16_02.pdf

Układy cyfrowe

W poprzednich odcinkach

przedstawiłem ci tło zagadnienia,

a także zapoznałem

z podstawowymi cegiełkami −

bramkami.

Jeśli chcesz zajmować się

elektroniką, koniecznie powinieneś

“mieć w małym palcu” wszystkie

wiadomości na temat bramek,

podane w poprzednich dwóch

odcinkach.

Zanim przejdziemy do

przerzutników, liczników, rejestrów,

dekoderów, itp, musimy omówić

pewną ważną kwestię. Właśnie

w tym artykule podam ci bardzo

istotne wiadomości. Nie przesadzam

− są to informacje absolutnie

niezbędne do świadomego

i sensownego wykorzystania

układów scalonych, nie tylko

bramek.

w cyfrówce

część 4

Jeszcze raz czarna

skrzynka

W poprzednich odcinkach wykazałem

ci dokładnie, że działanie układów cyfro−

wych (logicznych) opiera się na pewnych

podstawowych zależnościach matema−

tycznych, i że układy te można zrealizo−

wać różnymi sposobami, także przy po−

mocy urządzeń machanicznych i hydrau−

licznych.

W naszej praktyce mamy najczęściej

do czynienia z układami scalonymi reali−

zującymi mniej i bardziej złożone funkcje

logiczne i cyfrowe. Stanom logicznym

odpowiadają poziomy napięcia: jest na−

pięcie − stan wysoki (1), brak napięcia −

stan niski (0).

Często traktujemy układ logiczny (cyf−

rowy) jako czarną skrzynkę z wejściami

i wyjściami, do której wchodzą jakieś

sygnały cyfrowe, a po przetworzeniu wy−

chodzą. W zasadzie interesuje nas tylko

funkcja logiczna spełniana przez układ,

natomiast nie chcielibyśmy zajmować

się szczegółami realizacyjnymi, czyli do−

ciekać, co jest w środku.

Ideałem byłoby, gdyby taka czarna

skrzynka zupełnie nie pobierała prądu

oraz żeby wejścia także nie pobierały prą−

du. Układ powinien też natychmiast reali−

zować swą funkcję − nie powinno być

żadnego opóźnienia między podaniem

sygnału na wejście, a pojawieniem się

odpowiedzi na wyjściu. Niestety, nie

można zbudować aż tak doskonałych

układów − nie pobierających mocy i nie−

skończenie szybkich.

Jaskrawie negatywnym przykładem

są tu bramki zbudowane z przekaźników

(zajrzyj do EdW 2/97 str. 52). Nie masz

wątpliwości, że pobierają one dużo prądu

i są stosunkowo wolne.

A jak to jest z bramkami na układach

scalonych? Doszliśmy do sedna sprawy.

Układy scalone też nie są doskonałe.

Przykładowo, mamy do wyboru szereg

różnych układów scalonych zawierają−

cych bramki NAND, że wymienię tylko

kilka przykładów: 7400, 74LS00, 74HC00,

74HCT00, 74S00, 74F00, 74ACT00, 74LCX...

Wszystkie wymienione kostki zawierają

cztery dwuwejściowe bramki NAND,

układ wyprowadzeń jest identyczny,

czym więc się różnią?

Różnią się budową wewnętrzną. Dla

nas praktyków, jest istotne, że bramki te

różnią się szybkością, poborem prądu za−

silającego, wielkością prądów wejść oraz

wydajnością prądową wyjść. Parametry

związane z poborem prądu i napięciami

w stanie spoczynku nazywamy paramet−

rami statycznymi. Parametry związane

z szybkością − parametrami dynamiczny−

mi.

Jeśli chcesz być prawdziwym elektro−

nikiem, musisz dokładnie rozumieć te

kwestie.

Dinozaury

Teraz zaczerpnij duży łyk świeżego

powietrza, bo zanurzymy się w zatęchłą

przeszłość. Niestety, muszę ci opowie−

dzieć o wymarłych już dinozaurach. Nie

sprzeczaj się ze mną − w 1997 roku tak

zwany “standardowy” układ TTL o ozna−

czeniu 7400 i jego pobratymcy są nie−

wątpliwymi dinozaurami. Zaraz ci to wy−

każę.

