Базовые понятия цифровой электроники

На практике разработчик, как правило, в начале проектирования пользуется исключительно первой моделью, а затем для некоторых узлов применяет вторую или (реже) еще и третью модель. При этом первая модель не требует вообще никаких цифровых расчетов, для нее достаточно только знание таблиц истинности или алгоритмов функционирования микросхем. Вторая модель предполагает расчет (по сути, суммирование) временных задержек элементов на пути прохождения сигналов (рис. 1.5). В результате этого расчета может выясниться, что требуется внесение изменений в схему.

Рис. 1.5. Суммирование задержек элементов

Рис. 1.6. Суммирование входных токов элементов

Расчеты по третьей модели могут быть различными, в том числе и довольно сложными, но в большинстве случаев они все-таки сводятся всего лишь к суммированию входных и выходных токов логических элементов (рис. 1.6). В результате этих расчетов может выясниться, что требуется применение микросхем с более мощными выходами или включение дополнительных элементов.

То есть проектирование цифровых устройств принципиально отличается от проектирования аналоговых устройств, при котором сложные расчеты абсолютно неизбежны. Разработчик цифровых устройств имеет дело только с логикой, с логическими сигналами и с алгоритмами работы цифровых микросхем. А что происходит внутри этих микросхем, для него практически не имеет значения.

Справочные данные на цифровые микросхемы обычно содержат большой набор параметров, каждый из которых можно отнести к одному из трех перечисленных уровней представления, к одной из трех моделей.

Например, таблица истинности микросхемы (для простых микросхем) или описание алгоритма ее работы (для более сложных микросхем) относится к первому, логическому уровню. Поэтому знать их наизусть каждому разработчику необходимо в любом случае.

Величины задержек логических сигналов между входами и выходами относятся ко второму уровню представления. Типичные величины задержек составляют от единиц наносекунд ( 1 нс = 10^-9 с ) до десятков наносекунд. Величины задержек для разных микросхем могут быть различными, поэтому в справочниках всегда указывается максимальное значение. Необходимо также помнить, что задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль ( t_PHL ), как правило, отличается от задержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу ( t_PLH ). Например, для одной и той же микросхемы t_PLH<11 нс, а t_PHL<8 нс. Здесь английская буква P означает Propagation (распространение), L означает Low (низкий уровень сигнала, нуль), а H — High (высокий уровень сигнала, единица). Количество величин задержек, определяемых справочником для микросхемы, может изменяться от двух до нескольких десятков.

Уровни входных и выходных токов, а также уровни входных и выходных напряжений относятся к третьему уровню представления.

Входной ток микросхемы при приходе на вход логического нуля ( I_IL ), как правило, отличается от входного тока при приходе на вход логической единицы ( I_IH ). Например, I_IL = – 0,1 мА, а I_IH = 20 мкА (считается, что положительный ток втекает во вход микросхемы, а отрицательный — вытекает из него). Точно так же выходной ток микросхемы при выдаче логического нуля ( I_OL ) может отличаться (и обычно отличается) от выходного тока при выдаче логической единицы ( I_OH ). Например, для одной и той же микросхемы I_OH<– 0,4 мА,а I_OL <8 мА (считается, что положительный ток втекает в выход микросхемы, а отрицательный — вытекает из него). Надо также учитывать, что разные входы и выходы одной и той же микросхемы могут иметь различные входные и выходные токи.

Для выходных напряжений логического нуля ( U_OL ) и единицы ( U_OH ) в справочниках обычно задаются предельно допустимые значения при данной величине выходного тока. В этом случае, чем больше выходной ток, тем меньше напряжение логической единицы и тем больше напряжение логического нуля. Например, U_OH > 2,5 В (при I_OH<–0,4 мА ),а U_OL<0,5 В (при I_OL < 8 мА ).

Задаются в справочниках также и допустимые уровни входных напряжений, которые микросхема еще воспринимает как правильные логические уровни нуля и единицы. Например, U_IH > 2,0 В, U_IL < 0,8 В. Как правило, входные напряжения логических сигналов не должны выходить за пределы напряжения питания.

В обозначениях напряжений и токов буква I означает Input (вход), буква O означает Output (выход), L — Low (нуль), а H — High (единица).

К третьему уровню представления относятся также величины внутренней емкости входов микросхемы (обычно от единиц до десятков пикофарад) и допустимая величина емкости, к которой может подключаться выход микросхемы, то есть емкость нагрузки C_L (порядка 100 пФ). Отметим, что 1 пФ = 10^-12 Ф. На этом же уровне представления задаются максимально допустимые величины длительности положительного фронта ( t_LH ) и отрицательного фронта ( t_HL ) входного сигнала, например, t_HL < 1,0 мкс, t_LH < 1,0 мкс. То есть при большей длительности перехода входного сигнала из единицы в нуль и из нуля в единицу микросхема может работать неустойчиво, неправильно, нестандартно.

К третьему уровню представления можно отнести также такие параметры, как допустимое напряжение питания микросхемы ( U_CC ) и максимальный ток, потребляемый микросхемой ( I_CC ). Например, может быть задано

4,5 В<UCC<5,5 В; ICC<100 мА.

При этом потребляемый ток I_CC зависит от уровней выходных токов микросхемы I_OH и I_OL. Эти параметры надо учитывать при выборе источника питания для проектируемого устройства, а также в процессе изготовления печатных плат — при выборе ширины токоведущих дорожек.

Наконец, к третьему же уровню относится ряд параметров, которые часто упоминаются в литературе, но не всегда приводятся в справочных таблицах:

• Порог срабатывания — уровень входного напряжения, выше которого сигнал воспринимается как единица, а ниже — как нуль. Для наиболее распространенных ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) микросхем он примерно равен 1,3...1,4 В.
• Помехозащищенность — характеризует величину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние выходных сигналов. Помехозащищенность определяется разницей между напряжением U_IH и порогом срабатывания (это поме­хо­за­щищенность единичного уровня), а также разницей между порогом срабатывания и U_IL (это помехозащищенность нулевого уровня).
• Коэффициент разветвления — число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения работы. Определяется отношением выходного тока к входному. Стандартная величина коэффициента разветвления при использовании микросхем одного типа (одной серии) равна 10.
• Нагрузочная способность — параметр выхода, характеризующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный выход без нарушения работы. Чаще всего нагрузочная способность прямо связана с коэффициентом разветвления.

Таким образом, большинство справочных параметров микросхемы относятся к третьему уровню представления (к модели с учетом электрических эффектов), поэтому в большинстве случаев (до 80%) знать их точные значения наизусть не обязательно. Достаточно помнить примерные типовые значения параметров для данной серии микросхем.