на головну | список тем | перегляд презинтацій | самотестування | історія створення

 

 

 

Тема3. Входи і виходи цифрових мікросхем

Всі цифрові пристрої будуються з логічних мікросхем, кожна з яких (малюнок. 3.1) обов'язково має наступні виводи (ніжки):

• виводи живлення: загальний (або «земля») і напруги живлення (в більшості випадків +5 В або +3,3 В), які на схемах звичайно не показуються;
• виводи для вхідних сигналів (або «входи»), на які поступають зовнішні цифрові сигнали;
• виводи для вихідних сигналів (або «виходи»), на які видаються цифрові сигнали з мікросхеми.

Малюнок 3.1. Виводи мікросхеми.

Входом мікросхеми називається вивід на який подається сигнал, що необхідний мікросхемі для виконання нею свого закону перетворення інформації.

Виходом мікросхеми називається вивід на який мікросхема подає результат своєї роботи тобто з якого знімається сигнал для подальшої схеми чи елемента.

Характеристики і параметри входів і виходів цифрових мікросхем визначаються перш за все технологією і схемотехнікою внутрішньої будови мікросхем. Але для розробника цифрових пристроїв будь-яка мікросхема є всього лише «чорним ящиком», середину якого знати не обов'язково. Йому важливо тільки чітко уявляти собі, як поведеться та або інша мікросхема в даному конкретному включенні, чи буде вона правильно виконувати функцію, що вимагається від неї.
Найбільшого поширення набули технології цифрових мікросхем:

• ТТЛ (TTL) - біполярна транзисторно-транзисторна логіка;
• ТТЛШ (TTLS) біполярна транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шоттки;
• КМОП (CMOS) - комплементарні транзистори із структурою «метал-оксид-напівпровідник».

Розрізняються вони типами транзисторів, що використовуються, і рішеннями схемотехніки внутрішніх каскадів мікросхем. Відзначимо також, що мікросхеми КМОП споживають значно менший струм від джерела живлення, ніж такі ж мікросхеми ТТЛ (або ТТЛШ), правда, тільки в статичному режимі або на невеликих робочих частотах.

Розглянемо входи мікросхем.

На першому рівні уявлення (логічна модель) і на другому рівні уявлення (модель з тимчасовими затримками) про входи мікросхем взагалі нічого знати не треба. Вхід розглядається як нескінченно великий опір, що ніяк не впливає на підключені до нього виходи. Правда, кількість входів, що підключаються до одного виходу, впливає на затримку розповсюдження сигналу, але, як правило, цей вплив враховується рідко.
Особливим випадком є ситуація, коли який-не будь вхід не підключений ні до одного з виходів, ні до загального провідника, ні до шини живлення (так званий висячий вхід). Іноді можливості мікросхеми використовуються не повністю, і на деякі входи не подаються сигнали. Проте при цьому мікросхема може не працювати або працювати нестабільно, оскільки її правильне включення має на увазі наявність на всіх входах логічних рівнів, хай навіть і незмінних. Тому рекомендується подавати на не використовувані входи напругу живлення мікросхеми Ucc або підключати їх до загального дроту (землі) залежно від того, який логічний рівень необхідний на цьому вході. Але для деяких серій мікросхем, виконаних за технологією ТТЛ (наприклад, К155 або КР531), невживані входи треба підключати до шини живлення не прямо, а тільки через резистор величиною близько 1 кОм (одного резистора достатньо на 20 входів).
У будь-якому випадку всі входи треба кудись підключати. Непідключеними допускається залишати тільки ті входи (ТТЛ, а не КМОП), стан яких в даному включенні мікросхеми не має значення.

Виходи мікросхем принципово відрізняються від входів.

Існують три різновиди вихідних каскадів, що істотно розрізняються як по своїх характеристиках, так і по областях застосування:(малюнок 3.2.)

• стандартний вихід або вихід з двома станами (позначається 2С, 2S або, рідше, ТТЛ, TTL);
• вихід з відкритим колектором (позначається ОК, ОС);
• вихід з трьома станами (має можливістю відключення виходу від послідуючої схеми (позначається ЗС, 3S і називається високоомним або високоімпедансним, або вихід з третім станом ).

Стандартний вихід 2С має всього два стани: логічний нуль і логічну одиницю, причому обидва ці стани активні, тобто вихідні струми в обох цих станах (IOL і Іон) можуть досягати помітних величин. На першому і другому рівнях уявлення такий вихід можна вважати таким, що складається з двох вимикачів, які замикаються по черзі (малюнок 3.2 а)), причому замкнутому верхньому вимикачу відповідає логічна одиниця на виході, а замкнутому нижньому - логічний нуль.
Вихід з відкритим колектором ОК (малюнок 3.2 б))теж має два можливі стани, але тільки один з них (стан логічного нуля) активний, тобто забезпечує великий струм. Другий стан зводиться, по суті, до того, що вихід повністю відключається від приєднаних до нього входів. Цей стан може використовуватися як логічна одиниця, але для цього між виходом ОК і напругою живлення необхідно підключити резистор навантаження R величиною порядку, сотні Ом. На першому і другому рівнях уявлення такий вихід можна вважати таким, що складається з одного вимикача, замкнутому стану якого відповідає сигнал логічного нуля, а розімкненому - відключений, пасивний стан. Правда, від величини резистора R залежить час перемикання виходу з нуля в одиницю, що впливає на затримку tlh, але при номіналах резисторів, що звичайно використовуються, це не дуже важливо.


