Общие сведения
Описанные в предыдущей главе цифровые микросхемы ТТЛ-серий -К155, К555, КР1533, КР531 обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток - большая потребляемая мощность. В ряде случаев, когда не нужно такое высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют интегральные микросхемы серий К176, К561, КР1561 и 564.
Микросхемы этих серий изготовляются по технологии комплементарных транзисторов структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Ранее в качестве диэлектрика использовался окисел кремния, поэтому сокращенным обозначением структуры этих микросхем было КМОП, оно и используется в этой книге.
Основная особенность микросхем КМОП - ничтожное потребление тока в статическом режиме - 0,1...100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ.
Рассмотрим внутреннюю структуру микросхем КМОП на примере двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ (рис. 160). Основу этого элемента составляют два транзистора структуры МОП с индуцированным каналом р-типа VT1 и VT2 и два транзистора с каналом n-типа VT3 и VT4. Резисторы и диоды являются вспомогательными и в нормальной работе элемента участия не принимают.
При подаче на оба входа напряжения, близкого к нулю (лог. 0), транзисторы VT3 и VT4 закрыты, транзисторы VT1 и VT2 открыты и соединяют выход элемента с источником питания. На выходе элемента напряжение близко к напряжению источника питания (лог. 1). Если на один из входов, например вход 1, подать лог. 1, транзистор VT2 закроется, транзистор VT4 откроется и соединит выход элемента
с общим проводом, на выходе элемента появится лог. 0. Такой же результат будет при подаче лог. 1 на вход 2 или при подаче лог. 1 на оба входа одновременно.
Таким образом, изображенный на схеме рис. 160 элемент выполняет функцию ИЛИ-НЕ на два входа. Для увеличения числа входов элемента увеличивают число последовательно соединенных транзисторов с каналом р-типа и параллельно соединенных транзисторов с каналом n-типа.
Для построения элементов с функцией И-НЕ транзисторы с каналом р-типа соединяют параллельно, с каналом п-типа - последовательно.
На рис. 161 приведена статическая переключательная характеристика инвертирующего МОП-элемента - зависимость его выходного напряжения от входного.
Как видно из зависимости, переключение элемента происходит при входном напряжении, близком к половине напряжения питания. Диоды VD7 и VD8 (рис. 160) являются неотъемлемой частью МОП-транзисторов, диоды VD1 - VD6 и резисторы R1 и R2 специально вводятся в состав элемента для защиты МОП-
транзисторов от статического электричества. При превышении входным напряжением напряжения источника питания открываются диоды VD1 - VD4, что исключает подачу на затворы транзисторов напряжения, превышающего напряжение питания. При снижении входного напряжения до уровня, более низкого, чем потенциал общего провода, открываются диоды VD5 и VD6. В микросхемах серии К176 первых выпусков для защиты входов использовались диоды-стабилитроны с напряжением включения порядка 30 В, которые устанавливались вместо VD5 и VD6. Микросхемы серий К176, К561, КР1561 выпускаются в пластмассовых корпусах с двухрядным расположением 14, 16 или 24 штыревых выводов, а микросхемы серии 564 - в корпусах с тем же количеством выводов, расположенных в одной плоскости, в так называемых планарных корпусах. Номинальное напряжение питания микросхем серии К176 - 9 В ±5%, однако они, как правило, сохраняют работоспособность в диапазоне питающих напряжений от 5 до 12 В. Для микросхем серий К561 и 564 гарантируется работоспособность при напряжении питания от 3 до 15 В, для КР1561 - от 3 до 18 В. Диапазон рабочих температур микросхем серии К176 от -10 до +70 "С, серий К561 и КР1561 от -45 до +85 'С, серии 564 от -60 до +125 С. Выходные уровни микросхем при работе на однотипные микросхемы практически не отличаются от напряжения питания и потенциала общего провода. Максимальный выходной ток большинства микросхем серий К176, К561 и 564 не стандартизирован и не превышает единиц миллиампер, что несколько затрудняет непосредственное согласование микросхем этих серий с какими-либо индикаторами и микросхемами ТТЛ-серий. Отличительной особенностью микросхем серии КР1561 является наличие буферных элементов не только на выходах сложных элементов, как в микросхемах серий К176, К561 и 564, но и на входах и выходах всех микросхем, независимо от их сложности.
