Struktury danych - TTL i CMOS













Prezentowane materiały są przeznaczone dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych.
Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek,  wersja 2.0

 ©2008 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie




Bit
           Scalone układy cyfrowe



Tematy pokrewne:



Bit
Bramki logiczne
Zasilanie układów TTL i CMOS
Układy kombinatoryczne z bramek cyfrowych
Zjawisko hazardu w sieciach logicznych


 

W latach 60 ubiegłego wieku wynaleziono układy
scalone. Są to małe elementy elektroniczne zawierające w swojej
strukturze gotowe układy zbudowane z dziesiątek, setek, tysięcy lub więcej
tranzystorów. Dzięki układom scalonym stała się możliwa budowa współczesnych
komputerów. Nawet najprostszy komputer IBM składa się
wewnętrznie z milionów tranzystorów. Bez układów scalonych budowa takiego
komputera byłaby bardzo kosztowna i czasochłonna - na pewno nie byłoby nas stać
na własny, domowy komputer osobisty.
Bramki cyfrowe są umieszczane w układach scalonych, które
produkuje wiele różnych firm na całym świecie. Najpopularniejsze serie to
obecnie TTL (bramki zbudowane z tzw.
tranzystorów bipolarnych) oraz CMOS
(bramki zbudowane z tranzystorów polowych).


 

Parametr
TTL
CMOS


Zasilanie
5V
3...15V


Poziom 0
0,4...0,8V
0V


Poziom 1
2...5V
VDD


Czas propagacji
1,5...3 ns
30 ns


Obciążalność wyjść
10
duża


 
Układy TTL są zwykle 10 razy szybsze od układów CMOS
(chociaż niektóre współczesne konstrukcje CMOS niewiele
ustępują w szybkości układom TTL). Za to układy CMOS mogą być zasilane
napięciem o dużej rozpiętości oraz pobierają znikomą moc
(szczególnie istotne dla urządzeń zasilanych bateryjnie).
Z zewnątrz układ scalony przypomina małą kostkę z wyprowadzonymi
metalowymi końcówkami, do których doprowadzamy lub z których pobieramy sygnały
elektryczne. Wewnątrz układu scalonego wyprowadzenia są połączone z małą płytką
silikonową, na której w drodze skomplikowanych procesów utworzono strukturę
elektroniczną złożoną z setek lub tysięcy tranzystorów i oporników.
Nóżki układu scalonego są odpowiednio numerowane. Zwróć uwagę, iż
na obudowie znajduje się małe wycięcie lub mała dziurka. Układ ustawiamy nóżkami
w dół tak, aby wcięcie na obudowie znalazło się po stronie lewej. Wtedy
numeracja nóżek rozpoczyna się od lewego dolnego rogu i biegnie wokół układu
scalonego. Poniżej przedstawiamy widok z góry układu o 14 wyprowadzeniach.
 

 
Gdy umiemy już odczytywać numery wyprowadzeń układów scalonych,
możemy zdefiniować ich zawartość. Poniżej przedstawiamy definicje wyprowadzeń
kilku układów cyfrowych zawierających podstawowe bramki logiczne. Są to układy
TTL serii SN74xx oraz
CMOS serii CD40xx.
GND oznacza masę dla TTL (minus
zasilania), VSS dla CMOS.
VCC oznacza napięcie zasilające układ scalony
TTL (+5V), VDD
dla CMOS. Wiedza ta pozwala na samodzielne konstruowanie
prostych urządzeń cyfrowych. Układy zestawiliśmy tak, aby w obu seriach otrzymać
funkcjonalne odpowiedniki. Dlatego kolejność numeracji układów CMOS nie jest
zachowana.
 



Układy TTL
serii SN74xx
Układy CMOS
serii CD40xx


Brak odpowiednika TTL
CD4000 - dwie
3-wejściowe bramki NOR i inwerter



SN7400 -
cztery 2-wejściowe bramki uniwersalne NAND

 
CD4011 -
cztery 2-wejściowe bramki uniwersalne NAND



SN7402 -
cztery 2-wejściowe bramki uniwersalne NOR

CD4001 -
cztery 2-wejściowe bramki uniwersalne NOR



SN7404 - sześć
inwerterów

CD4009 - sześć
inwerterów



SN7407 - sześć
wzmacniaczy buforowych

CD4010 - sześć
wzmacniaczy buforowych



SN7408 -
cztery 2-wejściowe bramki AND

CD4081 -
cztery 2-wejściowe bramki AND



SN7410 - trzy
3-wejściowe bramki uniwersalne NAND

CD4023 - trzy
3-wejściowe bramki uniwersalne NAND



SN7411 - trzy
3-wejściowe bramki AND

CD4073 - trzy
3-wejściowe bramki AND



SN7420 - dwie
4-wejściowe bramki uniwersalne NAND

CD4012 - dwie
4-wejściowe bramki uniwersalne NAND



SN7437 -
cztery 2-wejściowe bramki buforowe NAND

Brak odpowiednika
CMOS
 


SN7440 - dwie
4-wejściowe bramki buforowe NAND

Brak odpowiednika
CMOS


SN7421 - dwie
4-wejściowe bramki AND

CD4082 - dwie
4-wejściowe bramki AND



Brak odpowiednika TTL
CD4002 - dwie
4-wejściowe  bramki uniwersalne NOR



Brak odpowiednika TTL
CD4072 - dwie
4-wejściowe bramki OR



SN7427 - trzy
3-wejściowe bramki uniwersalne NOR

CD4025 - trzy
3-wejściowe bramki uniwersalne NOR



Brak odpowiednika TTL
CD4075 - trzy
3-wejściowe bramki OR



SN7430 - jedna
8-wejściowa bramka uniwersalna NAND

CD4068 - jedna
8-wejściowa bramka uniwersalna NAND



Brak odpowiednika TTL
CD4078 - jedna
8-wejściowa bramka uniwersalna NOR



SN7432 -
cztery 2-wejściowe bramki OR

CD4071 -
cztery 2-wejściowe bramki OR



SN7486 -
cztery 2-wejściowe bramki EX-OR

CD4070 -
cztery 2-wejściowe bramki EX-OR



Brak odpowiednika TTL
CD4077 -
cztery 2-wejściowe bramki NOT-EX-OR



 
Zasady łączenia wejść i wyjść
Do jednego wyjścia bramki można podłączyć kilka wejść innych
bramek. Musimy tylko pamiętać, aby nie przekroczyć obciążalności wyjścia bramki.
Typowe wyjście bramki TTL może wysterować około 10 wejść innych bramek. Do
bramek CMOS reguła ta się nie odnosi, ponieważ pobierają one bardzo mały prąd
wejściowy - mówimy, iż posiadają dużą oporność wejściową.
Nieużywane wejścia bramek należy podłączyć poprzez opornik 1kW (jeśli możemy zagwarantować,
iż napięcie VCC nie przekroczy 5,5V, to wejście można połączyć
bezpośrednio) do zasilania +5V (bramki AND i NAND)
lub bezpośrednio do masy (bramki OR i NOR). Nie wolno
pozostawiać wejścia "wiszącego", ponieważ powoduje to
pogorszenie warunków pracy bramki (zwiększa się czas
propagacji oraz zmniejsza się odporność na zakłócenia) i w konsekwencji
może powodować błędy w działaniu urządzenia cyfrowego.
 

 
Nie wolno łączyć ze sobą wyjść bramek, gdyż prowadzi to do
zwarcia i w konsekwencji może uszkodzić układ cyfrowy.
 
Podłączanie diod LED


Dioda LED
(ang. Light Emitting Diode) jest elementem
elektronicznym, który przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Gdy prąd płynie
przez diodę LED, emituje ona światło. Kolor świecenia zależy od materiału
użytego do konstrukcji diody.
Diody LED bardzo często wykorzystywane są w technice cyfrowej
jako różnego rodzaju wskaźniki i oświetlenie - np. zegary wyświetlają przy ich
pomocy cyfry czasu i daty, telefony komórkowe używają ich do podświetlania
swoich ekranów i klawiatur.
Co powinniśmy wiedzieć o diodzie LED?





Gdy dioda przewodzi prąd utrzymuje się na niej względnie
stałe napięcie UF. Jeśli napięcie zasilające jest niższe od UF,
dioda świecić nie będzie. Napięcie to jest różne dla różnych diod - należy
zawsze sprawdzać w katalogach producentów.

W trakcie świecenia dioda pobiera pewien prąd IF.
Nie wolno przekraczać wartości maksymalnej tego prądu, inaczej dioda
ulegnie spaleniu.

Światło powstaje w diodzie LED na zasadzie generacji
fotonów w strukturze półprzewodnika przy przepływie prądu i nie jest
spowodowane efektem cieplnym, jak w żarówce. Prawidłowo wysterowana dioda
LED jest zimna i może świecić dziesiątki lat.

Dioda posiada dwa wyprowadzenia: anodę
(+A) i katodę (-K). Dioda przewodzi prąd,
jeśli do anody zostanie przyłożony plus napięcia zasilania, a do katody
minus (zgodnie z rysunkiem obok). Przy odwrotnej
polaryzacji dioda LED nie przewodzi prądu.




Zwykle diody o średnicy 5mm (najbardziej
popularne cenowo) pobierają prąd IF = 20mA. Jeśli chcemy
uzyskać niezawodność świecenia, to obniżamy ten prąd do 15mA
(tyle może na wyjściu dostarczyć standardowa bramka TTL). Napięcie UF
określamy z poniższej tabelki:
 



Rodzaj diody LED
Napięcie UF
Prąd IF


zwykłe, czerwone
1,7V
15mA


jasne, czerwone
wysokowydajne, czerwone
niskoprądowe, czerwone
1,9V
15mA


pomarańczowe i żółte
2V
15mA


zielone
2,1V
15mA


jasne, białe
jasne, zielone bez żółtozielonego
niebieskie zwykłe
3,4V
12mA


jasne, niebieskie
4,6V
10mA


 
Do naszych celów najlepsze będą diody o UF = 1,7V ...
2,1V. Diody o wyższym napięciu wymagają tranzystora sterującego, który zapewni
im odpowiednie warunki zasilania. Diodę LED można podłączyć do wyjścia bramki
TTL na dwa sposoby. W obu przypadkach należy odpowiednio dobrać opór
ograniczający napięcie i prąd diody LED. Poniżej przedstawiamy odpowiednie wzory
obliczeniowe:
 



Dioda świeci przy stanie wysokim

Dioda świeci przy stanie niskim







Dla diody czerwonej o UF
= 1,7V i IF = 0,015A otrzymamy:






 
Dla wersji pierwszej napięcie 3,5V jest napięciem wyjściowym
bramki TTL w stanie wysokim. Napięcie to rozkłada się na opornik R oraz diodę
LED. Gdy odejmiemy od niego napięcie UF diody LED, to pozostanie
napięcie na oporniku R. Dzieląc to napięcie przez pożądany prąd IF
otrzymujemy wartość opornika R, którą należy w tym układzie zastosować.
Dla wersji drugiej jest podobnie. Napięcie 4,6V jest napięciem
zasilania pomniejszonym o napięcie 0,4V, które pojawia się na wyjściu bramki w
stanie niskim.
Powyższe dwa układy można połączyć w jeden - dioda LED1
będzie świeciła w stanie niskim, a dioda LED2 będzie świeciła w
stanie wysokim.
 

 
Dobierając oporniki pamiętaj, iż w sprzedaży są wartości tworzące
następujące szeregi:
 



E3
50%
10, 22, 47


E6
20%
10, 15, 22, 33, 47, 68


E12
10%
10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82


E24
5%
10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47,
51, 56, 62, 68, 75, 82, 91


 
Wartości w szeregach mogą być mnożone przez potęgi liczby 10. W
ten sposób otrzymujemy np. 33 x 1000 = 33kW.
To dlatego w drugim przykładzie zaokrągliłem wynik 193,333... do najbliższej,
dostępnej wartości 200W
(szereg E24, wartość 20 x 10). To małe oszustwo nie wpłynie w sposób
istotny na działanie opisywanego układu.
Więcej na temat szeregów oporników i kondensatorów znajdziesz w
dowolnym podręczniku elektroniki oraz w
Wikipedii.
 
Symulacja układów elektronicznych
Jeśli zainteresował cię temat konstruowania układów cyfrowych, to
wiele pieniędzy zaoszczędzisz zaopatrzywszy się w odpowiedni program
symulacyjny. Godnym polecenia jest Electronic Workbench.
Jest to wszechstronny symulator obwodów elektronicznych, w tym również
cyfrowych. Zanim zbudujemy dany układ, możemy go przetestować na symulatorze,
wyłapując różne błędy. Dzięki Electronic Workbench możesz posiadać swoje własne
laboratorium elektroniczne.
 

 






List do administratora Serwisu Edukacyjnego I LO


Twój email:
(jeśli chcesz otrzymać odpowiedź)


Temat:



Uwaga:
← tutaj wpisz wyraz
 ilo
 , inaczej list zostanie zignorowany



Tutaj wpisz swoje uwagi lub pytania dotyczące tego rozdziału.





W związku z dużą liczbą listów do naszego serwisu
edukacyjnego nie będziemy udzielać odpowiedzi na prośby rozwiązywania
zadań, pisania programów zaliczeniowych, przesyłania materiałów czy też
tłumaczenia zagadnień szeroko opisywanych w podręcznikach.




I Liceum Ogólnokształcąceim. Kazimierza Brodzińskiego w Tarnowie(C)2010 mgr Jerzy Wałaszek



Dokument ten rozpowszechniany jest zgodnie z zasadami licencji
GNU Free Documentation License.

document.frmadminemail.adminemail_tytul.value = document.title;