Малюнок 3.2. Типи виходів мікросхем.

а) стандартний вихід 2С
б) вихід з відкритим колектором ОК
в) вихід з третім станом 3С

При об'єднанні двох або більше виходів 2С цілком можлива ситуація, при якій один вихід прагне видати сигнал логічної одиниці, а інший - сигнал логічного нуля. Легко помітити, що в цьому випадку через верхній замкнутий ключ виходу, що видає одиницю, і через нижній замкнутий ключ виходу, що видає нуль, піде неприпустимо великий струм короткого замикання Iкз. Це аварійна ситуація, при якій рівень одержуваного вихідного логічного сигналу точно не визначений, він може сприйматися подальшим входом і як нуль, і як одиниця. Конфліктуючі виходи можуть навіть вийти з ладу, порушивши роботу мікросхем і схеми в цілому.
Нарешті, вихід з трьома станами ЗС дуже схожий на стандартний вихід, але до двох станів додається ще і третій - пасивний, в якому вихід можна вважати відключеним від подальшої схеми. На першому і другому рівнях уявлення такий вихід можна вважати таким, що складається з двох перемикачів (малюнок 3.2 в)), які можуть замикатися по черзі, даючи логічний нуль і логічну одиницю, але можуть і розмикатися одночасно. Цей третій стан називається також високоімпедансним або Z-станом. Для переходу виходу в третій Z-стан використовується спеціальний управляючий вхід, що позначається ОЄ (Output Enable - дозвіл виходу) або EZ, (Enable Z-state - дозвіл Z-стану, або третього стану).
Чому ж крім стандартного виходу (2С) були запропоновано ще два типи виходів (ОК і ЗС)? Річ у тому, що виходи, що мають крім активних станів ще і пасивний стан, дуже зручні для об'єднання їх між собою. Наприклад, якщо на один і той же вхід треба по черзі подавати сигнали з двох виходів (малюнок 3.3 а)), то виходи 2С для цього не підходять, а ось виходи ОК і ЗС підходять.
Зате у разі об'єднання двох виходів ОК такого конфлікту у принципі відбутися не може. Навіть якщо ключ одного виходу замкнутий, а іншого розімкнуть, аварійної ситуації не відбудеться, оскільки неприпустимо великого струму не буде, а на з'єднаному виході буде сигнал логічного нуля. А при об'єднанні двох виходів ЗС аварійна ситуація хоча і можлива (якщо обидва виходи одночасно знаходяться в активному стані), але їй легко можна запобігти, якщо організувати схему так, що в активному стані завжди знаходитиметься тільки один із з'єднаних виходів ЗС.
Об'єднання виходів цифрових мікросхем абсолютно необхідно також при шинній (або, як ще говорять, магістральній) організації зв'язків між цифровими пристроями. Шинна організація зв'язків застосовується, наприклад, в комп'ютерах, інших мікропроцесорних системах. Суть її зводиться до наступного.
При класичній організації зв'язків (малюнок 3.4) всі сигнали між пристроями передаються по своїх окремих лініях (дротам). Кожний пристрій передає свої сигнали всім іншим пристроям незалежно від інших пристроїв. В цьому випадку звичайно виходить дуже багато ліній зв'язку, до того ж правила обміну сигналами по цих лінія (або протоколи обміну) надзвичайно різноманітні.

Малюнок 3.3 Об”єднання виходів мікросхем.

а) Об”єднання стандартних виходів
б) Об”єднання виходів з відкритим колектором ОК
в) Об”єднання виходів з третім станом 3С

Малюнок 3.4 Класична організація зв”язків між пристроями в схемі.

При шинній організації зв'язків (малюнок 3.5) всі сигнали між пристроями передаються по одних і тих же лініях (дротам), але в різні моменти часу (це називається тимчасовим мультиплексуванням). В результаті кількість ліній зв'язку різко скорочується, а правила обміну сигналами істотно спрощуються.
Група ліній (сигналів), що використовується декількома пристроями, якраз і називається шиною. Зрозуміло, що об'єднання виходів в цьому випадку абсолютно необхідне, адже кожний пристрій повинен мати змогу видавати свій сигнал на загальну лінію. До недоліків шинної організації відноситься перш за все невисока (в порівнянні з класичною структурою зв'язків) швидкість обміну сигналами.


Малюнок 3.5 Шинна організація зв”язків між пристроями в схемі.

презинтація
попередня тема наступна тема

тестування