A tymi archaicznymi stworami musi−

my się zająć, bowiem jak ci podałem

w pierwszym odcinku, pojawienie się

układów scalonych TTL było niekwestio−

nowanym przełomem w dziedzinie ukła−

dów logicznych. Choć od czasu pojawie−

nia się pierwszych kostek tego typu mi−

nęło już ponad trzydzieści lat, i pierwotne

“standardowe” układy TTL stały się

przeżytkiem, jednak pewne, że tak po−

wiem, zaszłości, ciągną się od tamtych

czasów aż po dzień dzisiejszy. I właśnie

z uwagi na te zaszłości koniecznie mu−

sisz poznać układ... którego dziś już się

nigdzie nie stosuje.

Pamiętaj, że układy TTL zasilano na−

pięciem 5V±0,5V.

Rysunek 15

Rysunek 15 pokazuje schemat we−

wnętrzny tego dinozaura.

Diody D2 i D3 zabezpieczają wejście

przed zakłóceniami. Podczas normalnej

pracy są spolaryzowane zaporowo i moż−

na je pominąć przy analizie.

Na pewno niepokoi Cię obecność ja−

kiegoś dziwaka − wieloemiterowego tran−

Rys. 15. Schemat wewnętrzny bramki

NAND 7400.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

Pierwsze kroki

Rysunek 15

Układy cyfrowe

zystora T1 na wejściu. Takie rozwiązanie

wejścia przyjęto między innymi ze wzglę−

du na ówczesne możliwości technolo−

giczne, czyli na łatwość wytwarzania.

Nas interesują napięcia i prądy we−

jściowe oraz wyjściowe.

Gdy oba wejścia bramki z rysunku 15

(7400) pozostawimy niepodłączone (po−

tocznie mówimy: wejścia wiszą lub pły−

wają w powietrzu), wtedy w obwodach

emiterów tranzystora T1 nie może pły−

nąć prąd. Tranzystor T1 pracuje wtedy

w nietypowy sposób: prąd płynie od plu−

sa zasilania, przez rezystor R1 i złącze ba−

za−kolektor do bazy tranzystora T2. Trochę to

dziwne, prawda? Tranzystor T2 przewodzi,

co powoduje otwarcie tranzystora T3.

Natomiast niskie napięcie na kolektorze

T2 uniemożliwia przewodzenie tranzys−

tora T4. Przewodzący tranzystor T3 daje

na wyjściu napięcie praktyczne równe

potencjałowi masy, czyli stan niski.

Czy już zauważyłeś, że w tej klasycz−

nej bramce TTL niepodłączenie wejść

(pozostawienie ich w powietrzu) jest

równoznaczne z podaniem na te wejścia

stanu wysokiego?

Przeanalizuj to jeszcze raz: dołączenie

wejść do dodatniego napięcia zasilające−

go nic tu nie zmieni, bo w obwodach we−

jściowych nadal nie będzie płynął prąd

przez złącza emitery−baza tranzystora T1

− złącza te będą spolaryzowane w kierun−

ku zaporowym.

Dopiero zwarcie któregokolwiek we−

jścia (lub obu wejść) do masy, umożliwi

przepływ prądu w obwodach emitero−

wych tranzystora T1. Prąd popłynie od

plusa zasilania, przez rezystor R1, złącze

baza−emiter i wejście(a) do masy. W ta−

kiej sytuacji nie będzie mógł płynąć prąd

bazy tranzystora T2 i tranzystor T2 zosta−

nie zatkany. Brak prądu płynącego przez

tranzystor T2 zamknie też tranzystor T3.

Natomiast prąd płynący przez rezystor

R2 do bazy T4, otworzy tranzystor T4. Na

wyjściu pojawi się napięcie zbliżone do

dodatniego napięcia zasilającego, czyli

stan wysoki.

Wracamy do obwodów wejściowych.

Czy potrafisz samodzielnie odpowiedzieć

na pytanie: jaki zakres napięcia na we−

jściach traktowany jest przez układ jako

stan logiczny niski, a jaki zakres napięć

odpowiada stanowi logicznemu wyso−

kiemu?

Słusznie przypuszczasz, że napięcia

od zera (potencjał masy) do około 1V

traktowane są jak stan logiczny niski −

a wynika to z przyjętego rozwiązania

układowego. W takim zakresie napięć

wejściowych nie płynie prąd bazy tran−

zystora T2.

A jakie jest napięcie na wejściach, gdy

są one “zawieszone w powietrzu” lub

gdy między wejścia a masę włączona

jest bardzo duża rezystancja?

