Дата последнего обновления файла 21.12.2008

Условные графические изображения цифровых микросхем (ГОСТ)

Цифровая или микропроцессорная микросхема, ее элемент или компонент; цифровая микросборка, ее элемент или компонент обозначаются на принципиальных схемах условно-графическим обозначением в соответствии с ГОСТ2.743-91. Условно-графическое обозначение (УГО) микросхемы имеет форму прямоугольника, к которому подводят линии выводов. Условное графическое обозначение микросхемы может содержать три поля: основное и два дополнительных, которые располагают слева и справа от основного (рисунок 1). В первой строке основного поля условно-графического обозначения микросхемы помещают обозначение функции, выполняемой данным логическим элементом. В последующих строках основного поля располагают информацию по ГОСТ 2.708.


Рисунок 1. Условно-графическое изображение цифровых микросхем.

В дополнительных полях помещают информацию о назначениях выводов (метки выводов, указатели). Дополнительные поля на условно-графическом изображении цифровых микросхем могут отсутствовать. Входы на условно-графическом изображении цифровых микросхем располагают слева, а выходы — справа. Номера выводов микросхем помещают над линией вывода ближе к изображению микросхемы.

Параметры цифровых микросхем

Точно так же как и аналоговые схемы, цифровые схемы должны описываться какими-то параметрами. Аналоговые схемы характеризуются напряжением питания, при котором они могут работать. Цифровые микросхемы тоже обладают этим параметром. В настоящее время наиболее распространены цифровые микросхемы с напряжением питания +5 В и +3,3 В, хотя существуют микросхемы, способные работать в диапазоне напряжений от 2 до 6 В.

Знать основные параметры цифровых микросхем очень важно при покупке и разработке компьютерных комплектующих, в том числе для ноутбуков, планшетов или фотоаппаратов. На собеседовании при устройстве на работу работодатель тоже обращает внимание, насколько хорошо ориентируется в данном вопросе будущий сотрудник.

Уровни логического нуля и единицы

Как уже говорилось ранее, при обсуждении областей применения, цифровые микросхемы характеризуются тем, что могут находиться только в двух состояниях. Состояния цифровых микросхем могут быть описаны двумя цифрами: '0' и '1'. При этом можно состояние микросхемы характеризовать различными параметрами. Например, током или напряжением в цепях микросхемы, открыты или заперты транзисторы на выходе микросхемы, светится или нет светодиод (если он входит в состав схемы цифрового устройства).

Условились в качестве логических состояний цифровых микросхем воспринимать напряжение на их входе и выходе. При этом высокое напряжение договорились считать единицей, а низкое напряжение — считать нулем. В идеальном случае напряжение на выходе микросхем должно быть равным напряжению питания или общего провода схемы. В реальных схемах так не бывает. Даже на полностью открытом транзисторе есть падение напряжения. В результате на выходе цифровой микросхемы напряжение всегда будет меньше напряжения питания и больше потенциала общего провода. Поэтому договорились напряжение, меньшее заданного уровня (уровень логического нуля) считать нулём, а напряжение, большее заданного уровня (уровень логической единицы), считать единицей. Если же напряжение на выходе микросхемы будет больше уровня логического нуля, но меньше уровня логической единицы, то такое состояние микросхемы будем называть неопределённым. На рисунке 2 приведены допустимые уровни выходных логических сигналов для ТТЛ микросхем. Обратите внимание, что чем ближе выходное напряжение к напряжению питания или к напряжению общего провода схемы, тем выше к.п.д. цифровой микросхемы.

Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем
Рисунок 2. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем

Напряжение с выхода одной микросхемы передаётся на вход другой микросхемы по проводнику. В процессе передачи на этот проводник может наводиться напряжение от каких либо генераторов помех (осветительная сеть, радиопередатчики, импульсные генераторы). Помехоустойчивость цифровых микросхем определяется максимальным напряжением помех, которое не приводит к превращению логического нуля в логическую единицу и зависит от разности логических уровней цифровой микросхемы.

