Е. Быков

Микросхемы цифровой логики

Несмотря на появление микропроцессоров, микроконтроллеров и других программируемых схем и постоянное расширение сфер их применения, потребность в микросхемах стандартной логики уменьшилась не настолько, чтобы полностью отказаться от их применения. Во-первых, и в микроконтроллерных устройствах широко используются элементы "обвязки", например, шинные формирователи и регистры. Во-вторых, улучшаются потребительские качества схем логики - быстродействие, потребляемая мощность, нагрузочная способность, что позволяет использовать их в простых применениях вместо микроконтроллеров, сокращая путь от идеи до е╦ воплощения за сч╦т отсутствия необходимости разработки дорогого программного обеспечения.

Микросхемы стандартной логики рассматриваются в двух плоскостях: по функциональному назначению и с точки зрения электрических параметров. Активное развитие функциональных рядов достигло своего пика примерно с появлением серии 74ALS (1533). Именно эта серия была наиболее полна и содержала как сравнительно устаревшие типономиналы, так и совершенно новые. Также эта серия, наряду с предыдущими, широко повторена в нашей стране и хорошо известна разработчикам. Далее начался процесс постепенного вытеснения микросхем ж╦сткой логики микропроцессорами и микроконтроллерами и сокращения номенклатуры первых, соответственно. Тем не менее, устоялись и продолжают выпускаться в каждой новой серии такие элементы, как шинные формирователи (АП), дешифраторы (ИД), регистры (ИР), мультиплексоры (КП), триггеры (ТЛ, ТМ), ну и, конечно, собственно логические схемы И, ИЛИ, НЕ в самых различных сочетаниях. Привед╦нные в скобках сокращенные обозначения функционального назначения микросхем действительны только для постсоветского пространства. На западе, к сожалению, для обозначения используются только порядковые цифры. Мы привед╦м таблицы перевода из одной системы обозначений в другую. Продолжают разрабатываться и новые, но уже весьма специфические элементы, в основном, в группе шинных драйверов, мостов и многофункциональных регистров.

С точки зрения развития технологии изготовления и улучшения электрических параметров микросхем цифровой логики, прогресс не прерывался никогда. На сегодняшний день в мире осталось пять наиболее заметных и известных производителей таких микросхем: Philips, Texas Instruments, Fairchild, STM и ON Semiconductor. Именно они задают тон в рассматриваемой тематике. Прич╦м однозначным лидером, как и 30 лет назад, является Texas Instruments, первый разработчик 74/54-й серий.

В исторической ретроспективе существовало три класса микросхем логики: эмиттер √ связанная логика (ЭСЛ), на комплементарных парах (КМОП) и транзисторно-транзисторная (ТТЛ) логика. Первая из них, представляемая в СССР 100, 500 и 1500 сериями, была ориентирована на максимальное быстродействие, невзирая на потребляемую мощность и прочие неудобства. Был достигнут субнаносекундный диапазон, но появление быстродействующих ТТЛ-серий, а далее - мощных микропроцессоров - сделало бессмысленным дальнейшее развитие ЭСЛ-схем. КМОП-серии, базовой из которых для нас являлась К176, изначально были рассчитаны на минимально возможное энергопотребление. Быстродействие при этом, естественно, оставляло желать много лучшего. Серии ТТЛ, начиная с К155, занимали компромиссную между быстродействием и энергопотреблением нишу. Она и оказалась наиболее востребованной. В системе обозначений ТТЛ-схем используется сочетание "74". Следующие цифры обозначают функциональное обозначение. Чуть позже появились новые модификации ТТЛ-серий и дополнительные буквы для их идентификации. Например, 74LS00. Это маломощная серия с диодами Шоттки. Основные модификации микросхем стандартной логики первого поколения с указанием отечественных аналогов и некоторых сравнительных параметров приведены в табл. 1. Две правые колонки иллюстрируют первые КМОП-серии.