Rys. 16. Zakresy napięć dla stanów

logicznych układu TTL.

Popatrz na rysunek 15. Na bazie prze−

wodzącego tranzystora T3, napięcie wy−

nosi około 0,7V. Tranzystor T2 też prze−

wodzi, więc na jego bazie napięcie wyno−

si około 1,4V (w stosunku do masy).

Przez złącze baza−emiter tranzystora T1

też płynie prąd, więc na bazie T1 napię−

cie będzie o następne 0,7V wyższe, czyli

wyniesie około 2,1V. Teraz jest jasne, że

woltomierz dołączony między niepodłą−

czone wejścia, a masę wskaże około

1,4...1,5V (to jest o 0,6...0,7V mniej niż

na bazie T1).

A więc napięcia rzędu 1,5V i wyższe

są traktowane przez układ jako stan lo−

giczny wysoki.

Na rysunku 16

Rys. 17.

rysunku 16 zaznaczyłem z grubsza

zakresy napięć odpowiadające stanowi

logicznemu niskiemu i wysokiemu. Jeśli

nie miałeś do tej pory do czynienia z ukła−

dami cyfrowymi, to zapewne jesteś tro−

chę zdziwiony taką niesymetrią. Nie

masz chyba wątpliwości, że ta niesymet−

ria wynika właśnie z przyjętego układu,

czyli schematu wewnętrznego.

Ale to nie koniec niespodzianek; idź−

my dalej.

Wiesz już, że dla napięć większych niż

1,5V przez wejścia praktycznie nie płynie

prąd (w zasadzie wpływa tam bardzo ma−

ły prąd wstecznie spolaryzowanego złą−

cza baza−emitery T1, prąd ten jest rzędu

mikroamperów).

Natomiast dla napięć 0...1,4V płynie

prąd wejściowy. W którą stronę?

To bardzo ważne pytanie!

rysunku 16

Prąd wejściowy wypływa z wejść

i płynie do masy.

Wielkość tego wypływającego prądu

wyznaczona jest wartością rezystancji

R1; zależy też od napięcia wejściowego.

Rysunek 17

Rysunek 17 pokazuje charakterystykę

wejściową bramki TTL. Tym razem na−

pięcie wejściowe przedstawiono na osi

poziomej. Jak widać dla napięć wejścio−

wych większych niż 1,5V prąd wejścio−

wy jest dodatni, to znaczy wpływa do

wejścia. Prąd ten jest bardzo mały, o ile

tylko napięcie wejściowe nie jest więk−

sze od napięcia zasilającego układ

(5...5,5V).

Natomiast przy napięciach wejścio−

wych mniejszych od 1,5V prąd wejścio−

wy jest ujemny, czyli wypływa z wejścia

i jego wartość przy podłączeniu wejścia

do masy wynosi około 1mA.

Może powiesz, że 1mA to bardzo ma−

ły prąd. Niby tak, ale jeśli w układzie sca−

Rys. 18. Charakterystyka przejściowa bramki odwracającej.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

Rysunek 17

Układy cyfrowe

rysunek 18. Przed−

stawia on charakterystykę przejściową

bramki NAND z rodziny TTL. Z rysunku

tego widać, że przy stanie niskim na we−

jściu, napięcie wyjściowe wcale nie jest

równe napięciu zasilania, a ledwo sięga

4V. To akurat nie jest żadną wadą, bo−

wiem napięcie rzędu 3...4V na pewno

traktowane jest przez układy TTL jako

stan logiczny wysoki.

Problem natomiast z zakresem prze−

jściowym, przy napięciach wejściowych

w okolicach 1,5V. W tym zakresie napięć

wejściowych bramka zachowuje się bo−

wiem jak... wzmacniacz. Zauważ, że nie−

wielkim zmianom napięcia wejściowego

odpowiadają znacznie większe zmiany

napięcia wyjściowego. Może cię to zdzi−

wi, ale w pewnych warunkach bramka

rzeczywiście jest po prostu wzmacnia−

czem (potem pokażę ci, jak tę “wadę”

wykorzystuje się w praktyce).

No dobrze, ale przecież chyba ma to

być dwustanowy układ logiczny, a nie ja−

kiś wzmacniacz.

Istotnie, do tej pory milcząco zakłada−

liśmy, że wysoki stan logiczny to napię−

cie równe lub bliskie dodatniemu napię−

ciu zasilającemu, a stan logiczny niski to

napięcie bliskie zeru.

