Особенности применения микросхем ТТЛ на КМОП-транзисторах при разработке цифровых устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему:

Особенности применения микросхем ТТЛ на КМОП-транзисторах при разработке цифровых устройств

Нижний Новгород

2010

Содержание

Особенности применения микросхем ТТЛ при разработке цифровых устройств

1. Неиспользуемые логические элементы

2. Неиспользуемые входы элементов ТТЛ

3. Объединение выходов элементов ТТЛ

4. Микросхемы с открытым коллектором

5. Влияние емкости нагрузки на работу микросхем ТТЛ

6. Фронты входных сигналов

7. Обеспечение помехоустойчивости

Особенности применения микросхем на КМОП-транзисторах при разработке цифровых устройств

1. Последовательность подачи напряжения и входных сигналов

2. Токоограничивающие резисторы на выходе и входе ЛЭ

3. Подавление помех в цепи питания

4. Неиспользуемые входы КМОП-микросхемы

5. Правила обращения

6. Сопряжение микросхем ТТЛ и КМОП

Особенности применения микросхем ТТЛ при разработке цифровых устройств

Для обеспечения правильной и надежной работы цифрового устройства на элементах ТТЛ необходимо правильно спроектировать его схему, используя минимально возможное количество различных элементов ТТЛ, но при том функционально сложных. Для разработки схемы надо уметь выбрать нужные серии микросхем с учетом их параметров и условий эксплуатации. Кроме того следует соблюдать основные правила и рекомендации по применению микросхем ТТЛ в цифровых устройствах.

1. Неиспользуемые логические элементы

МС, выполняющие простейшие операции (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ и др.) обычно содержат в одном корпусе несколько независимых ЛЭ, связанных только одним питанием. При составлении схемы дискретного устройства часто получается, что отдельные ЛЭ остаются свободными.

Рекомендуется такие элементы включать так, чтобы их выходы имели высокий потенциал, для чего входы логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ соединяют с общей (земляной) шиной. В этом случае рассеиваемая мощность минимальна, а сами элементы можно использовать для создании логической единицы на входах других приборов.

2. Неиспользуемые входы элементов ТТЛ

У ЛЭ, включенных в схему, могут оставаться свободными один или несколько входов. Эти входы следует либо соединять с работающими, либо к ним надо подводить постоянные напряжения, соответствующие уровню логического "0" или "1" - в зависимости от условий.

На практике с неиспользуемыми входами поступают следующим образом:

1) Объединяют с используемым с учетом выполняемых данным входом функций, если это не ведет к превышению нагрузочной способности предыдущего каскада;

2) Соединяют с общей шиной (с "0");

3) Для создания уровня логической "1" напряжение на входе должно находиться в пределах 2,4~3,6 В. Непосредственное подключение входов ТТЛ к проводу питания Uп недопустимо из-за большого входного тока Iвх.

Логическую "1" на входе ТТЛ обеспечивают одним из следующих способов:

1) Подключают к выходу свободного элемента, чаще всего И-НЕ, входы которого соединяют с общей шиной (генератор константы 1); максимальное число входов, подключаемых к элементу, определяется его нагрузочной способностью;

2) На неиспользованные входы подают напряжение 2,4~3,6 В от отдельных источников питания;

3) Неиспользуемые входы подсоединяют к своему источнику питания (Uп) через ограничивающий резистор R=1~2 ком. К этому резистору допускается присоединять до 20 входов МС ТТЛ серий 155 и 133; 4)Неиспользуемые входы ТТЛ, на которых постоянно должна быть логическая "1", в крайнем случае, можно оставлять свободными: за счет токов утечки на них устанавливается нужное напряжение, но надо иметь в виду, что этот способ ведет к уменьшению быстро действия и помехоустойчивости, особенно при большой частоте переключений, так как свободные входы подвержены действию наводок.

Если у ЛЭ И-ИЛИ-НЕ в секции И остаются лишние входы, их следует соединить с используемыми входами той же секции. Если вся секция И не применяется, на всех ее входах должен быть "0". Неиспользуемые входы для подключения расширителей по ИЛИ оставляют свободными.

