0,4 мА. Нагрузочная способность микросхемы КР531АПЗ в состоянии лог. 0 64 мА, в состоянии лог. 1 3 мА при выходном
напряжении 2,4 В и 15 мА при 2 В. Входные токи по сигнальным входам D1 - D8 в состоянии лог. 0 0,4 мА. Микросхема АП4 (рис. 10) - восемь аналогичных буферных элементов без инверсии. Отличие ее в том, что один из входов включения элементов и их перевода в третье состояние (El) - инверсный, подобно АПЗ, второй (Е2) - прямой. Нагрузочная способность этой микросхемы такая же, как у АПЗ. Микросхема АП5 (рис. 10) - восемь неинвертирующих буферных элементов, обе группы которых имеют инверсные входы управления включением. В остальном эта микросхема аналогична АП4. Микросхемы АПЗ - АП5 служат для буферизации и коммутации сигналов в микропроцессорных устройствах, например, сигналов адреса, сигналов управления при организации внутренних и внешних шин микро-ЭВМ. Основное их назначение - обеспечение однонаправленной передачи информации. Однако при необходимости с их помощью можно обеспечить и двунаправленную передачу. На рис. 11 в качестве примера показано соединение выводов микросхемы АП4 для получения двунаправленного буферного элемента. При подаче лог. 0 на объединенные между собой входы Е1 и Е2 происходит передача сигнала от расположенных слева по рисунку выводов микросхемы (входы А1 -А4) к правым (В1 - В4), при подаче лог. 1 - наоборот: от В1 - В4 к А1 -А4. Два треугольника в среднем поле графического обозначения микросхемы символизируют усиление и направление передачи сигнала, верхний - при подаче активного сигнала на вход Е1 (для инверсного входа - лог. 0), нижний - на вход Е2 (для прямого входа - лог. 1).
Интересно отметить, что расположение информационных входов и выходов микросхем АПЗ - АП5 сделано специально такое, как показано на рис. 11, - для удобного их соединения. Однако для организации двунаправленной передачи информации удобнее использовать специально предназначенные для этой цели микросхемы, описываемые далее. Микросхема АП6 (см. рис. 10) - восемь двунаправленных неинвертирующих буферных элементов. Кроме двух групп информационных выводов А1 - А8 и В1 - В8, микросхема имеет два входа управления - Е и Т. Сигнал лог. 0, подаваемый на вход Е, разрешает включение буферных элементов, лог. 1 - переводит все выводы микросхемы в Z-состояние. Сигнал на входе Т действует при лог. 0 на входе Е и определяет направление передачи сигналов - при лог. 1 на входе Т выводы А1 - А8 являются входами, В1 - В8 - выходами, при лог. 0 - наоборот; В1 - В8 - входы, А1 - А8 - выходы. Два треугольника у входа Т символизируют усиление и направление распространения сигнала, верхний - при лог. 1 на входе Т, нижний - при лог. 0. Микросхема АП6 по своему функционированию (но, к сожалению, не по разводке выводов) соответствует микросхеме КР580ВА86, но потребляет в 1,7 раза меньшую мощность (К555АП6). Микросхема КР1533АП14 (рис. 10) содержит восемь однонаправленных буферных элементов с возможностью перевода их выходов в высокоимпедансное состояние. При подаче на оба входа разрешения Е лог. 0 выходы микросхемы переходят в активное состояние и на них появляются без инверсии сигналы с соответствующих входов D1 - D8. При поступлении на любой из входов Е лог. 1 выходы переходят в высокоимпедансное состояние. Микросхема КР1533АП15 (рис. 10) аналогична микросхеме КР1533АП14, только она инвертирует входные сигналы. Микросхема КР1533АП16 (рис. 10) состоит из восьми двунаправленных буферных элементов и, в основном, аналогична микросхеме КР1533АП6. Она инвертирует сигналы при передаче их с выводов А на выводы В и не инвертирует их при передаче в обратном направлении. На графическом изображении микросхемы КР1533АП16 для отражения этого свойства у вывода Т, определяющего направление передачи информации, верхний треугольник, символизирующий передачу сигналов с выводов А на выводы В при подаче на вход Т лог. 1, дополнен кружком инверсии, а нижний треугольник (на входе Т - лог. 0) показан без такого кружка. Микросхема ИП6 (рис. 10) - четыре двунаправленных инвертирующих буферных элемента.