Таблица 1. Основные модификации микросхем стандартной логики первого поколения

*) Время задержки распространения приведено для микросхем типа ЛА3 (74хх00) при переключении из низкого в высокий уровень выхода и наоборот. Ток потребления указан для того же типа схем при различных логических уровнях на входах. Данные взяты из документации фирмы-разработчика - Texas Instruments. Параметры микросхем других производителей могут незначительно меняться.

Температурный диапазон для 74-х серий - от 0 до +70ºС. В скобках приведены серии для военного применения. Их температурный диапазон от -55 до +125ºС. В настоящее время выпускаются микросхемы всех вышеуказанных 74-х серий, но со значительно сокращ╦нным ассортиментом, в основном, для ремонта оборудования. Серии К176 и К561 существуют исключительно в России. Как видно, развитие ТТЛ-серий, главным образом, шло в сторону уменьшения энергопотребления. В то же время, КМОП-серии развивались в направлении повышения быстродействия. В конце концов, победила КМОП-технология. Последующие поколения стандартной логики выпускаются уже только по ней. Однако, по ряду причин, система обозначений сохранила в основе ключ "74". Таким образом, второе поколение микросхем стандартной логики выпускается по КМОП-технологии, но сохраняет полное функциональное соответствие с ТТЛ-сериями. Последней из 40-х серий стала 4000В (КР1561). Следует иметь в виду, что нумерация однотипных элементов в 74-й и 40-й сериях никогда не совпадала. Отсутствовавшие в 74-й серии типономиналы теперь обозначаются, например, как 74НС4015. Кроме того, выпускается специальная буферная серия, выполненная по совмещенной BiCMOS-технологии - 74ABT. Наиболее распростран╦нные серии микросхем стандартной логики второго поколения приведены в табл. 2.

Таблица 2. Распространенные серии микросхем стандартной логики второго поколения*

*) Все параметры приведены при работе в индустриальном температурном диапазоне (-40┘+85ºС). Время задержки распространения приведено для напряжения питания +5 В; ток потребления указан в статическом состоянии при максимально допустимом напряжении питания и без нагрузки на выходе. Для 4000 В все параметры даны для напряжения питания +15 В. Данные взяты из документации фирмы-разработчика - Texas Instruments. Параметры микросхем других производителей могут незначительно меняться.

Все серии выпускаются также в military (54хх) варианте. Серии 74AC/ACT, 74HC/HCT, 4000B выпуска TI работают в диапазоне -55┘+125ºС. Остальные - -40┘+85ºС.

Отличие между 74АС/АСТ, НС/НСТ и АНС/АНСТ заключается только в логических уровнях сигналов. Серии без буквы "Т" допускают питание в широком диапазоне напряжений, однако, уровни логических сигналов у них будут зависеть от этого напряжения. В сериях АСТ, НСТ и АНСТ логические сигналы всегда соотвестсвуют стандартным ТТЛ-уровням при напряжении питания +5 В.

Для АВТ серии параметры "ЛА3" (74АВТ00) не слишком характерны. Более интересными в этой серии являются шинные формирователи и регистры. Так, для "АП5" (74АВТ244) и других подобных типономиналов выходной ток достигает -32/64 мА. Правда, собственное потребление в таких случаях возрастает до 30 мА при нулевом состоянии выходов.

Все серии выпускаются как в DIP-корпусах, так и в корпусах для поверхностного монтажа различных модификаций. Самые распростран╦нные типы корпусов и их маркировка различными фирмами-изготовителями приведена в табл. 3.

Таблица 3. Таблица 3. Типы корпусов и их маркировка различными фирмами-изготовителями

В обозначениях современных микросхем стандартной логики встречаются "лишние", непонятные на первый взгляд, цифры. Однако они имеют весьма важный смысл и показывают новые особенности в разработках уже известных серий. Рассмотрим некоторые из них:

• цифры "11" перед функциональным обозначением означают измен╦нную разводку выводов. Питание и "земля" выводятся не на крайние, а на средние выводы микросхем, что облегчает фильтрацию по питанию, уменьшает шумы. Так, микросхема 74АСТ11244 представляет собой обычную "АП5", у которой "земля" находится на выводах 5, 6, 7, 8, а питание - на выводах 18, 19. Всего микросхема имеет 24 вывода вместо 20;
• цифры "16" перед функциональным обозначением обозначают 16-бит микросхемы с соответствующим увеличением количества выводов. Это более удобно для разводки 16-бит шин в смысле экономии площади на плате и уменьшения числа входов управления. Пример: 74АВТ16244;
• цифра "2" перед функциональным обозначением означает наличие 30-Ом резисторов, включенных последовательно в верхнем и нижнем плечах выходного каскада микросхем. Это снижает передаваемые на выход шумы переключений, но ограничивает выходной ток. Пример: 74АВТ2244.