3. Объединение выходов элементов ТТЛ

Выходные цепи микросхем ТТЛ со стандартным выходом нельзя объединять по схеме ИЛИ, так как при наличии одного включенного выхода (состояние 0) и одного выключенного выхода (состояние 1) из выходной цепи последнего будет вытекать ток, близкий току короткого замыкания по выходу, и напряжение на включенном выходе значительно возрастает вследствие большого втекающего тока. В результате уменьшится запас помехоустойчивости по уровню лог.0 и возрастет рассеиваемая обеими ЛЭ мощность. Возможность объединения по выходу имеется у ряда ТТЛ с открытым коллекторным выходом и у микросхем с тремя устойчивыми состояниями.

4. Микросхемы с открытым коллектором

Выходы некоторых микросхем выполнены так, что верхний выходной транзистор и относящиеся к нему элементы отсутствуют, то есть нижний транзистор имеет свободный или открытый коллектор, который является выходом ЛЭ. Такой транзистор подключается к источнику питания через внешний резистор или через элемент индикации. Микросхемы такого вида используют для управления внешними устройствами, которые могут работать и от других источников питания, имеющих более высокое напряжение. При подключении к внешнему резистору элемент выполняет функцию И-НЕ. В УГО элемента с открытым коллектором есть специальный значок-ромб. Такие элементы приспособлены для выполнения логических операции-организации монтажной логики. Параллельное объединение нескольких выходов и подсоединение к общей нагрузке обеспечивают условное выполнение функции И-ИЛИ-НЕ(рис1а) .При наличии логической 1 на входах одного из ЛЭ И-НЕ на соответствующем выходе появится логический 0, которого достаточно чтобы и на выходе схемы с монтажной логикой был логический0-финкция ИЛИ, то есть при этом обрабатывается функция И-ИЛИ-НЕ(монтажное ИЛИ):

F=AB?CD?EF

C другой стороны на объединенном выходе логическая 1 появится только тогда, когда на выходе каждого ЛЭ будут логические1. Следовательно, объединение открытых коллекторов на общую нагрузку позволяет рассматривать данную схему как реализующею функцию И. На рисунке 1б показано УГО монтажного ИЛИ(И) в схемах.

5. Влияние емкости нагрузки на работу микросхем ТТЛ

Увеличение емкости нагрузки Сн на выходе микросхемы снижает ее быстродействие, увеличивая задержку распространения сигнала. Увеличение составляет примерно 0,03…0,3 нс/пФ для микросхем различных серий. Микросхемы серий КР1531 и КР1533 имеют еще более слабые зависимости значений t1,0зд.р., t0,1зд.р. от емкости Сн . Однако с увеличением емкости Сн пропорционально растет динамическая мощность Рсн=Сн(Uвых-Uвых)20,5fт, затрачиваемая на ее перезарядку, которая при высоких частотах fт может в несколько раз превысить мощность, потребляемой микросхемой в статическом режиме. При этом возрастают по амплитуде и длительности выбросы тока по цепям питания, что увеличивает уровень возникающих помех. Значения t1,0зд.р., t0,1зд.р в микросхемах ТТЛ задаются для емкостей нагрузки, в 5…10 раз меньших придельных значений, равных примерно 150…300пФ.

6. Фронты входных сигналов

микросхема сигнал резистор напряжение

При проектировании цифровых устройств на микросхемах ТТЛ необходимо учитывать критичность последних к длительности фронтов входных сигналов. Когда входной сигнал изменяется медленно, выходное напряжение может начать изменятся до того, как входной сигнал пересечет пороговую зону примерно от 0,8 до 2 В. В этом случае микросхема находится в режиме усиления, и наличие любой посторонней связи может вызвать генерацию. То есть , если входное напряжение микросхемы находится в пороговой зоне 0,8…2 В, в течении временя, превышающего задержку сигнала, возникает опасность генерации. Кроме того, увеличение длительности фронтов входного сигнала увеличивает амплитуду и длительность сквозных токов в выходном каскаде микросхемы, что может привести к выходу ее из строя. Предельно допустимые длительности фронтов составляют: 150нс - для микросхем серии К155 и К555; 100нс - для микросхем серии К531 и КР1531. Для предварительного формирования сигналов с крутыми фронтами следует использовать либо микросхемы типа триггера Шмита, либо микросхемы с открытым коллекторным выходом.

