Согласование микросхем Печать

Вернуться к оглавлению

Согласование цифровых микросхем различных серий между собой.

При составлении цифровых схем стараются использовать микросхемы одной серии. Однако это не всегда удаётся. Применять микросхемы других серий приходится:

  1. когда требуются микросхемы, отсутствующие в данной серии микросхем;
  2. когда отдельные узлы схемы должны работать на повышенной частоте;
  3. при работе на внешние устройства могут потребоваться микросхемы с повышенной нагрузочной способностью.

Первый пункт не требует комментариев. Обычно малым количеством микросхем характеризуются серии с повышенным быстродействием или с повышенной нагрузочной способностью. Серии микросхем с малым количеством микросхем также обычно характеризуются высокой стоимостью. Так что первый пункт жёстко связан с оставшимися двумя пунктами.

Что касается второго пункта, то выбор микросхем из различных серий может быть обусловлен двумя причинами.

Первая причина - это стоимость цифрового устройства в целом. Микросхемы с повышенным быстродействием стоят дороже микросхем со средним быстродействием. Микросхемы в цифровых устройствах обычно работают на разных частотах. При этом на повышенной частоте работает не более одного процента от общего количества микросхем. В результате применение микросхем с различным быстродействием может существенно снизить стоимость цифрового устройства.

Вторая причина - это ток потребления микросхем. В ТТЛ, p-МОП и n-МОП сериях микросхем ток их потребления определяется быстродействием. Чем ниже быстродействие микросхемы (в пределах одной технологии), тем меньше её ток потребления. Это не относится к КМОП сериям микросхем. В микросхемах, выполненных по КМОП технологии, ток потребления зависит от частоты, на которой работает в данный момент микросхема. Чем выше частота переключения логических элементов КМОП микросхемы, тем выше ток потребления этой микросхемы. То есть ток потребления в этих микросхемах регулируется автоматически, и причиной выбора конкретной серии микросхем остается только их стоимость.

Микросхемы с повышенной нагрузочной способностью обычно входят в состав любой серии микросхем, однако иногда требуются ещё большие токи. В этом случае можно использовать микросхемы из серий с повышенным быстродействием, например К1531. При необходимости формирования на выходе микросхемы потенциалов, превышающих напряжение питания цифровой микросхемы, можно применить микросхемы с открытым коллектором. В крайнем случае для согласования микросхемы по току или напряжению можно применить транзисторный ключ.

Согласование микросхем из различных серий между собой.

Рассмотрим сначала микросхемы, совместимые с ТТЛ микросхемами по питанию. Выбор ТТЛ микросхем связан с тем, что ТТЛ логические уровни стали стандартом для современной техники. Даже если микросхемы внутри выполнены по КМОП технологии, они обычно формируют на выходе логические уровни, совместимые с ТТЛ уровнями.

Стандартные ТТЛ микросхемы - это микросхемы, питающиеся от источника напряжения +5В. Зарубежные ТТЛ микросхемы получили название SN74. Конкретные микросхемы этой серии обозначаются цифровым номером микросхемы, следующим за названием серии. Например, в микросхеме SN74S00 содержится четыре логических элемента "2И-НЕ". Аналогичные микросхемы с расширенным температурным диапазоном получили название SN54.

Отечественные микросхемы, совместимые с SN74 выпускались в составе серий К134 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74L), К155 (среднее быстродействие среднее потребление - SN74) и К131 (высокое быстродействие и большое потребление). Затем были выпущены микросхемы повышенного быстродействия с диодами Шоттки. В названии зарубежных микросхем в обозначении серии появилась буква S. Отечественные серии микросхем сменили цифру 1 на цифру 5. Выпускаются микросхемы серий К555 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74LS) и К531 (высокое быстродействие и большое потребление - SN74S).

В настоящее время отечественная промышленность производит микросхемы серий К1533 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74ALS) и К1531 (высокое быстродействие и большое потребление - SN74F).

Согласование по току

Согласование микросхем приведённых выше серий между собой сводится к согласованию по току, так как напряжения логических уровней этих микросхем совпадают. Рассмотрим эквивалентную схему протекания выходного тока нуля I0 ТТЛ микросхемы, приведенную на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Эквивалентная схема протекания выходного тока ТТЛ микросхемы.

