Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Опубликован: 16.10.2006 | Доступ: свободный | Студентов: 8412 / 2593 | Оценка: 4.50 / 4.16 | Длительность: 23:53:00
ISBN: 978-5-9556-0054-3
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 2:

Микросхемы и их функционирование

< Лекция 1 || Лекция 2: 123456 || Лекция 3 >

Серии цифровых микросхем

В настоящее время выпускается огромное количество разнообразных цифровых микросхем: от простейших логических элементов до сложнейших процессоров, микроконтроллеров и специализированных БИС (Больших Интегральных Микросхем). Производством цифровых микросхем занимается множество фирм — как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому даже классификация этих микросхем представляет собой довольно трудную задачу.

Однако в качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые уже несколько десятилетий рядом фирм, например, американской фирмой Texas Instruments (TII). Эти серии включают в себя функционально полный комплект микросхем, используя который, можно создавать самые разные цифровые устройства. Даже при компьютерном проектировании современных сложных микросхем с программируемой логикой (ПЛИС) применяются модели простейших микросхем этих серий семейства 74. При этом разработчик рисует на экране компьютера схему в привычном для него элементном базисе, а затем программа создает прошивку ПЛИС, выполняющую требуемую функцию.

Система обозначений фирмы Texas Instruments

Рис. 2.5. Система обозначений фирмы Texas Instruments

Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозначение, и система обозначений отечественных серий существенно отличается от принятой за рубежом.

В качестве примера рассмотрим систему обозначений фирмы Texas Instruments (рис. 2.5). Полное обозначение состоит из шести элементов:

  1. Идентификатор фирмы SN (для серий AC и ACT отсутствует).
  2. Температурный диапазон (тип семейства):
    • 74 — коммерческие микросхемы (температура окружающей среды для биполярных микросхем — 0...70°С, для КМОП микросхем — – 40...+85°С),
    • 54 — микросхемы военного назначения (температура — –55...+125°С).
  3. Код серии (до трех символов):
    • Отсутствует — стандартная ТТЛ–серия.
    • LS (Low Power Schottky) — маломощная серия ТТЛШ.
    • S (Schottky) — серия ТТЛШ.
    • ALS (Advanced Schottky) — улучшенная серия ТТЛШ.
    • F (FAST) — быстрая серия.
    • HC (High Speed CMOS) — высокоскоростная КМОП–серия.
    • HCT (High Speed CMOS with TTL inputs) — серия HC, совместимая по входу с ТТЛ.
    • AC (Advanced CMOS) — улучшенная серия КМОП.
    • ACT (Advanced CMOS with TTL inputs) — серия AC, совместимая по входу с ТТЛ.
    • BCT (BiCMOS Technology) — серия с БиКМОП–технологией.
    • ABT (Advanced BiCMOS Technology) — улучшенная серия с БиКМОП–технологией.
    • LVT (Low Voltage Technology) — серия с низким напряжением питания.
  4. Идентификатор специального типа (2 символа) — может отсутствовать.
  5. Тип микросхемы (от двух до шести цифр). Перечень некоторых типов микросхем приведен в приложении.
  6. Код типа корпуса (от одного до двух символов) — может отсутствовать. Например, N — пластмассовый корпус DIL (DIP), J — керамический DIL (DIC), T — плоский металлический.

Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.

Обозначения отечественных микросхем

Рис. 2.6. Обозначения отечественных микросхем

Отечественная система обозначений микросхем отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 2.6). Основные элементы обозначения следующие:

  1. Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует.
  2. Тип корпуса микросхемы (один символ) — может отсутствовать. Например, Р — пластмассовый корпус, М — керамический, Б — бескорпусная микросхема.
  3. Номер серии микросхем (от трех до четырех цифр).
  4. Функция микросхемы (две буквы).
  5. Номер микросхемы (от одной до трех цифр). Таблица функций и номеров микросхем, а также таблица их соответствия зарубежным аналогам приведены в приложении.

Например, КР1533ЛА3, КР531ИЕ17, КР1554ИР47.

Главное достоинство отечественной системы обозначений состоит в том, что по обозначению микросхемы можно легко понять ее функцию. Зато в системе обозначений Texas Instruments виден тип серии с его особенностями.

Чем отличается одна серия от другой?