Teraz należałoby sprawę uściślić. I to

są właśnie wspomniane przeze mnie

wcześniej zaszłości, które ciągną się od

pierwszych układów TTL aż do dziś.

Uważaj więc! Ze względu na rozwią−

zanie układowe przyjęte w pierwszych

układach TTL ustalono, że na wejściach

bramek mogą występować napięcia

w zakresie 0...0,8V (co odpowiada niskiemu

stanowi logicznemu) oraz w zakresie

2...5,5V (co odpowiada stanowi wysokie−

mu). Natomiast na wejścia nie powinny

być podawane napięcia z zakresu 0,8...2V.

Jest to obszar zabroniony, bowiem ukła−

dy TTL mogą (i będą) błędnie działać

w takim zakresie napięć wejściowych.

Ustalono też, że przy obciążeniu dzie−

sięcioma wejściami TTL, na dowolnym

wyjściu, w stanie niskim napięcie musi

zawierać się w granicach 0...0,4V,

a w stanie wysokim 2,4...5,5V.

Różnica między dopuszczalnymi war−

tościami granicznymi dla wejść i wyjść:

0,8V−0,4V oraz 2,4V−2,0V, stanowi tak

zwany margines zakłóceń. Chodzi o to,

że w przewodach łączących wyjścia

i wejścia bramek mogą indukować się

rysunek 18

Jest to kolejna bardzo, naprawdę bar−

dzo ważna sprawa. Dla uniknięcia przy−

krych niespodzianek, sygnały na we−

jściach bramek powinny zmieniać się

bardzo szybko. Najprościej mówiąc, zbo−

cza sygnałów, czyli czasy narastania

i opadania powinny być krótsze niż

1 mikrosekunda.

Na rysunku 19a pokazano przebiegi

o prawidłowych, ostrych zboczach. Ry−

sunek 19b pokazuje przebiegi o zbyt dłu−

gich czasach narastania.

Ale bez przesady − przy łączeniu ukła−

dów cyfrowych zapewnienie właściwej

ostrości zboczy nie jest żadnym proble−

mem, bowiem nawet najwolniejsze ukła−

dy gwarantują czasy narastania i opada−

nia zdecydowanie krótsze niż 1µs. Nie−

bezpieczeństwo pojawienia się drgań

grozi natomiast wtedy, gdy bramki (lub

jakiekolwiek układy cyfrowe) sterowane

są przez inne, wolniejsze elementy.

Na rysunku 20

rysunku 20 pokazano przykład wy−

korzystania bramek i obwodu RC do

uzyskania opóźnienia. Wszystko będzie

dobrze, jeśli czas narastania napięcia na

wejściu następnej bramki nie będzie

dłuższy, niż 1µs. Przy znacznie dłuższych

czasach należy liczyć się z wystąpieniem

pasożytniczych drgań. Drgania te często

zupełnie uniemożliwiają działanie dal−

szych stopni urządzenia. Sposobem po−

kazanym na rysunku 20 nie można więc

opóźnić sygnału o czas dłuższy niż kilka

mikrosekund − groziłoby to powstaniem

szkodliwych drgań.

Niestety, wielu amatorów nie rozumie

tego problemu − dziwią się potem, że

układ czasami działa, a czasami nie.

A przyczyną są właśnie dodatkowe im−

pulsy, pojawiające się podczas zbyt ła−

godnych zboczy, podawanych na wejścia

układów cyfrowych.

Bramki Schmitta

Drgania takie łatwo wyeliminować

stosując bramki z histerezą. Produkuje

się tak zwane bramki z wejściem Schmi−

tta; przedstawię ci je przy prezentacji

bramek. Charakterystyka przejściowa ta−

kich bramek (na przykładzie inwertera lub

bramki NAND) pokazana jest w uprosz−

czeniu na rysunku 21

Rys. 19. Przebiegi wejściowe

i wyjściowe.

zakłócenia. Nie wpłynie to na działanie

układu, jeśli tylko zakłócenia te będą

mmiejsze niż 0,4V. Tu możemy odnoto−

wać kolejną istotną wadę układów TTL −

mały margines zakłóceń, przy napięciu

5V wynoszący tylko (0,4V + 0,4V).

