МИКРОСХЕМЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

     

СРАВНЕНИЕ СЕРИЙ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ


При проектировании цифровых устройств одной из важных за­дач является выбор серий микросхем, наиболее полно отвечающих предъявленным требованиям к их быстродействию, энергопотребле­нию, помехоустойчивости, нагрузочной способности. Помимо этих показателей в расчет также принимают функциональный состав се­рий, конструктивное оформление, устойчивость микросхем к внеш­ним воздействиям и их надежность.

Один из способов выбора серий заключается в сравнении их по наиболее важным функциональным параметрам.

Микросхемы ЭСЛ — наиболее быстродействующие: некоторые из них способны обеспечить работу цифровых устройств с частотой переключения более 100 МГц. Однако такие микросхемы потребля­ют от источника питания значительную мощность и характеризуют­ся низкой помехоустойчивостью. Указанные особенности микросхем ЭСЛ необходимо учитывать при их применении. Например, малая длительность фронтов формируемых сигналов обусловливает необ­ходимость использования для их неискаженной передачи согласо­ванных соединительных линий, например, микрополосковой или ко­аксиальной. Низкая помехоустойчивость микросхем заставляет при­нимать специальные меры по их защите от воздействия наводок. Не случайно в состав некоторых серий введены приемники сигналов с линии, обладающие повышенной помехоустойчивостью. Параметры базовых элементов и виды микросхем некоторых серий ЭСЛ пред­ставлены в табл. 4.13 [2, 17].

Микросхемы ЭСЛ несовместимы по питанию и уровням сигна­лов с микросхемами других типов. Однако возможность согласова­ния имеется. Для этого можно использовать микросхемы преобра­зователей уровней серий 100, К500, К187, которые согласовывают уровни микросхем ЭСЛ к ТТЛ.

Основная область применения ЭСЛ микросхем — цифровые устройства, работающие с частотой выше 50 МГц, которые не мо­гут быть построены на основе микросхем других типов. В дальней­шем по мере повышения быстродействия ТТЛ микросхем область применения ЭСЛ микросхем будет смещаться в сторону устройств сверхвысокого быстродействия.


Таблица 4.13



Параметр а вид микросхем

100

К137

К138

К187

223

229

234

К 500

— 5,2

Uн.п, В

— 2,0

—5

—5

—5

— 4

—5

— 5

U0BЫХ. В

— 1,65

— 1,45

— 1,58

— 1 ,45

— 1,45

— 1 ,47

— 1,47

U1вых. В

— 0,98

— 0,95

— 0,98

— 0,45

— 0,85

— 0,9

— 0,9

Uп, в

0,125

0,03





0,15

0,16

0,16

tзд, р. ср, нс

2,9

6

3,5

10

8

6

110 МГц

Рпот, ср. мКт

45

75

55 1)

45 1)

73

1300 2)

1500 2)

Kраз

15

15

100

15

4

25



ИЛИ

+

+

+

ИЛИ — И

+

+

ИЛИ/ИЛИ — НЕ

+

+

+

+

+

Исключающее ИЛИ/ИЛИ — НЕ

+

+

RS-триггер

+

+

+

D-триггер

+

+

+

+

7-триггер

+

+

Дешифратор

+

+

+

Полусумматор

+

+

+

Сумматор

+

Устройство ускоренного переноса

+

АЛУ

+

Устройство контроля четности

+

Регистр

+

Счетчик

+

+

+

+

Преобразователь уровня

+

+

Передающий элемент

+

Приемный элемент

+

1) Без нагрузки в выходном каскаде.

2) На микросхему.

Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ характеризуются временными пара­метрами, лежащими в широком диапазоне значений. Это позволяет применять микросхемы ТТЛ в устройствах различного быстродействия высокого, среднего и низкого. Параметры базовых элементов и виды микросхем ТТЛ и ТТЛШ серий представлены в табл. 4.14. Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ характеризуются сравнительно вы­сокой помехоустойчивостью, что делает устройства на их основе более устойчивыми к сбоям от воздействия помех. Принимая во внимание свойства и возможности существующих ТТЛ микросхем, целесообразно рекомендовать их для широкого применения в уст­ройствах работающих с частотой переключения до 20 (ТТЛ) и 50 МГц (ТТЛШ).



Микросхемы ДТЛ характеризуются средним и низким быстро­действием (табл. 4.15). По помехоустойчивости они практически не отличаются от ТТЛ микросхем; как правило, совместимы с ТТЛ микросхемами по уровням сигналов. Применяются ДТЛ микросхемы в цифровых устройствах невысокого (сотни килогерц — единицы ме­гагерц) быстродействия.