Таблица 2.2. Сравнение параметров одинаковых микросхем в разных стандартных сериях
К155ЛА3(SN7400N) К555ЛА3(SN74LS00N) КР1533ЛА3(SN74ALS00N) КР1554ЛА3(SN74AC00N)
tPLH, нс не более 22 15 11 8,5
tPHL, нс не более 15 15 8 7,0
IIL, мА не более -1,6 -0,45 -0,1 -0,001
IIH, мА не более 0,04 0,02 0,02 0,001
IOL, мА не менее 16 8 15 86
IOH, мА не менее -0,4 -0,4 -0,4 -75
UOL, В не более 0,4 0,5 0,5 0,3
UOH, В не менее 2,4 2,7 2,5 4,4
ICC, мА не более 12 4,4 3 0,04

На первом уровне представления (логическая модель) серии не различаются ничем. То есть одинаковые микросхемы разных серий работают по одним и тем же таблицам истинности, по одним и тем же алгоритмам. Правда, надо учитывать, что некоторые микросхемы имеются только в одной из серий, а некоторых нет в нескольких сериях.

На втором уровне представления (модель с учетом задержек) серии отличаются величиной задержки распространения сигнала. Это различие может быть довольно существенным. Поэтому в тех схемах, где величина задержки принципиальна, надо использовать микросхемы более быстрых серий (рис. 2.3).

На третьем уровне представления (электрическая модель) серии различаются величинами входных и выходных токов и напряжений, а также, что не менее важно, токами потребления (рис. 2.3). Поэтому в тех устройствах, где эти параметры принципиальны, надо применять микросхемы, обеспечивающие, к примеру, низкие входные токи, высокие выходные токи и малое потребление.

Серия К155 (SN74) — это наиболее старая серия, которая постепенно снимется с производства. Она отличается не слишком хорошими параметрами по сравнению с другими сериями. С этой классической серией принято сравнивать все остальные.

Серия К555 (SN74LS) отличается от серии К155 малыми входными токами и меньшей потребляемой мощностью (ток потребления — почти втрое меньше, чем у К155 ). По быстродействию (по временам задержек) она близка к К155.

Серия КР531 (SN74S) отличается высоким быстродействием (ее задержки примерно в 3–4 раза меньше, чем у серии К155), но большими входными токами (на 25% больше, чем у К155 ) и большой потребляемой мощностью (ток потребления — больше в полтора раза по сравнению с К155).

Серия КР1533 (SN74ALS) отличается повышенным примерно вдвое по сравнению с К155 быстродействием и малой потребляемой мощностью (в четыре раза меньше, чем у К155 ). Входные токи еще меньше, чем у К555.

Серия КР1531 (SN74F ) отличается высоким быстродействием (на уровне КР531 ), но малой потребляемой мощностью. Входные токи и ток потребления примерно вдвое меньше, чем у К155.

Серия КР1554 (SN74AC ) отличается от всех предыдущих тем, что она выполнена по КМОП-технологии. Поэтому она имеет сверхмалые входные токи и сверхмалое потребление при малых рабочих частотах. Задержки примерно вдвое меньше, чем у К155.

Наибольшим разнообразием имеющихся микросхем отличаются серии К155 и КР1533, наименьшим — КР1531 и КР1554.

Надо отметить, что приведенные здесь соотношения по быстродействию стандартных серий довольно приблизительны и верны не для всех разновидностей микросхем, имеющихся в разных сериях. Точные значения задержек необходимо смотреть в справочниках, причем желательно в фирменных справочных материалах.

Микросхемы разных серий обычно легко сопрягаются между собой, то есть сигналы с выходов микросхем одной серии можно смело подавать на входы микросхем другой серии. Одно из исключений — соединение выходов ТТЛ-микросхем со входами КМОП-микросхем серии КР1554 (74AC). При таком соединении необходимо применение резистора номиналом 560 Ом между сигналом и напряжением питания (рис. 2.7).

Сопряжение TTL с CMOS

Рис. 2.7. Сопряжение TTL с CMOS

При выборе той или иной серии микросхем следует также учитывать, что микросхемы мощной и быстрой серии КР531 создают высокий уровень помех по шинам питания, а микросхемы маломощной серии К555 очень чувствительны к таким помехам. Поэтому серию КР531 рекомендуется использовать только в крайних случаях, при необходимости получения очень высокого быстродействия. Не рекомендуется также применять в одном устройстве мощные быстродействующие микросхемы и маломощные микросхемы.

< Лекция 1 || Лекция 2: 123456 || Лекция 3 >
Ильяз Султанов
Ильяз Султанов
Анна Фёдорова
Анна Фёдорова
Арцун Акопян
Арцун Акопян
Россия, Кисловодск
Павел Гуляев
Павел Гуляев
Россия, Санкт-Петербург