U-пом = Uвых1мин-Uвх1мин

То же самое относится и к помехам, превращающим логический ноль в логическую единицу.

U+пом = Uвых0макс-Uвх0макс

Чем меньше разница между Uвх1мин и Uвх0макс, тем большим усилением обладает цифровая микросхема. Типовое усиление ТТЛ микросхем по напряжению Ku составляет 40 раз. Это приводит к тому, что подав на вход этой микросхемы напряжение, на 40 мВ меньшее уровня Uпор, мы воспримем его как логический ноль, и на выходе этой микросхемы получим нормальный логический уровень. При подаче на вход ТТЛ микросхемы напряжения, на 40 мВ большего уровня Uпор, это напряжение будет восприниматься как логическая единица. Граница уровня логического нуля и единицы для ТТЛ микросхем приведена на рисунке 3.

Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем
Рисунок 3. Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем

Вспомним, что на выходе цифровой ТТЛ микросхемы уровень логической единицы не может быть меньше 2,4 В, а уровень логического нуля не может быть больше 0,4 В. В результате, даже при наведении на вход ТТЛ микросхемы помехи, напряжением 0,96 вольт, искажение цифровой информации не произойдёт.

Теперь вспомним, что микросхемы могут работать при воздействии неблагоприятных факторов таких как пониженная температура, старение микросхем, воздействие радиации. Поэтому производители микросхем гарантируют срабатывание микросхем с некоторым запасом. Например, фирма Texas Instruments объявляет для своих микросхем входной уровень единицы — 2 В, а уровень нуля — 0,8 В. Эти уровни тоже показаны на рисунке 3.

А что же произойдёт, если напряжение на входе цифровой микросхемы будет близко к порогу, разделяющему уровень логического нуля и логической единицы? В этом случае микросхема перейдет в активный режим работы и оба выходных транзистора могут оказаться открытыми. В результате микросхема может выйти из строя. Поэтому входы цифровых (особенно КМОП) микросхем ни в коем случае не должны быть оставлены неподключенными! Если часть элементов цифровой микросхемы не используется, то их входы должны быть подключены к источнику питания или общему проводу схемы. И в заключение данной темы обратите внимание, что конкретное значение порога переключения для различных экземпляров микросхем и от серии к серии микросхем может изменяться в некоторых пределах. Это ещё одна причина, по которой нельзя подавать на вход логических микросхем напряжение в пределах неопределённого состояния или оставлять входы микросхем неподключенными.

Входные и выходные токи цифровых микросхем

Ещё один важный параметр любой микросхемы — это предельно допустимый выходной ток. Для цифровых микросхем есть два различных значения выходного тока: ток единицы (высокого потенциала) и ток нуля (низкого потенциала). В цифровых микросхемах эти значения различаются. Путь протекания тока единицы цифровых микросхем показан на рисунке 4.

Путь протекания выходного тока единицы цифровых микросхем
Рисунок 4. Путь протекания выходного тока единицы цифровых микросхем

На этом рисунке видно, что в простейшем случае выходной ток цифровой микросхемы (вытекающий ток) совпадает с входным током единицы нагрузочной цифровой микросхемы (микросхемы-приёмника). Часто требуется подавать сигнал с выхода одной микросхемы на несколько других микросхем. В этом случае выходной ток микросхемы будет определяться как сумма входных токов микросхем-приёмников. Количество однотипных микросхем, которые могут быть одновременно подключены к выходу микросхемы, определяют предельную нагрузочную способность микросхемы.

Путь протекания выходного тока нуля (втекающий ток) показан на рисунке 5. В этом случае выходной ток микросхемы тоже определяется суммой входных микросхем, подключенных к ее выходу.