Таблица 4.14

Параметр и вид микросхемы

ТТЛШ

ТТЛ

530

К555

130

133 1

136

106

134

199

230

243

К531

LKI31

К155

К 158

UИ.П, В

5

5

5

5

5

5

5

5

5

3

U0вых, В

0,5

0,5

0,4

0,4

0,4

0,4

0,3

0,4

0,35

0,25

U'вых. В

2,7

2,7

2,4

2,4

2,4

2,1

2,3

2,4

2,3

2,3

Uп'

0,5

0,5

0,4

0,4

0,4

0,4

0,5

0,4

0,4

0,25

tзд, р, ср, нС

4,75

20

11

22

60

50

100

15

10 МГц

10

Рпот. ср. мВт

19

7,5

44

27

5

18

2

66

1,2 — 1,71) Вт

31

Краз

10

10

10

10

10

10

10

10



10

И

+

+

+

И — НЕ

+

+

+

+

+

+

+

+

ИЛИ — НЕ

+

+

+

+

НЕ

+

+

+

+

+

+

+

И — ИЛИ — НЕ

+

+

+

+

+

+

+

+

Расширитель

+

+

+

+

+

Дешифратор

+

+

+

+

Мультиплексор

+

+

+

Сумматор

+

+

+

АЛУ

+

+

Компаратор

+

Устройство контроля

+

+

четности

RS-триггер

+

+

D-триггер

+

+

+

+

+

JK-триггер

+

+

+

+

+

+

Регистр

+

+

+

Счетчик

+

+

+

Формирователь импуль-

+

+

сов

*) На микросхему



 

Микросхемы РТЛ (табл. 4.16) характеризуются низким быстро­действием, малой потребляемой мощностью и низкой помехоустой­чивостью. По уровням сигналов и напряжению питания микросхемы РТЛ несовместимы с микросхемами других типов. Предназначены для применения в цифровых устройствах низкого быстродействия (сотни килогерц) с жестко ограниченным энергопотреблением.

Микросхемы НСТЛ на МДП-транзисторах с р-каналом харак­теризуются низким быстродействием, большим энергопотреблением и повышенной помехоустойчивостью (табл. 4.17). Существенные осо­бенности микросхем НСТЛ большинства серий: необходимость в от­носительно высоковольтных (до 27 В) источниках питания, высокие уровни сигналов, несовместимость с микросхемами всех рассмотрен­ных выше типов.

Микросхемы на взаимно-дополняющих по проводимости канала МДП-транзисторах (КМДП) существенно отличаются по свойствам от микросхем на р-МДП-транзисторах. Они имеют положительное напряжение питания, потребляют на несколько порядков меньшую мощность, характеризуются при этом значительно большим быстро­действием и более высокой помехоустойчивостью.

Функциональный состав серий 164, К564, содержащих микро­схемы различных видов и разного уровня интеграции, позволяет применять эти серии для построения любых цифровых узлов с так­товой частотой до 1 МГц для серии 164 и до 5 МГц для серии К564 [17].

Таблица 4.15

Параметр и вид микро­схем

109

121

156

128

202

215

217

218

221

240

К511

UН.П, В

3; 5

3; 5

3; 5

3

±4

±4

3; 6

6,3

4

3; 5

15

 

 

 

 

 

 — 0,25

 — 0,25

 

1,2

 

 

 

U°вьпс, В

0,4

0,35

0,55

0,5

 — 1,35

 — 1,4

0,3

0,15

 —

0,5

1,5

U1 ВЫХ, В

2,5

2,5

2,50

2,4

 — 0,33

 — 0,33

2,6

3,5

2,5

2,5

12

иа, в

0,3

0,3

0,4

0,5

0,3

0,3

0,5

 —

0,5

0,4

5

tзд, р, ср, нс

60

50

35

16 МГц

400

23

24

150

2 МГц

55

225

Pпот, ср. МВт

 —

 —

17

30

19

22

20

48

15

23

250

Краз

5

5

6

6

3

5

4

 —

 —

4

25

И

+

 

 

+

+

 

 

 

 

 

+

И — ИЛИ

 

 

 

+

+

+

 

 

 

 

 

И-НЕ

+

+

+

 

 

 

+

+

+

+

+

И — ИЛИ — НЕ

 

 

 

+

 

 

+

 

+

 

 

НЕ

 

 

 

 

+

+

 

+

+

 

+

Расширитель

+

+

+

+

+

 

+

 

 

 

 

RS-триггер

 

 

 

+

 

 

+

 

 

+

 

JK-триггер

 

 

 

 

 

 

+

+

 

 

+

Сумматор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

Дешифратор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

Формирователь

 

 

+

+

 

 

+

 

 

 

 

Усилитель

 

 

 

 

+

+

 

 

 

 

+

Регистр

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

Счетчик

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

+




Таблица 4.16

Параметр и вид микросхем

114

115

201

21!