Дальнейшее развитие и совершенствование микросхем стандартной логики происходит в направлении понижения напряжений питания. К сожалению, два главных разработчика - TI и Fairchild - придерживаются неидентичной системы обозначения новых серий. Отсюда их большое количество. Краткие характеристики серий, описанных в табл. 4:

• 74LV - низковольтный вариант 74НС. Оптимизирована для напряжения питания +3,3 В;
• 74LVC - ещ╦ более низковольтный вариант. Оптимизирована для напряжения питания +2,7 В. Ток выхода при этом напряжении -12/12 мА, время задержки - 5,1 нс. Допускается подача на вход сигналов напряжением до 5,5 В;
• 74ALVC - более быстродействующий вариант 74LVC. Имеет время задержки распространения всего 2,8 нс при напряжении питания 2,5 В. Микросхемы опционально имеют встроенные демпфирующие резисторы. Многие типономиналы имеют встроенную функцию "bus hold" (ALVCH), что решает проблему неподключенных входов. Отпадает необходимость соединять эти входы резисторами на землю или шину питания;
• 74LVT - буферные схемы, выполненные по BiCMOS-технологии. Имеют высокую нагрузочную способность. Допускают подачу на входы сигналов напряжением до 5,5 В. Большинство типономиналов имеют 16-бит, а некоторые - 32-бит версии (LVT32244). Снабжены функцией "bus hold" (LVTH). Опционально имеют встроенные резисторы (LVTH2245). Выпускается ещ╦ более быстродействующий вариант - 74ALVT(H);
• 74AVC (не вошла в таблицу) имеет быстродействие 1,7 нс при напряжении питания 3,3 В и 3,2 нс - при питании 1,8 В;
• 74AUC (не вошла в таблицу). Напряжение питания от 0,8 до 2,5 В. Допускается подача на вход сигналов напряжением до 3,6 В;
• 74VHC - полный аналог 74LV. Выпускаются 74VHCT с напряжением питания 4,5√5,5 В и ТТЛ-уровнями выходов. Быстродействие, соответственно, улучшается до 9 нс;
• 74LVX - очень близка к 74LV фирмы TI. Входы устойчивы для +5,5 В;
• 74LCX - очень близка к 74LVC фирмы TI;
• 74VCX - аналог 74ALVC.

Таблица 4. Параметры серий ИС с пониженным напряжением питания*

*) Время задержки распространения приведено для напряжения питания +3,3 В и емкости нагрузки 50 пФ. Выходной ток при напряжении питания +3,3 В. Ток потребления указан в статическом состоянии при максимально допустимом напряжении питания и без нагрузки на выходе. Данные взяты из документации фирмы-разработчика - Texas Instruments. Параметры микросхем других производителей могут незначительно меняться.

Если при разработке принципиальной схемы не используются все имеющиеся в корпусе логические элементы, то для таких случаев существуют микросхемы серии Pico-Gate. Корпус этих ИС типа SOT23-5 содержит всего один логический элемент вместо четырех, как в 74xx00 (ЛА3), и обозначается в нашем случае как 74AHC1G00. Возможен и вариант 74LVC2G00. Тогда микросхема будет содержать два (из четыр╦х) логических элемента и находиться в 8-выводном корпусе.

ЗАО "Промэлектроника" г. Екатеринбург (www.promelec.ru, тел.: (3432) 45-45-07, 45-44-88, факс: (3432) 45-33-28, e-mail: pr@promelec.ru) предлагает наиболее полный перечень микросхем цифровой логики.