Кроме того, в микросхемах серии КР1561 улучшена защита от перегрузок как по входу, так и по выходу, в выходные цепи добавлены небольшие токоограничительные резисторы. Стандартные статические нагрузочные характеристики микросхем серии КР1561 следующие. При лог. 0 на выходе и выходном напряжении 0,4; 0,5; 1,5 В выходной втекающий ток не менее 0,44; 1,1; 3 мА при напряжении питания 5,10,15 В соответственно. Те же нормы существуют и для вытекающих токов в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 4,6; 9,5; 13,5 В соответственно. Кроме того, гарантируется, что при напряжении питания 5 В, выходном напряжении 2,5 В выходной вытекающий ток при лог. 1 составит не менее 1,36 мА. Реально выходные токи микросхем серии КР1561 значительно больше. При лог. 0 на выходе и выходном напряжении 0,5 В выходной ток составляет примерно 3...5, 5...10, 6...15мА при напряжении питания 5, 10, 15 В соответственно. Аналогично вытекающий ток в состоянии лог. 1 при выходном напряжении, на 0,5 В меньшем, чем напряжение питания, составляет при тех же напряжениях питания примерно 1,2... 1,5; 2...3; 3...4 мА. При напряжении на выходе 1 В в состоянии лог. 0 выходной втекающий ток составляет 6...10,10...20,12...25 мА при указанных выше напряжениях питания, при напряжении, на 1 В меньшем напряжения питания, в состоянии лог. 1 вытекающий ток 2...3, 4...5,5...7 мА соответственно. Ток короткого замыкания при напряжении 5 В составляет около 10 мА в состоянии лог. 0 и около 6 мА в состоянии лог. 1, что позволяет подключать практически любые светодиоды к выходам микросхем этой серии без ограничительных резисторов. При напряжении питания 10 или 15 В ток короткого замыкания может достигать 20...60 мА, поэтому включение ограничительных резисторов необходимо. Выходной ток 0,44 мА в состоянии лог. 0 при напряжении на выходе 0,5 В и напряжении питания 5 В гарантирует нормальную работу микросхем серии КР1561 на один вход микросхем серии К555. Поскольку, как указывалось выше, реальный выходной ток в этих условиях больше, микросхемы серии КР1561 можно нагружать на несколько входов микросхем серии К555 или на один вход микросхемы серии К 155. Напряжение питания на микросхемы рассматриваемых серий подается на вывод с наибольшим номером, общий провод подключается к выводу с вдвое меньшим номером.
Исключение составляют микросхемы К561ПУ4 и КР1561ПУ4, а также микросхемы, требующие для своей работы два источника питания. Все исключения отмечены далее при описании конкретных микросхем. При использовании микросхем следует помнить, что защита входов микросхем диодами от статического электричества не является полной. Поэтому при монтаже устройств с микросхемами КМОП необходимо соблюдать следующие правила. Для исключения случайного пробоя за счет статического электричества потенциалы монтируемой платы, паяльника и тела монтажника должны быть уравнены. Для этого на ручку паяльника можно намотать несколько витков неизолированного провода или укрепить металлическую пластинку и соединить через резистор 100...200 кОм с металлическими частями паяльника. Конечно, обмотка паяльника не должна иметь контакта с его жалом. При монтаже свободной рукой следует касаться шин питания монтируемой платы. Если микросхема находится в металлической коробке или ее выводы упакованы в фольгу, прежде чем взять микросхему, следует дотронуться до коробки или фольги. При передаче микросхемы из рук в руки следует уравнять потенциалы участвующих в этом, дотронувшись друг до друга до момента передачи. Применение микросхем КМОП-серий имеет свои особенности. Ни один из входов микросхем не может быть оставлен неподключенным, даже если логический элемент в микросхеме не использован. Свободные входы элементов должны бьггь или соединены с используемыми входами того же элемента или подключены к шине питания или к общему проводу в соответствии с логикой работы микросхемы. Напряжение источника питания должно подаваться ранее или одновременно с подачей входных сигналов. В любом устройстве, собранном на микросхемах структуры КМОП, рекомендуется перед первым включением проверить прозвонкой подачу напряжения питания на все выводы питания и те выводы микросхем, на которые напряжение питания подается в соответствии с принципиальной схемой. Дело в том, что микросхема КМОП из-за наличия входных защитных диодов может работать без подачи напряжения на вывод питания, если хотя бы на один из входов микросхемы подано напряжение питания или лог. 1.
Аналогично следует проверить цепь общего провода по той же причине. В табл. 7 приведены обозначения большинства микросхем рассматриваемых серий, число выводов корпуса, предельная частота работы некоторых микросхем, а также номер рисунка книги, где дано графическое обозначение микросхемы. Для микросхем серии К176 предельная частота дана для напряжения 9 В, для серий К561 и 564 - для 5 и 10 В, для серии КР1561 - для 5, 10 и 15 В. Логика работы микросхем с одинаковым буквенноцифровым обозначением у серий К176, К561, КР1561 и 564 полностью совпадает, совпадают реальные электрические параметры у микросхем серий К561 и 564, хотя паспортные нормы у них различны. Поэтому здесь рассматриваются лишь те микросхемы серии 564, которые или отсутствуют в других сериях, или имеют другие буквенноцифровые обозначения. Изучение работы микросхем удобно начать с простейших комбинационных микросхем - логических элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И, повторителей и инверторов.