Uważny Czytelnik zdążył już zaprotes−

tować twierdząc, że przecież napięcie na

wejściach i wyjściach nie może zmienić

się skokowo, a więc podczas przełącza−

nia z jednego stanu logicznego do dru−

giego, napięcie na wejściu przez pewien

czas przyjmie wartości z zabronionego

przedziału 0,8...2V.

Tak jest! Ale jeśli zmiana stanu nastą−

pi szybko, układ zareaguje poprawnie.

Jeśli natomiast napięcie będzie zmieniać

się wolno, to najprawdopodobniej na wy−

jściu pojawią się pasożytnicze drgania.

Ilustruje to rysunek 19

rysunek 19

rysunku 21. Porównaj rysunki

21 i 18, obydwa przedstawiające charak−

terystykę przejściową. Rzecz w tym, że

w bramkach z wejściem Schmitta wpro−

wadzono obwód histerezy i dodatniego

Rys. 20.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

lonym chcielibyśmy upchnąć kilka tysię−

cy takich bramek, to już sam prąd wejść

wynosiłby w sumie kilka amperów.

A przecież prąd zużywany jest nie tylko

w obwodzie wejściowym − przy stanie

niskim na wyjściu prąd płynie także przez

R2 i T2.

Tu znaleźliśmy istotną wadę standar−

dowej bramki TTL − znaczny pobór prądu.

Do tej sprawy za chwilę wrócimy.

Na razie popatrz na rysunek 18

rysunku 20

rysunek 19. Powstawanie pa−

sożytniczych drgań jest związane z dużą

szybkością bramek, ich znacznym

wzmocnieniem, niedoskonałym filtrowa−

niem napięcia zasilającego oraz kilkoma

innymi czynnikami.

rysunku 21

Układy cyfrowe

Rys. 21. Charakterystyka przejściowa

bramek z histerezą (Schmitta).

tylko ograniczoną ilość wejść następ−

nych bramek tej samej serii. Przyjęto, że

w stanie niskim z jednego wejścia wy−

pływa prąd do 1,6mA, a dowolne wyjście

powinno wysterować dziesięć takich

wejść. Minimalna wydajność prądowa

wyjść bramek TTL standard, w stanie

niskim wynosiła więc 16mA.

Jak się łatwo domyślić na podstawie

rysunku 15, wskutek obecności rezysto−

ra R4, bramki TTL miały niesymetryczną

charakterystykę wyjściową. To znaczy,

że wyjście w stanie niskim mogło przyjąć

30...40mA prądu, ale w stanie wysokim

mogło dostarczyć tylko kilka miliampe−

rów (kilkanaście miliamperów przy zwar−

ciu wyjścia do masy). Taka niesymetria

miała swoje zalety − ewentualne zwarcia

wyjść do masy nie powodowały uszko−

dzenia układu scalonego.

Jeśli uważasz, że wydajność prądowa

w stanie wysokim mogłaby być jeszcze

o wiele mniejsza, jesteś w błędzie. Czy

wiesz dlaczego?

Otóż w realnych układach, musimy

jeszcze uwzględnić szkodliwe pojemnoś−

ci montażowe, zarówno pojemności we−

jściowe, jak i pojemności między ścież−

kami, a masą. W sumie możemy sobie

wyobrazić, że do każdego wyjścia podłą−

czona jest szkodliwa pojemność, rzędu

kilkunastu−kilkudziesięciu pikofaradów,

jak pokazano to na rysunku 24

ność. Jeśli prąd wyjściowy w stanie wy−

sokim byłby niewielki, okazałoby się, że

czas ładowania tej pojemności jest więk−

szy niż czas opóźnienia bramki. W takiej

sytuacji nie można byłoby wykorzystać

znacznej szybkości bramek. Trzeba wie−

dzieć, że czas opóźnienia bramki TTL wy−

nosi około 10 nanosekund (miliardowych

części sekundy), co umożliwia pracę

z częstotliwościami rzędu kilkudziesięciu

megaherców. Dla w miarę szybkiego na−

ładowania wspomnianej szkodliwej po−

jemności, wydajność prądowa wyjścia

w stanie wysokim też musiała być znacz−

na.

Typy wyjść

Wyjście takie, jak pokazano na rysun−

ku 15, w literaturze nazywa się wyjściem

“totem pole” (w skrócie TP), co w wol−

nym tłumaczeniu znaczy słup totemowy.