7. Обеспечение помехоустойчивости

Статическая и динамическая помехоустойчивость. Одним из необходимых условий успешного применения ИС ТТЛ в аппаратуре является обеспечение их помехоустойчивости. Статическая помехоустойчивость по напряжению лог. 1 получается как разность между минимальным выходным напряжением лог. 1 и входным пороговым напряжением лог. 1 (-).

Статическая помехоустойчивость по напряжению лог. 0 есть разность между входным пороговым напряжением лог. 0 и максимальным выходным напряжением лог. 0.

Таблица 1

Гарантированные выходные и допустимые входные напряжения, а также помехоустойчивость по лог. 0 и 1 ИС серий К155, К555, К531, КР1533, KP1531 в наихудшем случае (т. е. при наибольших разбросах напряжения питания и изменении температуры окружающей среды) приведены в табл. 1. Например, для ИС серии К555 минимальное выходное напряжение лог. 1 составляет 2,7 В, а входное напряжение, обеспечивающее переключение ИС, -- 2 В, т. е. помехоустойчивость по уровню лог. 1 равна 0,7 В.

Устойчивость ИС ТТЛ к воздействию коротких импульсов помех различной амплитуды и длительности оценивается с помощью характеристики динамической помехоустойчивости, которая представляет собой зависимость допустимой амплитуды импульса помехи от его длительности. Таким образом, характеристика динамической помехоустойчивости ИС определяет границу, разделяющую область допустимых импульсов помех от области недопустимых импульсов помех. Характеристики динамической помехоустойчивости зависят от быстродействия ЛЭ, а также от коэффициента нагрузки и определяются как для положительных (относительно напряжения лог. 0), так и для отрицательных (относительно напряжения лог. 1) импульсов помех.

В общем случае сигналы помехи имеют настолько большую длительность, что решающим фактором является помехоустойчивость по постоянному току.

Источники помех и способы их снижения. Помехи в логических системах могут проявляться в самой разнообразной форме и наводиться от самых разнообразных источников. Все помехи, которые могут явиться причиной ложного срабатывания чувствительных цепей аппаратуры, можно разделить на несколько видов:

внешние помехи, проникающие в систему из окружающей среды от различного рода излучателей электромагнитных сигналов, а также обусловленные действием электромагнитных и электростатических полей;

токовые помехи, по цепи питания, возникающие в результате выбросов тока при коммутационных процессах;

перекрестные помехи, наводимые одними сигнальными линиями в других сигнальных линиях;

отражения в линиях связи при несогласованной нагрузке.

Внешние помехи. Линия питания сама является прямым путем подвода этих помех, а также излучающей их антенной. Излученные помехи могут восприниматься незащищенными линиями связи или соединительными проводами, идущими к дистанционным пунктам управления, а они, в свою очередь, наводят помехи в аппаратуре. Внешние помехи могут также проникать в аппаратуру через вывод «земля», например при электростатическом разряде на кожух оборудования.

Для защиты от внешних помех используется экранирование от сигналов внешних и внутренних мощных каскадов, создающих помехи электромагнитного или электростатического характера. Экранированы должны быть все чувствительные к помехам цепи. Для защиты от электростатических полей экран может быть сделан из алюминия и других металлов, для защиты от электромагнитных полей -- только из железа. Каждый экранирующий кожух должен быть подсоединен к общему заземлению низкоомным проводом. Если в самой системе содержатся элементы (реле, устройства защиты, двигатели и т. д.), создающие в проводниках заземления большие коммутационные токи, необходимо использовать раздельные шины заземления. Пространственное разделение элементов, а также экранирование логической системы обеспечивает надежную защиту от внешних помех и от помех, не обусловленных работой самих ИС ТТЛ.

Токовые помехи по цепи питания. Эффективным средством защиты ИС от помех по цепи питания является включение конденсаторов развязки между шинами питания и общей. В этом случае шина питания рассматривается как проводящий постоянный ток элемент, который имеет низкое сопротивление при протекании токов переходных процессов «на землю». Для качественной развязки необходимы конденсаторы, имеющие большую емкость для низких частот и малую для высоких. Обычно конденсаторы развязки устанавливаются отдельно для блокирования низкочастотных (С1) и высокочастотных (С2) помех.