231

Uип, В

4

4

4

3

4

U0вых, В, не более

0,2

0,2

0,3

0,3

0,2

U1BblX, В, не менее

Uп, В

0,15

0,78 0,15

0,3

0,9 — 1,35 0,1

0,04

K раз

4

4

2/10

4

4

tзд.р.ср., нс

650

150

270

500

300 кГц

РБОТ.ср , МВТ

0,57

3

3,75

8

351)

И

+

ИЛИ

+

И — ИЛИ

+

ИЛИ — НЕ

+

+

+

+

ИЛИ-НЕТ

+

НЕ

+

+

+

Расширитель

+

+

RS-триггер

+

+

+

Полусумматор

+

Регистр

+

+

Счетчик

+

+

1)На микросхему

Однако в отличие от микросхем на р-МДП-транзисторах ми­кросхемы этого типа менее технологичны, требуют для своего изго­товления больше операций и, следовательно, более дорогие. Тем не менее тенденция развития этих серий микросхем такова, что в ближайшее время они будут занимать преобладающее положение среди НСТЛ микросхем. Свидетельством постоянного совершенство­вания их свойств является К564 серия, микросхемы которой рабо­тают при изменении напряжения питания от 3 до 15 В, характери­зуются повышенным быстродействием при значительном снижении потребляемой мощности. При напряжении питания 5 В микросхемы становятся полностью совместимыми с ТТЛ и ТТЛШ.

Таблица 4.17

Параметр и вид микросхемы

КМДП

р — МДП

164 К17Й

К564

К108

К120

К172 К178

K501

Uи.п, В

9

З-15

— 27

— 27;

— 12,6

— 27

— 27;

U0ВЫХ. в

0,5

0,01

— 0,7

— 3

— 2

— 1

U1вых, В

7,7

Uип

— 9,5

— 10

— 7,5

— 9,5

Ua, В, не менее

0,9

1,5

1

1

1

1

tЗД, Р. ср, мкс

0,25

0,082)

6

0,8

0,6

200 кГц

Pпот, ср, мВт

10-3

10-4

25

7

34

200 1)

Kраз,

50



10

10

15

30

И

+

+

И — ИЛИ

+

+

+

НЕ

+

+

+

+

И — НЕ

+

+

+

ИЛИ-НЕ

+

+

+

Исключающее ИЛИ

+

+

+

+

+

И — ИЛИ — НЕ

+

+

Дешифратор

+

+

+

+

Сумматор

+

+

+

АЛУ

+

Мультиплексор

+

Компаратор

+

Преобразователь уровня RS-триггер

+

+

+

+

+

D-триггер

+

+

JK-триггер

+

+

+

Регистр

+

+

+

+

Счетчик

+

+

+




1) На микросхему

2) При напряжении питания 10 В

Таким образом, для цифровых узлов с тактовой частотой бо­лее 50 МГц следует выбирать серии микросхем ЭСЛ. Для узлов с меньшей частотой переключения — микросхемы ТТЛ и- ТТЛШ, пе­рекрывающие диапазон частот до 50 МГц. При проектировании цифровых узлов с тактовой частотой не более 1 МГц целесообразно рассмотреть варианты применения серий маломощных ТТЛ микро­схем и микросхем НСТЛ на КМДП-транзисторах.

При окончательном решении вопроса о выборе серий микро­схем для проектируемого узла следует оценить возможность и це­лесообразность применения микросхем повышенного уровня интеграции, обладающих рядом преимуществ (см. § 1.3).

При логическом проектировании цифровых узлов необходим всесторонний учет основных свойств применяемой элементной базы для достижения высоких технико-экономических показателей разра­ботки. При этом в процессе проектирования появляется целый ряд особенностей. В частности, при разработке функциональной схемы узла, выборе серий микросхем и разработке принципиальной схемы следует иметь в виду, что микросхемы разных по схемотехническому признаку классов, как правило, не согласуются. Поэтому, если при­нято, например, решение в целях оптимизации проектируемого узла по энергопотреблению реализовать его на несовместимых микро­схемах, то необходимо предусмотреть их сопряжение. В составе некоторых серий согласующие микросхемы (преобразователи уров­ня) имеются, но может потребоваться проектирование согласующих элементов на навесных компонентах. Для этого целесообразно при­менять различные вспомогательные микросхемы: наборы инверто­ров, логические элементы с открытым коллекторным (для ТТЛ) или эмиттерным (для ЭСЛ) выходом и др.

При разработке на микросхемах типа ЭСЛ цифровых узлов высокого быстродействия (тактовые частоты — десятки мегагерц) необходимо иметь в виду повышенные требования к характеристи­кам линий передачи и условиям согласования выходных и входных сопротивлений микросхемы с волновым сопротивлением линии.Для решения этой задачи в сериях микросхем ЭСЛ предусмотрены спе­циальные микросхемы для работы на линию передачи и для приема сигналов с линии.


Содержание раздела