Przy tej okazji wspomnijmy jeszcze

o bramkach z wyjściem typu otwarty ko−

lektor, w skrócie OC. Na przykład kostka

7401 zawiera cztery bramki NAND z ta−

kim wyjściem. Bramka z wyjściem OC

nie ma tranzystora T4, diody D1 i rezys−

tora R4, a tylko tranzystor T3 wyjściu

(patrz rysunek 15). Choć mówiłem ci, że

pozostawienie wejść bramki TTL “w po−

wietrzu” odpowiada stanowi wysokie−

mu, jednak ze względu na zakłócenia

oraz konieczność przeładowania szkodli−

wych pojemności (rys. 24), konieczne

jest zastosowanie tak zwanego rezystora

podciągającego (w literaturze spotkasz

określenie pull−up resistor). Bramki z ot−

wartym kolektorem umożliwiają w pros−

ty sposób zrealizowanie funkcji AND lub

OR “na drucie” (angielskie określenie:

wired−AND lub wired−OR). Zauważ, że

przy połączeniu pokazanym na rysunku

sprzężenia zwrotnego. Przy zmianie sta−

nu wejściowego z niskiego na wysoki,

wyjście zmienia stan (z wysokiego na

niski) dopiero po przekroczeniu tak zwa−

nego górnego napięcia przełączania

U H . Natomiast przy zmianie stanu na we−

jściu z H na L, wyjście zmienia stan do−

piero, gdy na wejściu napięcie spadnie

poniżej “dolnego” progu przełączania

U L . Dzięki takiemu progowemu działa−

niu, bramki z układem Schmitta nie boją

się wolno rosnących zboczy − są wręcz

niezbędne, gdy do układów cyfrowych

doprowadzane są wolno zmieniające się

sygnały.

Bramki z wejściem Schmitta są,

moim zdaniem, zbyt rzadko stosowane

w konstrukcjach amatorskich − w dalszej

części cyklu zaproponuję ci ich różnorod−

ne wykorzystanie.

Choć produkowane są gotowe bramki

z wejściem Schmitta, warto wiedzieć, że

w razie potrzeby bramkę z histerezą

można zrobić z dwóch negatorów (bra−

mek NAND lub NOR) i dwóch rezysto−

rów według rysunku 22

rysunku 24. Wpraw−

dzie pojemność ta jest względnie nie−

wielka, ale jak by nie było, prąd wyjścio−

wy bramki musi przy każdej zmianie sta−

nu, naładować lub rozładować tę pojem−

rysunku 24

rysunku

rysunku 22. Stosunek obu

rezystancji wyznacza wielkość histerezy.

O wartościach tych rezystorów poroz−

mawiamy później. Teraz omówimy do−

kładniej problem wyjść.

Obciążalność

Skoro wejścia bramek TTL w stanie

wysokim praktycznie nie pobierają prą−

du, więc wyjścia (współpracujące z we−

jściami następnych bramek) nie muszą

wtedy dostarczać dużego prądu. Nato−

miast w stanie niskim, wyjście musi

przyjąć znaczny prąd z kilku podłączo−

nych do niego wejść (patrz rysunek 23

225, stan wyjścia zmienia się, gdy wszyst−

kie bramki mają stan wyjściowy wysoki

(tranzystory wyjściowe nie przewodzą) −

zrealizowana jest funkcja AND. Inaczej

mówiąc, stan wyjścia zmienia się, gdy

przynajmniej jeden z tranzystorów wy−

jściowych zaczyna przewodzić − daje to

działanie podobne do bramki OR.

Zauważ, że stosując bramki z otwar−

tym kolektorem pracujące na wspólny

rezystor, łączymy kilka wyjść ze sobą i ni−

czym to nie grozi, a wprost przeciwnie,

Rys. 23.

Przepływ prądu

w stanie

niskim.

patrz rysunek 23).

Do wyjścia bramki TTL serii standar−

dowej (np. 7400) można było podłączyć

Rys. 22. Wykonanie bramki Schmitta

z dwóch zwykłych bramek

(inwerterów).

Rys. 24. Szkodliwa pojemność

obciążenia.

Rys. 25. Łączenie wyjść bramek

z otwartym kolektorem.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

225

rysunku 22

patrz rysunek 23

Układy cyfrowe

Rys. 26. Dozwolone

łączenie wyjść bramek

z tej samej kostki.

7490, 74L90, 74H90) mają taki sam roz−

kład wyprowadzeń i różnią się w sumie

tylko poborem prądu i wielkością prądów

wejściowych i wyjściowych.