Путь протекания выходного тока нуля цифровых микросхем
Рисунок 5. Путь протекания выходного тока нуля цифровых микросхем

Для того, чтобы цифровые микросхемы могли нагружаться на несколько микросхем, входной ток должен быть меньше выходного. Для ТТЛ микросхем нагрузочная способность составляет обычно 10. Для КМОП микросхем она может достигать 100, то есть на выход одной КМОП микросхемы можно нагружать до сотни входов других КМОП микросхем.

Параметры, определяющие быстродействие цифровых микросхем

Быстродействие цифровых микросхем определяется скоростями их перехода из одного состояния в другое. При этом оно определяется временем задержки выходного сигнала относительно входного. Не следует путать это время с длительностью фронта выходного импульса цифровой микросхемы. В общем случае длительность переднего (rising — нарастающего) фронта и заднего (falling — спадающего) фронта не совпадают. Длительность фронта определяется как время нарастания (спада) выходного сигнала от напряжения 0,1 U до напряжения 0,9 U, где U — это разность напряжений между уровнем логической единицы и уровнем логического нуля. На рисунке 6 длительность переднего (rising — нарастающий) фронта обозначена как tф01, а длительность заднего (falling — спадающий) фронта обозначена как tф10.

Определение длительности переднего и заднего фронта выходного импульса
Рисунок 6. Определение длительности переднего и заднего фронта выходного импульса

Время задержки выходного сигнала относительно входного обычно больше длительности фронта выходного сигнала и именно этот параметр приводится в качестве характеристики цифровой микросхемы, определяющей её быстродействие. Это время определяется по точке пересечения входным и выходном сигналами порогового уровня. В цифровых микросхемах время задержки переднего фронта и время задержки заднего фронта обычно не совпадает. Времена задержки t01 и t10 показаны на временной диаграмме, приведенной на рисунке 7.

Определение времени задержки цифровой микросхемы
Рисунок 7. Определение времени задержки цифровой микросхемы

Описание логической функции цифровых схем

Для того, чтобы упростить анализ любых схем обычно фиксируют какие-либо параметры схемы. Для того, чтобы исключить влияние задержек распространения сигналов на выходные сигналы цифровых микросхем, можно рассматривать эти сигналы в статическом режиме.

Для того, чтобы исключить влияние конкретных схемных решений цифровых устройств, а также влияние конкретных значений выходного напряжения и токов нагрузки, входные и выходные сигналы цифровой схемы можно описывать цифрами '0' и '1'.

Выходные сигналы в простейших цифровых схемах зависят только от входных сигналов, и не зависят от их значений в предыдущие моменты времени. Такие цифровые устройства получили название комбинационных цифровых устройств. Обычно такие устройства описываются при помощи таблиц истинности.

Таблица истинности — это совокупность всех возможных комбинаций логических сигналов на входе цифрового устройства и значений выходных сигналов для каждой комбинации. Для того, чтобы не пропустить ни одной комбинации входных сигналов их обычно записывают в виде двоичного кода. Пример таблицы истинности приведен в таблице 1.

Таблица 1. Таблица истинности цифровой микросхемы
№ комбинации вх1 вх2 вх3 Вых1 Вых2
0 0 0 0 0 0
1 0 0 1 0 1
2 0 1 0 0 1
3 0 1 1 1 0
4 1 0 0 0 1
5 1 0 1 1 0
6 1 1 0 1 0
7 1 1 1 1 1

Для описания принципов работы комбинационной цифровой схемы полностью достаточно таблицы истинности. Этой же таблицы достаточно для создания её принципиальной схемы.

Литература:

  1. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010.
  2. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб, БХВ-Петербург, 2004.
  3. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М, Радио и связь, 1987.

Вместе со статьей "Условные графические изображения цифровых микросхем" читают:

Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем
http://digteh.ru/digital/digital/

Области применения цифровых микросхем
http://digteh.ru/digital/CU/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2015

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Rambler's Top100