Логика работы входов управления Е1 и Е2
следующая: при лог. 0 на обоих входах передача сигналов происходит от выводов А1 - А4 к выводам В1 - В4, при лог. 1 на обоих входах - от выводов В1 - В4 к А1 - А4. При лог. 1 на входе Е1 и лог. 0 на входе Е2 все информационные выводы микросхемы переходят в Z-состояние, подача лог. 0 на вход Е1 и лог. 1 на вход Е2 одновременно недопустима. Треугольники на графическом обозначении микросхемы и входов Е1 и Е2 символизируют усиление и направление распространения информации при подаче активных сигналов на эти входы. Нагрузочная способность микросхемы ИП6 такая же, как у АПЗ. Микросхема ИП7 отличается от ИП6 только тем, что не инвертирует сигналы. На рис. 12 в качестве примера показано использование буферных микросхем для подключения внешних устройств к компьютеру «Радио-86РК». Если из всех внешних устройств ограничиться лишь таймером КР580ВИ53, его вполне можно смонтировать на плате компьютера без буферных элементов. Если же предполагается подключение нескольких внешних устройств (таймер, часы, АЦПУ, модем и др.), из-за малой нагрузочной способности центрального процессора КР580ВМ80 необходимы буферные элементы. На рис. 12 микросхема DD3 обеспечивает буферизацию управляющих сигналов RD, WR, RES и двух младших адресов АО и А1. Микросхема DD2 буферизирует двунаправленную шину данных. Включение этой микросхемы по входу Е должно происходить лишь при обращении к внешним устройствам, что обеспечивается микросхемой DD1 и элементами D10.4 и D10.3. В основном варианте компьютера «Радио-86РК» адреса А000Н -BFFFH использованы для микросхемы D14. Практически используются только четыре адреса - А000Н, А001Н, А002Н, А00ЗН. Установкой дешифратора DD1 можно обеспечить при сохранении этих адресов для D14 использование следующих четырех адресов А004Н, АООЗН, А006Н, А007Н - для первого внешнего устройства, например таймера; следующих четырех А00ЗН - А00ВН - для второго; следующих четырех А00СН - A00FH - для третьего и т. д., всего можно будет подключить семь дополнительных внешних устройств, для каждого из которых будет отведено четыре адреса.
Если входы 1,2,4 дешифратора DD1 подключить к другим выходам адреса микропроцессора D6, например, А10, All, A12, на каждое внешнее устройство будет отведено по 1024 адреса. Элементы D10.4 и D10.3 необходимы для выключения DD2 при обращении микропроцессора к D14, то есть по адресам А000Н - А00ЗН. В этом случае лог. 0 с выхода О DD1 включает D10.3 и лог. 1 с его выхода выключает DD2. Направление передачи сигнала через DD2 определяется сигналом RD. При чтении из внешнего устройства сигнал RD
принимает значение лог. 0 и происходит передача сигналов через DD2 от внешнего устройства к микропроцессору, в остальных случаях - от микропроцессора к внешнему устройству. На рис. 13 приведены микросхемы -инвертирующие триггеры Шмитта. Микросхема К155ТЛ1 - два четырехвходовых элемента И-НЕ, микросхема ТЛЗ - четыре двухвходовых, микросхема ТЛ2 - шесть инверторов. Указанные микросхемы при плавном изменении входного сигнала обеспечивают скачкообразное переключение выходного (рис. 14). При повышении напряжения на входе элемента микросхемы от нуля выходное напряжение скачком изменяется с лог. 1 на лог. 0 при напряжении на входе около 1,65 В. При снижении напряжения на входе обратное изменение выходного напряжения происходит при напряжении на входе около 0,85 В для триггеров Шмитта серий К155 и К555ТЛ2 и около 1,2 В для КР531ТЛЗ.
Триггеры Шмитта применяют для формирования ТТЛ-сигнала из синусоидального, для приема сигналов при большом уровне помех, в формирователях и генераторах импульсов и в других случаях. На рис. 15, а показана схема формирователя импульса сброса при включении питания, обеспечивающего крутой фронт при большой длительности импульса, на рис. 15, б - простейшего генератора импульсов.
Изучение работы более сложных микросхем удобно продолжить с микросхем последовательностного типа.