Oznaczenia układów TTL

Pierwsza cyfra oznaczenia wskazuje

na dopuszczalny zakres temperatur pra−

cy. I tak 7 to przedział 0...+70°C, 6:

−40...+85°C, a 5: −55...+125°C.

Ogromna większość kostek ma oczy−

wiście najwęższy zakres pracy i pierwszą

cyfrę 7. Rzadko, ale spotyka się kostki do

zastosowań przemysłowych z pierwszą

cyfrą 6, na przykład 6400, czy 64LS90.

Są to ścisłe odpowiedniki kostek 7400

i 74LS90, z tym, że mogą pracować

w szerszym zakresie temperatur. Nato−

miast amator w zasadzie nie ma szans

spotkać kostek serii militarnej z pierwszą

cyfrą 5, np. 5400, czy 54LS90.

Druga cyfra oznaczenia w układach

logicznych z rodzin TTL to zawsze 4.

Dwie, czasem trzy, bardzo rzadko

cztery, kolejne cyfry wskazują na typ

i funkcje układu. Nie ma tu jakiegoś pro−

stego klucza − z czasem każdy elektronik

zapamiętuje popularniejsze kostki. Nie

ucz się na pamięć takich oznaczeń − od

tego są katalogi. Musisz tylko wiedzieć,

że kostki o jednakowych ostatnich cyf−

rach oznaczenia mają taki sam układ

wyprowadzeń, na przykład: 54121,

64LS121, 64L121, 74C121, itd.

Wiesz już, że litery w środku oznacze−

nia wskazują na rodzinę, czyli określają

budowę wewnętrzną i technologię pro−

dukcji.

Natomiast litery na początku oznacze−

nia wskazują tylko producenta i często

przy określaniu kostki są pomijane. Jeśli

w spisie elementów podano, że w ukła−

dzie masz zastosować kostkę LS14, to

bez obawy możesz użyć kostek z dowol−

nymi literkami na początku, np.:

MM74LS14, UCY74LS14, CD74LS14,

GD74LS14, itp.

Często oznaczenie ma jeszcze literę

lub litery na końcu, np.: UCY64H74J,

UCY74S00N, SN74LS27D. Ostatnia lite−

ra(y) oznacza zwykle typ obudowy. Litera

N wskazuje za zwykłą, typową obudowę

plastikową typu DIL, litera J − obudowę

ceramiczną, o lepszych właściwościach

cieplnych, litera D − miniaturową obudo−

wę do montażu powierzchniowego.

W sumie z całego oznaczenia dla prak−

tyka znaczenie mają przede wszystkim li−

tery między cyframi i ostatnie cyfry ozna−

czenia. Dlatego powszechnie zamiast pi−

sać: UCY74LS90N, podaje się krótko

LS90, zamiast CD74123 pisze się 123,

zamiast MM74S112 pisze się S112, itd.

Szczegóły na temat możliwości zamia−

ny kostek z różnych rodzin podam ci tro−

chę później.

realizujemy przy okazji pożyteczne funk−

cje. Nie wolno natomiast łączyć ze sobą

wyjść typu “totem pole” − gdy jedno wy−

jście ma stan wysoki, a inne niski, wtedy

między nimi płynie znaczny prąd. Prąd

ten nie tylko zwiększa straty − przy połą−

czeniu kilku bramek może to doprowa−

dzić do uszkodzenia któregoś wyjścia.

Od tej reguły jest jeden wyjątek − dla

zwiększenia wydajności prądowej wy−

jścia, można łączyć kilka bramek “równo−

legle”, ale tylko wtedy, gdy są to bramki

(inwertery) z tej samej kostki − patrz rysu−

rysu−

pożądane byłyby kostki pobierające

znacznie mniej prądu. Gdzie indziej po−

trzebne były kostki jeszcze szybsze.

Jeszcze gdzie indziej, w warunkach du−

żych zakłóceń przemysłowych, potrzeb−

ne były kostki z dużo większym margine−

sem zakłóceń.