Низкочастотные помехи, проникающие в систему по цепи питания, должны блокироваться с помощью электролитического конденсатора емкостью не менее 1,0 мкФ, из расчета один конденсатор на каждые пять-десять ИС. Устанавливать электролитические конденсаторы следует возможно ближе к контактам разъемов. Допускается устанавливать их и в других местах плат с микросхемами при условии, что не менее половины емкости сосредоточено у разъемов.

Для исключения высокочастотных помех развязывающие емкости в самом общем случае должны быть распределены по всей площади печатной платы равномерно относительно ИС, из расчета один конденсатор на группу не более чем 10 ИС, а емкость 0,002--0,001 мкФ на одну ИС. При этом необходимо, чтобы линия питания, обладала по возможности низким сопротивлением для протекания токов переходных процессов «на землю» и чтобы длина выводов развязывающих конденсаторов в непосредственной близости от ИС была минимальной. Это требование диктуется необходимостью блокирования высокочастотных напряжений, вызываемых всплесками тока, возникающими в цепи питания ИС.

Кроме того, важным фактором, определяющим напряжение помехи, является расстояние между источником помехи (логическим элементом) и

Перекрестные помехи являются следствием воздействия электромагнитных полей, которые возникают в соединительных линиях под действием положительных и отрицательных токов. Связанные электромагнитные поля оказывают воздействие на близко расположенные линии и наводят в них «перекрестные» помехи, которые могут привести к нарушению правильного функционирования аппаратуры.

В аппаратуре на ИС используются коаксиальные кабели, витые пары, одиночные провода и печатные проводники. Линии связи в виде коаксиального кабеля не создают перекрестных помех благодаря хорошей экранировке. Самыми простыми и дешевыми линиями связи являются одиночные провода. Однако с точки зрения подавления помех они обладают наихудшими характеристиками, поэтому разрешается использовать одиночные провода длиной до 25--30 см.

Особенности применения микросхем на КМОП-транзисторах при разработке цифровых устройств

1 Последовательность подачи напряжения и входных сигналов

Поскольку КМОП-структура является четырехслойной, в ней имеются паразитные биполярные транзисторы и возможно возникновение тиристорного эффекта. Паразитныйn-p-n-транзистор(область истока МОП-транзистора n-типа, карман p-типа и подложка n-типа) и паразитный p-n-p-транзистор(область истока МОП-транзистора p-типа, подложка n-типа и карман p-типа) включены так, что образуют тиристор между шинами питания.(рис2)

Сравнительно низкие объемные сопротивления подложки и кармана шунтируют эмиттерные переходы паразитных биполярных транзисторов, поэтому для включения паразитного тиристора требуется большой ток. При нормальной работе КМОП-инвертора такие токи не возникают. В случае включения тиристора происходит замыкание шины питания и общей шины, и в результате большой мощности, рассеиваемой на микросхеме возможно ее повреждение. Единственный способ выключения тиристора состоит в отключении питания.

Для исключения нежелательных явлений напряжение питания на КМОП-микросхемах следует всегда помогать раньше подачи любых входных сигналов, а включение микросхем следует выполнять в обратном порядке.

2. Токоограничивающие резисторы на выходе и входе ЛЭ

Если на выходе КМОП-микросхемы включен конденсатор с достаточно большой емкостью, то в моменты переключений выходного инвертора этой микросхемы через его выходные МОП-транзисторы протекают большие токи заряда, что может привести к повреждению прибора. Поэтому для ограничения этого тока между выходом микросхемы и конденсатором следует включить резисторн, снижающий этот ток до 1…2 мА. Такой же токоограничивающий резистор необходимо включить на вход микросхемы, если через ее защитную RC-цепь возможно даже кратковременное протекание больших токов, создаваемых источником входного сигнала.

3. Подавление помех в цепи питания

Для подавления помех возникающих в цепи питания, на плате с микросхемами между шиной питания Uп и общей шиной включают конденсаторный фильтр: электрический конденсатор емкостью 1…10 мкФ и параллельно ему в зависимости от числа микросхем на плате - несколько керамических конденсаторов емкостью 0,01…0,1 мкФ.

4. Неиспользуемые входы КМОП-микросхемы

Следует помнить, что входы КМОП-микросхем (в отличие от ТТЛ), недопустимо оставлять свободными. Если какой-нибудь вход окажется неподсоединенным, то на нем могут возникнуть непредсказуемые напряжения за счет наводок и связей через паразитные емкости. Следствием этого может быть не только неверное действие микросхемы, но и ее повреждение. Поэтому свободные входы микросхемы обязательно соединяют с шиной питания Uп или общей шиной в зависимости от функции элемента или объединяют их с другими, задействованными входами.

5. Правила обращения

Подробные инструкции по обращению с КМОП-транзисторами можно найти в соответствующих справочниках. К основным правилам можно отнести следующие:

- в процессе хранения и транспортирования отдельных микросхем выводы их должны быть соединены между собой, например, путем обертывания металлической фольгой;

- нельзя производить смену микросхем при включенном питании;

- при монтаже работающий с микросхемами человек должен быть заземлен с помощью проводящего браслета, соединенного с контуром заземления помещения через резистор 0,5 МОм;

- пайку выводов необходимо вести в последовательности - общий, питание, остальные контакты, применяя при этом низковольтный паяльник с заземленным жалом.

6. Сопряжение микросхем ТТЛ и КМОП

Для оптимизации схемных решений и снижения затрат ЛЭ ТТЛ и на КМОП-транзисторах нередко используются совместно. Выход ЛЭ ТТЛ и вход ЛЭ на КМОП-транзисторах при одинаковом напряжении питания Uп1=Uп2=5 В могут быть соединены напрямую, если выход ЛЭ ТТЛ не имеет дополнительной нагрузки при выходном напряжении U1вых. Из-за большого входного сопротивления ЛЭ на КМОП-транзисторах напряжение U1вых достигает значения около 3,5 В. Чтобы улучшить помехоустойчивость ЛЭ желательно между шиной питания Uп и точкой соединения элементов включить резистор с сопротивлением выше 2…5 кОм, что повышает напряжение U1вых до 5В.

Если напряжение питания ЛЭ на КМОП-транзисторах Uп1 > Uп2 =5 В, то для увеличения диапазона напряжения на выходе этого элемента до значения можно использовать на его входе микросхему ТТЛ с открытым коллектором и повышенным коллекторным напряжением. Для этой цели служат микросхемы К133ЛН3, К155ЛН3, К150ЛА11, открытые коллекторы которых могут быть подсоединены через внешний резистор к источнику питания Uп2. Также при меняют микросхемы К176ПУ5, 564ПУ7, 564ПУ8, которые содержат несколько преобразователей уровня, повышающих диапазон выходного напряжения ЛЭ ТТЛ почти до напряжения Uп2, причем микросхема 564ПУ7 выполняет эту операцию с инверсией.

Переход от микросхемы на КМОП-транзисторах к микросхемам ТТЛ при Uп1 = Uп2 =5 В может быть сделан непосредственно, если при выходном напряжении низкого уровня выходное сопротивление rс-и n ЛЭ на КМОП-транзисторах на столько мало, что выполняется условие

rс-и n I0вх < 0,4…0,6 В,

где I0вх - входной вытекающий ток ЛЭ ТТЛ.

В микросхемах серии КР1564 (rс-и n ? 70 Ом)* это условие выполняется для всех серий микросхем ТТЛ, а в микросхемах серий К561 и КР1561 - только для маломощных серий ТТЛ.

Для целей согласования применяются так же микросхемы 564ЛН2 и 564ПУ4, содержащие по шесть одинаковых элементов, обладающих повышенной нагрузочной способностью по току, причем 564ЛН2 инвертирует входные сигналы.

Поскольку входная защитная RC - цепочка микросхем 564ЛН2 и 564ПУ4 выполнена по упрощенной схеме, на её вход при напряжении питания Uп1 =5 В можно подать повышенное напряжение вплоть до 15 В. Поэтому эти микросхемы могут быть использованы для целей согласования при Uп1 > Uп2 =5 В. В этом случае могут быть использованы так же микросхемы К176ПУ2 и К176ПУ3, содержащие по шесть одновходовых элементов, которые преобразуют входные напряжения с диапазоном, равным Uп1, в напряжение, необходимое для входов ЛЭ ТТЛ (U0вх < 0,4 В; U1вх > 2,4 В), причем микросхема К176ПУ3 выполняет эту операцию с инверсией.

Размещено на Allbest.ru