Как видно из приведённой на рисунке 1 схемы, выходной ток ТТЛ микросхемы формируется из входных токов микросхем, подключенных к её выходу. Это означает, что суммарный входной ток микросхем-нагрузок не должен превышать максимального выходного тока микросхемы - источника логического сигнала. Например, максимальный допустимый ток нуля микросхем серии К134 составляет 1,8 мА. Входной ток нуля микросхем серии К531 равен 2 мА. То есть входной ток микросхемы нагрузки превышает максимальный ток микросхемы источника сигнала. Это означает, что между микросхемой серии К134 и микросхемой серии К531 должна находиться промежуточная микросхема серии, у которой входной ток будет меньшей величины, например, К555. У этой серии микросхем входной ток нуля не превышает значения 0.4 мА, то есть к микросхеме К134 можно подключить четыре входа микросхем серии К555:

Iвых=N*Iвх555=4*0,4мА=1.6мА<1.8мА.

У микросхемы К555 допустимый выходной ток составляет 4 мА. Поэтому к выходу этой микросхемы можно подключать до двух входов микросхем серии К531. Более современные микросхемы серии К1531, обладающие быстродействием микросхем серии К531, имеют входной ток 0,6мА. Поэтому эти микросхемы могут быть подключены непосредственно к выходу микросхем серии К134. Максимальное допустимое количество входов микросхем серии К1531 (коэффициент разветвления) можно рассчитать из формулы:

Краз=Iвых134/Iвх1531=1,8мА/0,6мА=3

Точно так же можно определить коэффициент разветвления и для других сочетаний микросхем. Даже в пределах одной серии микросхем можно воспользоваться этой формулой. Возьмём для примера микросхемы серии К1533. Их входной ток равен 0,2мА, выходной ток равен 8мА. В результате получаем коэффициент разветвления 40:

Краз=Iвых1533/Iвх1533=8мА/0,2мА=40

В настоящее время происходит активный переход к микросхемам с пониженным напряжением питания, таким как 3,3В 2,5В или 1,8В. Поэтому кроме вопроса согласования микросхем по току встаёт вопрос согласования микросхем по напряжению логических уровней. Точно такой же вопрос возникает и при согласовании КМОП микросхем и ТТЛ микросхем.

Согласование микросхем с различным напряжением питания

Снижение напряжения питания цифровых микросхем обусловлено двумя причинами. Первая это снижение потребляемой мощности. Снижение напряжения питания с 5 до 3,3В только по закону Ома приводит к снижению потребляемой мощности в 2,3 раза. Вторая причина - это уменьшение линейных размеров транзисторов. При снижении линейных размеров транзисторов уменьшается их пробивное напряжение. В настоящее время наиболее распространённым напряжением питания цифровых микросхем стало напряжение питания 3,3В.

Согласование 3- и 5- вольтовых ТТЛ микросхем

Если в цифровом устройстве одновременно используются микросхемы с пяти- и трехвольтовым питанием, то кроме согласования микросхем по току требуется согласовать их по логическим уровням. Выходное напряжение современных трёхвольтовых микросхем, таких как SN74LVT совпадает с ТТЛ уровнями нуля и единицы, поэтому они могут быть непосредственно нагружены на пятивольтовые ТТЛ микросхемы. Более того! Входные каскады трёхвольтовых микросхем (например серии SN74ALVT или SN74ALVC) спроектированы так, что они выдерживают пятивольтовое напряжение на входе. Вывод - трёх и пятивольтовые микросхемы можно соединять непосредственно (DATASHEETS фирмы TI). Для иллюстрации на рисунке 2 приведены логические уровни микросхем с пяти- и трех вольтовым питанием.

Рисунок 2.  Логические уровни микросхем с пяти- и трех вольтовым питанием. 

Согласование 3- вольтовых ТТЛ микросхем и 2,5- вольтовых КМОП микросхем

Как уже говорилось ранее, ТТЛ микросхемы в настоящее время уже не развиваются. Практически все современные микросхемы выполнены по КМОП технологии. Это же относится и к 2,5- вольтовым микросхемам. Порог срабатывания этих микросхем приблизительно равен 1,2 В. На рисунке 3 приведены выходные уровни 3- вольтовых и входные уровни 2,5- вольтовых микросхем.

Рисунок 3. Выходные логические уровни 3- вольтовых и входные уровни 2,5- вольтовых микросхем.

Как видно из этого рисунка 2,5- вольтовые микросхемы будут воспринимать логические уровни 3- вольтовых микросхем безошибочно. В то же самое время, по техническим данным на 2,5 вольтовые микросхемы, такие как SN74ALVC или SN74ALVT, входное напряжение может достигать 3,6 вольта.

Похожая ситуация наблюдается и при обратном направлении сигнала (от 2,5- вольтовых микросхем к 3- вольтовым). На рисунке 4 приведены выходные уровни 2,5- вольтовых и входные уровни 3- вольтовых микросхем.

Рисунок 4. Выходные логические уровни 2,5- вольтовых и входные уровни 3- вольтовых микросхем.

Вернуться к оглавлению