Pierwszym krokiem w realizacji tych

potrzeb było wypuszczenie układów serii

74L. Litera L pochodzi od Low Power −

mała moc. Układ wewnętrzny był taki

sam, jak standardowych kostek rodziny

74 (patrz rys. 15), dziesięciokrotnie

zwiększono tylko wartości wewnętr−

znych rezystorów. Kostka pobierała dzie−

sięciokrotnie mniej prądu, mała dziesię−

ciokrotnie mniejszy prąd wejściowy

w stanie niskim, ale była kilkakrotnie

wolniejsza i miała małą wydajność prądo−

wą wyjść − w stanie niskim 3,2mA,

w wysokim 0,18mA (w serii standardo−

wej 74 wartości wynosiły nominalnie od−

powiednio 30 i 1,8mA). Z tego widać, że

wyjście bramki rodziny 74L mogło wy−

sterować tylko dwa wejścia standardo−

wej bramki 74.

Wypuszczono też rodzinę 74H. Litera

H pochodzi od określenia High Speed −

duża szybkość. W tej rodzinie zmniej−

szono wewnętrzne rezystancje. Układy

tej rodziny (np. 74H00, 74H72, 74H93)

były trochę szybsze od standardowych,

pobierały dwukrotnie więcej prądu,

a i prąd wejściowy w stanie niskim był

dwukrotnie większy. Wydajność wyjść

była zbliżona do bramek standardowych.

Znacznie większą szybkość, około

trzykrotnie większą od standardowych,

przy poborze prądu takim jak bramki ro−

dziny 74H, miały bramki rodziny 74S (np.

74S00, 74S112). Litera S pochodzi od na−

zwiska Schottky (czytaj − szotki). W kon−

strukcji układów tej rodziny zastosowano

w tranzystorach złącza Schottky’ego.

Szczegóły nie są najważniejsze − dzięki

tym złączom tranzystory nie wchodziły

głęboko w stan nasycenia i w efekcie by−

ły znacznie szybsze od zwykłych tranzys−

torów. Kostki te miały prądy wejściowe

i wyjściowe zbliżone do kostek rodziny

74H.

Dziś wszystkie kostki z rodzin 74,

74L, 74H i 74S są dinozaurami i według

mojej wiedzy nikt już ich nie produkuje.

Opowiedziałem ci o nich, bo zapewne

natkniesz się na nie przy rozbiórce stare−

go sprzętu. Powinieneś więc wiedzieć,

że wszystkie kostki o tym samym nume−

rze, pochodzące z różnych rodzin (np.

nek 26. Przy “równoległym” łączeniu bra−

mek z różnych kostek zachodzi obawa, że

ich czasy opóźnienia mogą być różne, co

spowoduje niejednoczesne przełączanie

i niepotrzebny wzrost poboru prądu.

Ponieważ często (zwłaszcza w techni−

ce komputerowej) kilka źródeł sygnału,

czyli po prostu wyjść, dołączonych jest

do wspólnej szyny przesyłowej, opraco−

wano układy z tak zwanym wyjściem

trójstanowym. Schemat wewnętrzny

jest podobny do układu totem pole

z tym, że dodano obwód sterujący pracą

tranzystorów wyjściowych. W efekcie

oprócz stanu L i H, na wyjściu występuje

tak zwany stan trzeci, oznaczany zwykle

literą Z, w którym oba tranzystory wy−

jściowe (T3 i T4 na rysunku 15) nie prze−

wodzą. Wtedy dana bramka jest zupełnie

odcięta od wspólnej szyny. W kostkach

z takim trzystanowym wyjściem zawsze

występuje dodatkowe wejście sterujące

− wejście zezwalające, oznaczane OE

(Output Enable). Wyjście trójstanowe

(ang. tristate) oznaczane jest w literatu−

rze skrótem TS.

Masz już komplet wiadomości o stan−

dardowych bramkach TTL i trochę waż−

nych informacji dodatkowych. Materiału

tego nie musisz zapamiętywać, ale powi−

nieneś go dobrze rozumieć. Wszystko to

jest ci potrzebne, żebyś dobrze zrozumiał

działanie i właściwości kostek stosowa−

nych obecnie.

Inne rodziny

Kostki standardu TTL, z czołowym

przedstawicielem 7400, były w swoim

czasie rewelacją. Pojedyncza bramka za−

silana napięciem 5V pobierała tylko kilka

miliamperów prądu i była szybka − czas

propagacji, czyli opóźnienia między we−

jściem a wyjściem, wynosił około 10ns.

Wkrótce okazało się, że te parametry

wcale się są rewelacyjne. Nie wszędzie

potrzebne były tak szybkie układy, a za to

Piotr Górecki

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

nek 26

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: