Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
W poprzednich odcinkach
przedstawiłem ci tło zagadnienia,
P i e r w s z e k r o k i
P i e r w s z e k r o k i
P i e r w s z e k r o k i
P i e r w s z e k r o k i
a także zapoznałem P i e r w s z e k r o k i
z podstawowymi cegiełkami -
bramkami.
Jeśli chcesz zajmować się
elektroniką, koniecznie powinieneś w cyfrówce
 mieć w małym palcu wszystkie
wiadomości na temat bramek,
podane w poprzednich dwóch
część 4
część 4
część 4
część 4
część 4
odcinkach.
Zanim przejdziemy do
cztery dwuwejściowe bramki NAND,
przerzutników, liczników, rejestrów,
Jeszcze raz czarna
układ wyprowadzeń jest identyczny,
dekoderów, itp, musimy omówić
skrzynka
czym więc się różnią?
pewną ważną kwestię. Właśnie
W poprzednich odcinkach wykazałem
Różnią się budową wewnętrzną. Dla
w tym artykule podam ci bardzo ci dokładnie, że działanie układów cyfro- nas praktyków, jest istotne, że bramki te
wych (logicznych) opiera siÄ™ na pewnych
różnią się szybkością, poborem prądu za-
istotne wiadomości. Nie przesadzam
podstawowych zależnościach matema- silającego, wielkością prądów wejść oraz
- sÄ… to informacje absolutnie
tycznych, i że układy te można zrealizo- wydajnością prądową wyjść. Parametry
niezbędne do świadomego
wać różnymi sposobami, także przy po- związane z poborem prądu i napięciami
i sensownego wykorzystania mocy urządzeń machanicznych i hydrau- w stanie spoczynku nazywamy paramet-
licznych.
rami statycznymi. Parametry zwiÄ…zane
układów scalonych, nie tylko
W naszej praktyce mamy najczęściej
z szybkością - parametrami dynamiczny-
bramek.
do czynienia z układami scalonymi reali- mi.
zującymi mniej i bardziej złożone funkcje
Jeśli chcesz być prawdziwym elektro-
logiczne i cyfrowe. Stanom logicznym
nikiem, musisz dokładnie rozumieć te
odpowiadają poziomy napięcia: jest na- kwestie.
pięcie - stan wysoki (1), brak napięcia -
Dinozaury
stan niski (0).
Często traktujemy układ logiczny (cyf- Teraz zaczerpnij duży łyk świeżego
rowy) jako czarną skrzynkę z wejściami
powietrza, bo zanurzymy się w zatęchłą
i wyjściami, do której wchodzą jakieś
przeszłość. Niestety, muszę ci opowie-
sygnały cyfrowe, a po przetworzeniu wy- dzieć o wymarłych już dinozaurach. Nie
chodzÄ…. W zasadzie interesuje nas tylko
sprzeczaj siÄ™ ze mnÄ… - w 1997 roku tak
funkcja logiczna spełniana przez układ,
zwany  standardowy układ TTL o ozna-
natomiast nie chcielibyśmy zajmować
czeniu 7400 i jego pobratymcy sÄ… nie-
się szczegółami realizacyjnymi, czyli do- wątpliwymi dinozaurami. Zaraz ci to wy-
ciekać, co jest w środku.
każę.
Ideałem byłoby, gdyby taka czarna
A tymi archaicznymi stworami musi-
skrzynka zupełnie nie pobierała prądu
my się zająć, bowiem jak ci podałem
oraz żeby wejścia także nie pobierały prą- w pierwszym odcinku, pojawienie się
du. Układ powinien też natychmiast reali- układów scalonych TTL było niekwestio-
zować swą funkcję - nie powinno być
nowanym przełomem w dziedzinie ukła-
żadnego opóz
nienia między podaniem
dów logicznych. Choć od czasu pojawie-
sygnału na wejście, a pojawieniem się
nia siÄ™ pierwszych kostek tego typu mi-
odpowiedzi na wyjściu. Niestety, nie
nęło już ponad trzydzieści lat, i pierwotne
można zbudować aż tak doskonałych
 standardowe układy TTL stały się
układów - nie pobierających mocy i nie- przeżytkiem, jednak pewne, że tak po-
skończenie szybkich.
wiem, zaszłości, ciągną się od tamtych
Jaskrawie negatywnym przykładem
czasów aż po dzień dzisiejszy. I właśnie
sÄ… tu bramki zbudowane z przekaz
ników
z uwagi na te zaszłości koniecznie mu-
(zajrzyj do EdW 2/97 str. 52). Nie masz
sisz poznać układ... którego dziś już się
wątpliwości, że pobierają one dużo prądu
nigdzie nie stosuje.
i sÄ… stosunkowo wolne.
Pamiętaj, że układy TTL zasilano na-
A jak to jest z bramkami na układach
pięciem 5Vą0,5V.
scalonych? Doszliśmy do sedna sprawy.
Rysunek 15 pokazuje schemat we-
Rysunek 15
Rysunek 15
Rysunek 15
Rysunek 15
Układy scalone też nie są doskonałe.
wnętrzny tego dinozaura.
Przykładowo, mamy do wyboru szereg
Diody D2 i D3 zabezpieczają wejście
różnych układów scalonych zawierają- przed zakłóceniami. Podczas normalnej
cych bramki NAND, że wymienię tylko
pracy są spolaryzowane zaporowo i moż-
kilka przykładów: 7400, 74LS00, 74HC00,
na je pominąć przy analizie.
Rys. 15. Schemat wewnętrzny bramki
74HCT00, 74S00, 74F00, 74ACT00, 74LCX...
Na pewno niepokoi Cię obecność ja-
NAND 7400.
Wszystkie wymienione kostki zawierajÄ…
kiegoÅ› dziwaka - wieloemiterowego tran-
38 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
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-
wajÄ… w powietrzu), wtedy w obwodach
emiterów tranzystora T1 nie może pły-
nąć prąd. Tranzystor T1 pracuje wtedy
Rys. 16. Zakresy napięć dla stanów
w nietypowy sposób: prąd płynie od plu-
logicznych układu TTL.
sa zasilania, przez rezystor R1 i złącze ba-
za-kolektor do bazy tranzystora T2. TrochÄ™ to
dziwne, prawda? Tranzystor T2 przewodzi, Popatrz na rysunek 15. Na bazie prze-
co powoduje otwarcie tranzystora T3. wodzącego tranzystora T3, napięcie wy-
Natomiast niskie napięcie na kolektorze nosi około 0,7V. Tranzystor T2 też prze-
T2 uniemożliwia przewodzenie tranzys- wodzi, więc na jego bazie napięcie wyno-
tora T4. Przewodzący tranzystor T3 daje si około 1,4V (w stosunku do masy).
na wyjściu napięcie praktyczne równe Przez złącze baza-emiter tranzystora T1
potencjałowi masy, czyli stan niski. też płynie prąd, więc na bazie T1 napię-
Czy już zauważyłeś, że w tej klasycz- cie będzie o następne 0,7V wyższe, czyli
nej bramce TTL niepodłączenie wejść wyniesie około 2,1V. Teraz jest jasne, że
(pozostawienie ich w powietrzu) jest woltomierz dołączony między niepodłą-
równoznaczne z podaniem na te wejścia czone wejścia, a masę wskaże około
stanu wysokiego? 1,4...1,5V (to jest o 0,6...0,7V mniej niż
Rys. 17.
Przeanalizuj to jeszcze raz: dołączenie na bazie T1).
wejść do dodatniego napięcia zasilające- A więc napięcia rzędu 1,5V i wyższe
go nic tu nie zmieni, bo w obwodach we- są traktowane przez układ jako stan lo- Prąd wejściowy wypływa z wejść
jściowych nadal nie będzie płynął prąd giczny wysoki. i płynie do masy.
rysunku 16
przez złącza emitery-baza tranzystora T1 Na rysunku 16
rysunku 16 zaznaczyłem z grubsza Wielkość tego wypływającego prądu
rysunku 16
rysunku 16
- złącza te będą spolaryzowane w kierun- zakresy napięć odpowiadające stanowi wyznaczona jest wartością rezystancji
ku zaporowym. logicznemu niskiemu i wysokiemu. Jeśli R1; zależy też od napięcia wejściowego.
Rysunek 17
Dopiero zwarcie któregokolwiek we- nie miałeś do tej pory do czynienia z ukła- Rysunek 17
Rysunek 17 pokazuje charakterystykÄ™
Rysunek 17
Rysunek 17
jścia (lub obu wejść) do masy, umożliwi dami cyfrowymi, to zapewne jesteś tro- wejściową bramki TTL. Tym razem na-
przepływ prądu w obwodach emitero- chę zdziwiony taką niesymetrią. Nie pięcie wejściowe przedstawiono na osi
wych tranzystora T1. Prąd popłynie od masz chyba wątpliwości, że ta niesymet- poziomej. Jak widać dla napięć wejścio-
plusa zasilania, przez rezystor R1, złącze ria wynika właśnie z przyjętego układu, wych większych niż 1,5V prąd wejścio-
baza-emiter i wejście(a) do masy. W ta- czyli schematu wewnętrznego. wy jest dodatni, to znaczy wpływa do
kiej sytuacji nie będzie mógł płynąć prąd Ale to nie koniec niespodzianek; idz
- wejścia. Prąd ten jest bardzo mały, o ile
bazy tranzystora T2 i tranzystor T2 zosta- my dalej. tylko napięcie wejściowe nie jest więk-
nie zatkany. Brak prądu płynącego przez Wiesz już, że dla napięć większych niż sze od napięcia zasilającego układ
tranzystor T2 zamknie też tranzystor T3. 1,5V przez wejścia praktycznie nie płynie (5...5,5V).
Natomiast prąd płynący przez rezystor prąd (w zasadzie wpływa tam bardzo ma- Natomiast przy napięciach wejścio-
R2 do bazy T4, otworzy tranzystor T4. Na ły prąd wstecznie spolaryzowanego złą- wych mniejszych od 1,5V prąd wejścio-
wyjściu pojawi się napięcie zbliżone do cza baza-emitery T1, prąd ten jest rzędu wy jest ujemny, czyli wypływa z wejścia
dodatniego napięcia zasilającego, czyli mikroamperów). i jego wartość przy podłączeniu wejścia
stan wysoki. Natomiast dla napięć 0...1,4V płynie do masy wynosi około 1mA.
Wracamy do obwodów wejściowych. prąd wejściowy. W którą stronę? Może powiesz, że 1mA to bardzo ma-
Czy potrafisz samodzielnie odpowiedzieć To bardzo ważne pytanie! ły prąd. Niby tak, ale jeśli w układzie sca-
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 sÄ… 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
sÄ… one  zawieszone w powietrzu lub
gdy między wejścia a masę włączona
jest bardzo duża rezystancja?
Rys. 18. Charakterystyka przejściowa bramki odwracającej.
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97 39
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
lonym chcielibyśmy upchnąć kilka tysię- Jest to kolejna bardzo, naprawdę bar-
cy takich bramek, to już sam prąd wejść dzo ważna sprawa. Dla uniknięcia przy-
wynosiłby w sumie kilka amperów. krych niespodzianek, sygnały na we-
A przecież prąd zużywany jest nie tylko jściach bramek powinny zmieniać się
w obwodzie wejściowym - przy stanie bardzo szybko. Najprościej mówiąc, zbo-
niskim na wyjściu prąd płynie także przez cza sygnałów, czyli czasy narastania
R2 i T2. i opadania powinny być krótsze niż
Tu znalez
liśmy istotną wadę standar- 1 mikrosekunda.
dowej bramki TTL - znaczny pobór prądu. Na rysunku 19a pokazano przebiegi
Do tej sprawy za chwilę wrócimy. o prawidłowych, ostrych zboczach. Ry-
rysunek 18
Na razie popatrz na rysunek 18 sunek 19b pokazuje przebiegi o zbyt dłu-
rysunek 18
rysunek 18
rysunek 18. Przed-
stawia on charakterystykę przejściową gich czasach narastania.
bramki NAND z rodziny TTL. Z rysunku Ale bez przesady - przy łączeniu ukła-
tego widać, że przy stanie niskim na we- dów cyfrowych zapewnienie właściwej
jściu, napięcie wyjściowe wcale nie jest ostrości zboczy nie jest żadnym proble-
równe napięciu zasilania, a ledwo sięga mem, bowiem nawet najwolniejsze ukła-
4V. To akurat nie jest żadną wadą, bo- dy gwarantują czasy narastania i opada-
wiem napiÄ™cie rzÄ™du 3...4V na pewno nia zdecydowanie krótsze niż 1µs. Nie-
traktowane jest przez układy TTL jako bezpieczeństwo pojawienia się drgań
stan logiczny wysoki. grozi natomiast wtedy, gdy bramki (lub
Problem natomiast z zakresem prze- jakiekolwiek układy cyfrowe) sterowane
jściowym, przy napięciach wejściowych są przez inne, wolniejsze elementy.
rysunku 20
w okolicach 1,5V. W tym zakresie napięć Na rysunku 20
rysunku 20 pokazano przykład wy-
rysunku 20
rysunku 20
wejściowych bramka zachowuje się bo- korzystania bramek i obwodu RC do
wiem jak... wzmacniacz. Zauważ, że nie- uzyskania opóz
nienia. Wszystko będzie
wielkim zmianom napięcia wejściowego dobrze, jeśli czas narastania napięcia na
odpowiadają znacznie większe zmiany wejściu następnej bramki nie będzie
napiÄ™cia wyjÅ›ciowego. Może ciÄ™ to zdzi- dÅ‚uższy, niż 1µs. Przy znacznie dÅ‚uższych
wi, ale w pewnych warunkach bramka czasach należy liczyć się z wystąpieniem
Rys. 19. Przebiegi wejściowe
rzeczywiście jest po prostu wzmacnia- pasożytniczych drgań. Drgania te często
i wyjściowe.
czem (potem pokażę ci, jak tę  wadę zupełnie uniemożliwiają działanie dal-
wykorzystuje siÄ™ w praktyce). szych stopni urzÄ…dzenia. Sposobem po-
No dobrze, ale przecież chyba ma to zakłócenia. Nie wpłynie to na działanie kazanym na rysunku 20 nie można więc
być dwustanowy układ logiczny, a nie ja- układu, jeśli tylko zakłócenia te będą opóz
nić sygnału o czas dłuższy niż kilka
kiś wzmacniacz. mmiejsze niż 0,4V. Tu możemy odnoto- mikrosekund - groziłoby to powstaniem
Istotnie, do tej pory milcząco zakłada- wać kolejną istotną wadę układów TTL - szkodliwych drgań.
liśmy, że wysoki stan logiczny to napię- mały margines zakłóceń, przy napięciu Niestety, wielu amatorów nie rozumie
cie równe lub bliskie dodatniemu napię- 5V wynoszący tylko (0,4V + 0,4V). tego problemu - dziwią się potem, że
ciu zasilającemu, a stan logiczny niski to Uważny Czytelnik zdążył już zaprotes- układ czasami działa, a czasami nie.
napięcie bliskie zeru. tować twierdząc, że przecież napięcie na A przyczyną są właśnie dodatkowe im-
Teraz należałoby sprawę uściślić. I to wejściach i wyjściach nie może zmienić pulsy, pojawiające się podczas zbyt ła-
są właśnie wspomniane przeze mnie się skokowo, a więc podczas przełącza- godnych zboczy, podawanych na wejścia
wcześniej zaszłości, które ciągną się od nia z jednego stanu logicznego do dru- układów cyfrowych.
pierwszych układów TTL aż do dziś. giego, napięcie na wejściu przez pewien
Bramki Schmitta
Uważaj więc! Ze względu na rozwią- czas przyjmie wartości z zabronionego
zanie układowe przyjęte w pierwszych przedziału 0,8...2V. Drgania takie łatwo wyeliminować
układach TTL ustalono, że na wejściach Tak jest! Ale jeśli zmiana stanu nastą- stosując bramki z histerezą. Produkuje
bramek mogą występować napięcia pi szybko, układ zareaguje poprawnie. się tak zwane bramki z wejściem Schmi-
w zakresie 0...0,8V (co odpowiada niskiemu Jeśli natomiast napięcie będzie zmieniać tta; przedstawię ci je przy prezentacji
stanowi logicznemu) oraz w zakresie się wolno, to najprawdopodobniej na wy- bramek. Charakterystyka przejściowa ta-
2...5,5V (co odpowiada stanowi wysokie- jściu pojawią się pasożytnicze drgania. kich bramek (na przykładzie inwertera lub
rysunek 19. Powstawanie pa- bramki NAND) pokazana jest w uprosz-
mu). Natomiast na wejścia nie powinny Ilustruje to rysunek 19
rysunek 19
rysunek 19
rysunek 19
rysunku 21
rysunku 21
rysunku 21
rysunku 21. Porównaj rysunki
być podawane napięcia z zakresu 0,8...2V. sożytniczych drgań jest związane z dużą czeniu na rysunku 21
Jest to obszar zabroniony, bowiem ukła- szybkością bramek, ich znacznym 21 i 18, obydwa przedstawiające charak-
dy TTL mogą (i będą) błędnie działać wzmocnieniem, niedoskonałym filtrowa- terystykę przejściową. Rzecz w tym, że
w takim zakresie napięć wejściowych. niem napięcia zasilającego oraz kilkoma w bramkach z wejściem Schmitta wpro-
Ustalono też, że przy obciążeniu dzie- innymi czynnikami. wadzono obwód histerezy i dodatniego
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
Rys. 20.
i wejścia bramek mogą indukować się
40 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
tylko ograniczoną ilość wejść następ- ność. Jeśli prąd wyjściowy w stanie wy-
nych bramek tej samej serii. Przyjęto, że sokim byłby niewielki, okazałoby się, że
w stanie niskim z jednego wejścia wy- czas ładowania tej pojemności jest więk-
pływa prąd do 1,6mA, a dowolne wyjście szy niż czas opóz
nienia bramki. W takiej
powinno wysterować dziesięć takich sytuacji nie można byłoby wykorzystać
wejść. Minimalna wydajność prądowa znacznej szybkości bramek. Trzeba wie-
wyjść bramek TTL standard, w stanie dzieć, że czas opóz
nienia bramki TTL wy-
niskim wynosiła więc 16mA. nosi około 10 nanosekund (miliardowych
Jak się łatwo domyślić na podstawie części sekundy), co umożliwia pracę
rysunku 15, wskutek obecności rezysto- z częstotliwościami rzędu kilkudziesięciu
ra R4, bramki TTL miały niesymetryczną megaherców. Dla w miarę szybkiego na-
charakterystykę wyjściową. To znaczy, ładowania wspomnianej szkodliwej po-
że wyjście w stanie niskim mogło przyjąć jemności, wydajność prądowa wyjścia
30...40mA prądu, ale w stanie wysokim w stanie wysokim też musiała być znacz-
Rys. 21. Charakterystyka przejściowa
mogło dostarczyć tylko kilka miliampe- na.
bramek z histerezÄ… (Schmitta).
rów (kilkanaście miliamperów przy zwar-
Typy wyjść
ciu wyjścia do masy). Taka niesymetria
sprzężenia zwrotnego. Przy zmianie sta- miała swoje zalety - ewentualne zwarcia Wyjście takie, jak pokazano na rysun-
nu wejściowego z niskiego na wysoki, wyjść do masy nie powodowały uszko- ku 15, w literaturze nazywa się wyjściem
wyjście zmienia stan (z wysokiego na dzenia układu scalonego.  totem pole (w skrócie TP), co w wol-
niski) dopiero po przekroczeniu tak zwa- Jeśli uważasz, że wydajność prądowa nym tłumaczeniu znaczy słup totemowy.
nego górnego napięcia przełączania w stanie wysokim mogłaby być jeszcze Przy tej okazji wspomnijmy jeszcze
U . Natomiast przy zmianie stanu na we- o wiele mniejsza, jesteś w błędzie. Czy o bramkach z wyjściem typu otwarty ko-
H
jściu z H na L, wyjście zmienia stan do- wiesz dlaczego? lektor, w skrócie OC. Na przykład kostka
piero, gdy na wejściu napięcie spadnie Otóż w realnych układach, musimy 7401 zawiera cztery bramki NAND z ta-
poniżej  dolnego progu przełączania jeszcze uwzględnić szkodliwe pojemnoś- kim wyjściem. Bramka z wyjściem OC
U . Dzięki takiemu progowemu działa- ci montażowe, zarówno pojemności we- nie ma tranzystora T4, diody D1 i rezys-
L
niu, bramki z układem Schmitta nie boją jściowe, jak i pojemności między ścież- tora R4, a tylko tranzystor T3 wyjściu
się wolno rosnących zboczy - są wręcz kami, a masą. W sumie możemy sobie (patrz rysunek 15). Choć mówiłem ci, że
niezbędne, gdy do układów cyfrowych wyobrazić, że do każdego wyjścia podłą- pozostawienie wejść bramki TTL  w po-
doprowadzane są wolno zmieniające się czona jest szkodliwa pojemność, rzędu wietrzu odpowiada stanowi wysokie-
sygnały. kilkunastu-kilkudziesięciu pikofaradów, mu, jednak ze względu na zakłócenia
rysunku 24
Bramki z wejściem Schmitta są, jak pokazano to na rysunku 24
rysunku 24
rysunku 24
rysunku 24. Wpraw- oraz konieczność przeładowania szkodli-
moim zdaniem, zbyt rzadko stosowane dzie pojemność ta jest względnie nie- wych pojemności (rys. 24), konieczne
w konstrukcjach amatorskich - w dalszej wielka, ale jak by nie było, prąd wyjścio- jest zastosowanie tak zwanego rezystora
części cyklu zaproponuję ci ich różnorod- wy bramki musi przy każdej zmianie sta- podciągającego (w literaturze spotkasz
ne wykorzystanie. nu, naładować lub rozładować tę pojem- określenie pull-up resistor). Bramki z ot-
Choć produkowane są gotowe bramki wartym kolektorem umożliwiają w pros-
z wejściem Schmitta, warto wiedzieć, że ty sposób zrealizowanie funkcji AND lub
w razie potrzeby bramkę z histerezą OR  na drucie (angielskie określenie:
można zrobić z dwóch negatorów (bra- wired-AND lub wired-OR). Zauważ, że
rysunku
rysunku
rysunku
rysunku
mek NAND lub NOR) i dwóch rezysto- przy połączeniu pokazanym na rysunku
rysunku 22 25
rów według rysunku 22. Stosunek obu 25
rysunku 22 25, stan wyjścia zmienia się, gdy wszyst-
rysunku 22 25
rysunku 22 25
rezystancji wyznacza wielkość histerezy. kie bramki mają stan wyjściowy wysoki
O wartościach tych rezystorów poroz- (tranzystory wyjściowe nie przewodzą) -
mawiamy póz
niej. Teraz omówimy do- zrealizowana jest funkcja AND. Inaczej
kładniej problem wyjść. mówiąc, stan wyjścia zmienia się, gdy
przynajmniej jeden z tranzystorów wy-
Obciążalność
jściowych zaczyna przewodzić - daje to
Skoro wejścia bramek TTL w stanie działanie podobne do bramki OR.
wysokim praktycznie nie pobierają prą- Zauważ, że stosując bramki z otwar-
du, więc wyjścia (współpracujące z we- tym kolektorem pracujące na wspólny
jściami następnych bramek) nie muszą rezystor, łączymy kilka wyjść ze sobą i ni-
Rys. 23.
wtedy dostarczać dużego prądu. Nato- czym to nie grozi, a wprost przeciwnie,
Przepływ prądu
miast w stanie niskim, wyjście musi
w stanie
przyjąć znaczny prąd z kilku podłączo-
niskim.
patrz rysunek 23
nych do niego wejść (patrz rysunek 23
patrz rysunek 23).
patrz rysunek 23
patrz rysunek 23
Do wyjścia bramki TTL serii standar-
dowej (np. 7400) można było podłączyć
Rys. 22. Wykonanie bramki Schmitta
z dwóch zwykłych bramek Rys. 24. Szkodliwa pojemność Rys. 25. A
ączenie wyjść bramek
(inwerterów). obciążenia. z otwartym kolektorem.
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97 41
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
7490, 74L90, 74H90) majÄ… taki sam roz-
kład wyprowadzeń i różnią się w sumie
tylko poborem prądu i wielkością prądów
wejściowych i wyjściowych.
Rys. 26. Dozwolone
Oznaczenia układów TTL
łączenie wyjść bramek
z tej samej kostki.
Pierwsza cyfra oznaczenia wskazuje
na dopuszczalny zakres temperatur pra-
realizujemy przy okazji pożyteczne funk- pożądane byÅ‚yby kostki pobierajÄ…ce cy. I tak 7 to przedziaÅ‚ 0...+70°C, 6:
cje. Nie wolno natomiast Å‚Ä…czyć ze sobÄ… znacznie mniej prÄ…du. Gdzie indziej po- -40...+85°C, a 5: -55...+125°C.
wyjść typu  totem pole - gdy jedno wy- trzebne były kostki jeszcze szybsze. Ogromna większość kostek ma oczy-
jście ma stan wysoki, a inne niski, wtedy Jeszcze gdzie indziej, w warunkach du- wiście najwęższy zakres pracy i pierwszą
między nimi płynie znaczny prąd. Prąd żych zakłóceń przemysłowych, potrzeb- cyfrę 7. Rzadko, ale spotyka się kostki do
ten nie tylko zwiększa straty - przy połą- ne były kostki z dużo większym margine- zastosowań przemysłowych z pierwszą
czeniu kilku bramek może to doprowa- sem zakłóceń. cyfrą 6, na przykład 6400, czy 64LS90.
dzić do uszkodzenia któregoś wyjścia. Pierwszym krokiem w realizacji tych Są to ścisłe odpowiedniki kostek 7400
Od tej reguły jest jeden wyjątek - dla potrzeb było wypuszczenie układów serii i 74LS90, z tym, że mogą pracować
zwiększenia wydajności prądowej wy- 74L. Litera L pochodzi od Low Power - w szerszym zakresie temperatur. Nato-
jścia, można łączyć kilka bramek  równo- mała moc. Układ wewnętrzny był taki miast amator w zasadzie nie ma szans
legle , ale tylko wtedy, gdy są to bramki sam, jak standardowych kostek rodziny spotkać kostek serii militarnej z pierwszą
rysu-
(inwertery) z tej samej kostki - patrz rysu- 74 (patrz rys. 15), dziesięciokrotnie cyfrą 5, np. 5400, czy 54LS90.
rysu-
rysu-
rysu-
nek 26
nek 26
nek 26
nek 26
nek 26. Przy  równoległym łączeniu bra- zwiększono tylko wartości wewnętr- Druga cyfra oznaczenia w układach
mek z różnych kostek zachodzi obawa, że znych rezystorów. Kostka pobierała dzie- logicznych z rodzin TTL to zawsze 4.
ich czasy opóz
nienia mogą być różne, co sięciokrotnie mniej prądu, mała dziesię- Dwie, czasem trzy, bardzo rzadko
spowoduje niejednoczesne przełączanie ciokrotnie mniejszy prąd wejściowy cztery, kolejne cyfry wskazują na typ
i niepotrzebny wzrost poboru prądu. w stanie niskim, ale była kilkakrotnie i funkcje układu. Nie ma tu jakiegoś pro-
Ponieważ często (zwłaszcza w techni- wolniejsza i miała małą wydajność prądo- stego klucza - z czasem każdy elektronik
ce komputerowej) kilka z
ródeł sygnału, wą wyjść - w stanie niskim 3,2mA, zapamiętuje popularniejsze kostki. Nie
czyli po prostu wyjść, dołączonych jest w wysokim 0,18mA (w serii standardo- ucz się na pamięć takich oznaczeń - od
do wspólnej szyny przesyłowej, opraco- wej 74 wartości wynosiły nominalnie od- tego są katalogi. Musisz tylko wiedzieć,
wano układy z tak zwanym wyjściem powiednio 30 i 1,8mA). Z tego widać, że że kostki o jednakowych ostatnich cyf-
trójstanowym. Schemat wewnętrzny wyjście bramki rodziny 74L mogło wy- rach oznaczenia mają taki sam układ
jest podobny do układu totem pole sterować tylko dwa wejścia standardo- wyprowadzeń, na przykład: 54121,
z tym, że dodano obwód sterujący pracą wej bramki 74. 64LS121, 64L121, 74C121, itd.
tranzystorów wyjściowych. W efekcie Wypuszczono też rodzinę 74H. Litera Wiesz już, że litery w środku oznacze-
oprócz stanu L i H, na wyjściu występuje H pochodzi od określenia High Speed - nia wskazują na rodzinę, czyli określają
tak zwany stan trzeci, oznaczany zwykle duża szybkość. W tej rodzinie zmniej- budowę wewnętrzną i technologię pro-
literą Z, w którym oba tranzystory wy- szono wewnętrzne rezystancje. Układy dukcji.
jściowe (T3 i T4 na rysunku 15) nie prze- tej rodziny (np. 74H00, 74H72, 74H93) Natomiast litery na początku oznacze-
wodzą. Wtedy dana bramka jest zupełnie były trochę szybsze od standardowych, nia wskazują tylko producenta i często
odcięta od wspólnej szyny. W kostkach pobierały dwukrotnie więcej prądu, przy określaniu kostki są pomijane. Jeśli
z takim trzystanowym wyjściem zawsze a i prąd wejściowy w stanie niskim był w spisie elementów podano, że w ukła-
występuje dodatkowe wejście sterujące dwukrotnie większy. Wydajność wyjść dzie masz zastosować kostkę LS14, to
- wejście zezwalające, oznaczane OE była zbliżona do bramek standardowych. bez obawy możesz użyć kostek z dowol-
(Output Enable). Wyjście trójstanowe Znacznie większą szybkość, około nymi literkami na początku, np.:
(ang. tristate) oznaczane jest w literatu- trzykrotnie większą od standardowych, MM74LS14, UCY74LS14, CD74LS14,
rze skrótem TS. przy poborze prądu takim jak bramki ro- GD74LS14, itp.
Masz już komplet wiadomości o stan- dziny 74H, miały bramki rodziny 74S (np. Często oznaczenie ma jeszcze literę
dardowych bramkach TTL i trochę waż- 74S00, 74S112). Litera S pochodzi od na- lub litery na końcu, np.: UCY64H74J,
nych informacji dodatkowych. Materiału zwiska Schottky (czytaj - szotki). W kon- UCY74S00N, SN74LS27D. Ostatnia lite-
tego nie musisz zapamiętywać, ale powi- strukcji układów tej rodziny zastosowano ra(y) oznacza zwykle typ obudowy. Litera
nieneś go dobrze rozumieć. Wszystko to w tranzystorach złącza Schottky ego. N wskazuje za zwykłą, typową obudowę
jest ci potrzebne, żebyś dobrze zrozumiał Szczegóły nie są najważniejsze - dzięki plastikową typu DIL, litera J - obudowę
działanie i właściwości kostek stosowa- tym złączom tranzystory nie wchodziły ceramiczną, o lepszych właściwościach
nych obecnie. głęboko w stan nasycenia i w efekcie by- cieplnych, litera D - miniaturową obudo-
ły znacznie szybsze od zwykłych tranzys- wę do montażu powierzchniowego.
Inne rodziny
torów. Kostki te miały prądy wejściowe W sumie z całego oznaczenia dla prak-
Kostki standardu TTL, z czołowym i wyjściowe zbliżone do kostek rodziny tyka znaczenie mają przede wszystkim li-
przedstawicielem 7400, były w swoim 74H. tery między cyframi i ostatnie cyfry ozna-
czasie rewelacjÄ…. Pojedyncza bramka za- DziÅ› wszystkie kostki z rodzin 74, czenia. Dlatego powszechnie zamiast pi-
silana napięciem 5V pobierała tylko kilka 74L, 74H i 74S są dinozaurami i według sać: UCY74LS90N, podaje się krótko
miliamperów prądu i była szybka - czas mojej wiedzy nikt już ich nie produkuje. LS90, zamiast CD74123 pisze się 123,
propagacji, czyli opóz
nienia między we- Opowiedziałem ci o nich, bo zapewne zamiast MM74S112 pisze się S112, itd.
jściem a wyjściem, wynosił około 10ns. natkniesz się na nie przy rozbiórce stare- Szczegóły na temat możliwości zamia-
Wkrótce okazało się, że te parametry go sprzętu. Powinieneś więc wiedzieć, ny kostek z różnych rodzin podam ci tro-
wcale się są rewelacyjne. Nie wszędzie że wszystkie kostki o tym samym nume- chę póz
niej.
potrzebne były tak szybkie układy, a za to rze, pochodzące z różnych rodzin (np.
Piotr Górecki
Piotr Górecki
Piotr Górecki
Piotr Górecki
Piotr Górecki
42 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor). Pojawiły się układy logiczne
zbudowane z wykorzystaniem tranzysto-
rów polowych MOSFET z kanałem N
i układy z MOSFETami z kanałem P. Nie
przyjęły się jednak na rynku.
Z upływem czasu opanowano techno-
logiÄ™ wykonywania w jednej kostce za-
równo tranzystorów komplementarnych:
p-MOS i n-MOS, czyli technologiÄ™ CMOS
(Complementary MOS).
Szybko okazało się, że układy scalone
zbudowane w technologii CMOS majÄ…
niezaprzeczalne zalety. Najważniejszą
jest fakt, że w stanie spoczynku prakty-
cznie nie pobierajÄ… prÄ…du ze z
ródła zasila-
nia, oraz ze wejścia też nie wymagają
przepływu prądu.
Nieco uproszczony schemat wewnęt-
rzny bramki NAND w wersji CMOS poka-
rysunku 27
zany jest na rysunku 27
rysunku 27. Dla niewtajem-
rysunku 27
rysunku 27
rysunek 28
niczonych przygotowałem rysunek 28
rysunek 28
rysunek 28
rysunek 28
ilustrujący działanie tranzystorów
MOSFET z kanałem N i kanałem P. Tran-
zystory te przypominajÄ… nieco komple-
mentarne tranzystory NPN i PNP, ale ste-
rowane są napięciowo, to znaczy w ob-
wodzie bramki nie płynie prąd.
Jasne jest, że w bramce wykonanej
technologią CMOS, gdy napięcie we-
jściowe jest równe potencjałowi masy al-
bo potencjałowi zasilania, jedne tranzys-
tory są otwarte, inne zamknięte. Prąd ze
z
ródła zasilania nie płynie. Natomiast
przy zmianie stanu na wejściu(ach), tran-
CMOS zystory włączają i wyłączają się płynnie,
a więc przez czas gdy napięcie ma po-
Układy TTL rodzin 74, 74L, 74H i 74S
średnią wartość, przewodzą zarówno
wykonane były ze  zwykłych , czyli bi-
ry-
tranzystory z kanałem N, jak i P. Na ry-
ry-
ry-
ry-
polarnych tranzystorów.
sunku 29 zobaczysz nieco uproszczonÄ…
sunku 29
sunku 29
sunku 29
sunku 29
Równocześnie podjęto próby wyko-
charakterystykę przejściową bramki in-
rzystania do budowy układów cyfrowych
wertera CMOS, przy czym dodatkowo
tranzystorów unipolarnych z izolowaną
zaznaczyłem tu pobór prądu zasilania
bramką, czyli tranzystorów MOSFET
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97 43
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
rośności, a kostki CMOS pakowane są złącza. Prąd taki popłynie jedynie wtedy,
bÄ…dz
w przewodzÄ…cÄ… gÄ…bkÄ™, bÄ…dz
w an- gdy napięcie na koncówce wejściowej
tystatyczne, czyli też trochę przewodzą- będzie większe niż dodatnie napięcie za-
ce plastikowe szyny, zwane potocznie silające, albo mniejsze niż ujemne napię-
rysunek 31
laskami. cie zasilajÄ…ce. Pokazuje to rysunek 31
rysunek 31.
rysunek 31
rysunek 31
Klasyczny obwód zabezpieczenia we- Przeanalizuj dokładnie ten schemat. Cza-
ry-
jścia kostki CMOS pokazany jest na ry- sami się zdarza, że napięcie na wejściu
ry-
ry-
ry-
sunku 30
sunku 30
sunku 30. Rezystor ogranicza prąd, a na- kostki CMOS jest większe, niż napięcie
sunku 30
sunku 30
pięcie na bramce nie może zanadto zasilające tę kostkę. Wtedy prąd płynie
wzrosnąć, bo prąd popłynie przez jedną przez diodę zabezpieczającą do... z
ródła
z diod do którejś z szyn zasilających. Za- zasilania. Czy jest to groz
ne? W sumie
bezpieczenie jest 100-procentowo sku- nie, o ile tylko nie zostanie przekroczony
teczne, gdy obie szyny zasilające są ze dopuszczalny prąd wejściowy (w prakty-
sobą zwarte, albo przynajmniej połączo- ce przyjmuje się dopuszczalną wartość
w zależności od napięcia wejściowego. ne rezystorem o niewielkiej wartości, równą 10mA). Przy takich prądach we-
W praktyce zmiany stanów logicznych są bądz
kondensatorem. W praktyce przy jściowych zjawisko latch-up w obecnie
bardzo szybkie, więc układy CMOS po- montażu układów CMOS na płytce dru- produkowanych układach scalonych na
bierajÄ… ze z
ródła zasilania krótkie, szpilko- kowanej, zalecano wlutowanie na począ- pewno nie wystąpi i naprawdę nie trzeba
we impulsy prądu w momencie przełą- tek wszystkich kondensatorów odsprzę- się go obawiać.
czania. W sumie pobór prądu przez ukła- gających zasilanie, a potem przy lutowa- Ale istnienie obwodu zabezpieczają-
dy CMOS zależy od częstotliwości prze- niu kostki, lutowanie w pierwszej kolej- cego (rys. 30) miewa jeszcze inne kon-
łączania (a także od wspomnianej wcześ- ności nóżek zasilania. Dziś prawie nikt sekwencje praktyczne.
niej szkodliwej pojemności obciążenie - nie przestrzega zalecanych środków ost- Mianowicie początkującym  cyfrow-
por. rys. 24). rożności i lutowane układy jakoś nie ule- com czasem zdarza się sytuacja, której
Widzimy tu ogromne zalety układów gają uszkodzeniu. Ja osobiście nie jes- nie potrafią wyjaśnić. Wygląda na to, że
CMOS: tem przewrażliwony na tym punkcie, ale w układzie w cudowny sposób pojawia
1.w spoczynku prąd zasilający jest rów- jeśli ktoś chce przestrzegać zalecanych się napięcie zasilające. Sytuacja pokaza-
ny zeru - rośnie on liniowo ze wzros- środków ostrożności - na pewno na tym na jest na rysunku 31. Rysunek 31a po-
tem częstotliwości przełączania. nie straci. Nie zaszkodzi na przykład uzie- kazuje ten zadziwiający efekt. Rysunek
2.wejścia układów CMOS sterowane są mienie stanowiska pracy, grota lutowni- 31b wyjaśnia sprawę: prąd płynie przez
napięciowo i nie wymagają przepływu cy czy posługiwanie się zalecanym przez jedno z wejść, przez diodę zabezpiecza-
prÄ…du. MacGyvera arkuszem czarnej gÄ…bki prze- jÄ…cÄ… do dodatniej szyny zasilania i Å‚aduje
Niestety, pierwsze układy CMOS mia- wodzącej. Ale nie należy tu przesadzać, kondensatory filtrujące napięcie. Wszyst-
ły liczne wady. Pomimo tych wad, zalety no chyba, że montuje się wyjątkowo ko to jest możliwe, bowiem pobór prądu
przeważyły i układy CMOS bardzo szy- kosztowne układy - wtedy ostrożności przez układy CMOS jest niewielki i do za-
bko stały się popularne. i uziemiania nigdy za dużo. silania układu wystarczy niewielki prąd
Najważniejszą wadą pierwszych ce- Drugą wadą pierwszych cemosów by- płynący przez jedno z wejść.
mosów była wielka podatność na uszko- ło występowanie zjawiska zatrzaskiwa- Czy taki sposób zasilania wykorzystu-
dzenia przez ładunki statyczne. Związane nia -w literaturze określa się to mianem je się w praktyce? Raczej nie, ale o zja-
to było z bardzo cienką warstwą izolacyj- latch-up. Rzecz w tym, że w układzie wisku trzeba wiedzieć. Może ono bo-
ną między bramką, a kanałem tranzysto- scalonym oprócz elementów pożąda- wiem być bardzo niepożądane. Przykła-
rów MOSFET. Warstewka ta łatwo ule- nych, zaznaczonych na schemacie, za- dowo, ktoś chciałby zmniejszyć pobór
gała nieodwracalnemu przebiciu pod wsze występują dodatkowe struktury prądu jakiegoś rozbudowanego syste-
wpływem wysokiego napięcia. Takie wy- i złącza. Związane to jest z procesem wy- mu, zasilanego z baterii lub akumulato-
sokie napięcia występują powszechnie twarzania wielu elementów w jednym rów. Postanawia więc odłączyć zasilane
wokół nas. Doświadczamy tego, niekie- płatku krzemu. W pewnych warunkach części układu. I co? Pomimo przerwania
dy nawet boleśnie, gdy nasze ubranie te dodatkowe struktury zachowywały się obwodu zasilania, wskutek omawianego
naelektryzuje się i podczas jego zdejmo- jak tyrystor i raz wyzwolone zaczynały zjawiska płynie znaczny prąd przez wy-
wania, czy też przy dotknięciu klamki przewodzić prąd. Aby przywrócić normal- jścia układów współpracujących z  wyłą-
wręcz przeskakują iskry. Co prawda zgro- ną pracę, należało wtedy na chwilę wyłą- czoną częścią urządzenia.
madzony ładunek elektryczny jest nie- czyć zasilanie. Obecnie często współpracują ze sobą
wielki, ale napięcie sięga kilku tysięcy Wyzwolenie wspomnianego pasożyt- dwa systemy cyfrowe, zasilane napięcie-
woltów. Takie ładunki, zwane statyczny- niczego  tyrystora następuje podczas mi o różnej wartości. A
atwo się domyślić
mi były zmorą użytkowników pierwszych przepływu nadmiernego prądu w obwo- (porównaj rysunek 31b), że z wyjść ukła-
cemosów. Wystarczyło dotknąć palcem dach wejść. Właśnie między innymi dla- du zasilanego wyższym napięciem będą
wyprowadzeń kostki, i można ją było wy- tego w katalogach układów CMOS poda- płynąć prądy przez wejścia układów zasi-
rzucić do kosza. W tamtych czasach przy je się maksymalny prąd wejściowy (rzę- lanych niższym napięciem.
montażu i uruchomianiu układów zawie- du 10...20mA). Co zrobić? Przewidując nietypowe za-
rających kostki CMOS stosowano szereg Ale o jaki prąd tu chodzi, przecież we- stosowania, producenci układów CMOS
zabezpieczeń, takich jak uziemianie całe- jścia cemosów mają wcale nie pobierać zaprojektowali dwie kostki, które mają in-
go stanowiska i metalowego blatu stołu, prądu? Na rysunku 30 pokazałem ci ob- ny obwód zabezpieczenia wejścia. Ob-
rysunku 32
a także uziemienie człowieka za pomocą wód zabezpieczenia wejścia. W rzeczy- wód ten pokazany jest na rysunku 32
rysunku 32.
rysunku 32
rysunku 32
przewodzącej bransolety na rękę. wistości układ zastępczy jest bardziej Tym razem nie ma diody dołączonej do
Z czasem wprowadzono skuteczne skomplikowany i oprócz pokazanych dodatniej szyny zasilania i nie wystąpi
zabezpieczenia wejść. Ale i dziś w każ- diod, w obwodach wejść występują jesz- przepływ prądu do tej szyny. Szczegóły
dym katalogu można znalez
ć zalecenia cze inne złącza. Jeśli mówimy o prądzie podam ci przy omawianiu bramek rodzi-
zachowania daleko idących środków ost- wejścia, chodzi o prąd, płynący przez te ny CMOS4000.
44 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Ale najprostszym, często stosowa- zasilania (lub niższego niż potencjał ma- dwadzieścia lat rozwinęła się i do dziś
nym sposobem uniknięcia niespodzianek sy), napięcie na tym wyjściu nie będzie jest obecna na rynku. Kostki ECL są naj-
jest włączenie na wejściu układu CMOS większe od napięcia zasilającego o spa- szybsze z powszechnie dostępnych. Ich
dodatkowego rezystora szeregowego Rs dek napięcia na diodzie, czyli o około czasy opóz
nienia są rzędu nawet poniżej
o rezystancji nie większej niż 10kW - 0,7V (niższe o 0,7V od potencjału masy). 1 nanosekundy, a więc układy te mogą
patrz rysunek 23a. Rezystor ten nie po- Krótko mówiąc, na wyjścia nie wolno pracować przy częstotliwościach powy-
winien mieć jednak wartości dużo więk- podawać napięć (nawet krótkotrwałych żej 1GHz. Kostki te praktycznie nie są
szej, niż 10kW, bowiem należy pamiętać, przepięć) wykraczających poza napięcie używane przez amatorów.
że wejście każdego układu CMOS ma zasilania - w skrajnym przypadku może
Dalszy rozwój standardu
pewną pojemność, którą trzeba przeła- to dorpowadzić do wystąpienia zjawiska
74
dować przy zmianie stanu logicznego. zatrzaskiwania (latch-up).
Pojemność ta jest rzędu 5...10pF. Po- Nastraszyłem cię tutaj możliwością
Rozwój grupy TTL, wywodzącej się od
wstały obwód Rs C opóz
ni więc sygnał, uszkodzenia, zjawiskiem zatrzaskiwania
rodziny 74, poszedł w dwóch kierun-
a przy bardzo dużej wartości Rs może na- i dziwnymi drogami prądu w kostkach
kach. Jeden kierunek to poprawa szyb-
wet doprowadzić do szkodliwych drgań, CMOS. Przykro mi - jeśli chcesz być dob-
kości i zmniejszanie mocy pobieranej
rysunku ?
pokazanych na rysunku ? rym elektronikiem musisz dobrze rozu-
rysunku ?
rysunku ?
rysunku ?.
przez układy zawierające  zwykłe , czyli
Z dotychczas podanych informacji wy- mieć te sprawy, by nie popełnić błędów.
bipolarne tranzystory. Tu niepodzielnie
nika jasno, że wejścia wszystkich kostek
zakrólowały tranzystory ze złączem
Rodziny układów CMOS
CMOS mają zupełnie inne właściwości,
Schottky ego. Pojawiła się rodzina 74LS
niż wejścia układów bipolarnych TTL. Jak ci wspomniałem, rozkład wypro-
(Low-power Schottky). Przy szybkości ta-
Tłumaczyłem ci, że pozostawienie wejść wadzeń rodziny 74 szybko stał się nie-
kiej jak standardowe kostki 74, układy
TTL niepodłączonych, jest równoznaczne kwestionowanym standardem. Nie zdzi-
74LS pobierają dziesięciokrotnie mniej
z podaniem stanu wysokiego. Wynika to wi cię wiec informacja, że po opanowa-
mocy i mają dziesięciokrotnie mniejsze
z przyjętego rozwiązania układowego. niu technologii CMOS pojawiła się rodzi-
prądy wejściowe w stanie niskim. Kostki
A jak to jest z wejściami kostek na 74C obejmująca odpowiedniki kostek
tej rodziny sÄ… bardzo popularne do dziÅ›.
CMOS? 74 wykonane w technologii CMOS -
Pojawiła się rodzina 74F, która jest
Czy potrafisz samodzielnie odpowie- można je było poznać po literce
nieco szybsza od rodziny 74S, ale pobie-
dzieć na to pytanie? C w oznaczeniu (74C00, 74C90). Wyda-
ra dużo mniej prądu. Obecnie kostki te
Otóż wejść układów logicznych wało się, że standardowi TTL wywodzą-
używane są w urządzeniach pracujących
CMOS nie wolno pozostawiać niepodłą- cego się od rodziny 74 nic nie zagrozi.
przy częstotliwości ponad 100MHz.
czonych. W układach bipolarnych TTL Tymczasem przed ponad dwudziestu
Drugi kierunek rozwoju, to wykorzys-
w zasadzie można pozostawić niepodłą- laty firma RCA wprowadziła na rynek zu-
tanie zalet technologii CMOS. Choć ro-
czone wejścia, ale nie zaleca się tego, ze pełnie inną rodzinę zwaną CMOS 4000.
dzina 74C nie zagościła dłużej na rynku,
względu na ewentualne indukowane W kostkach tej rodziny układ wyprowa-
szybko powstały rodziny HC i HCT.
z zewnątrz zakłócenia. Natomiast nie dzeń był inny, niż w kostkach serii 74. Za-
Określenie HC(T) pochodzi od High-spe-
sposób przewidzieć, jaki stan pojawi się proponowano po prostu nowy standard.
ed CMOS (TTL). Tu doszliśmy do ważne-
na niepodłączonym wejściu kostki Obecnie mamy więc następującą sy-
go momentu rozważań.
CMOS. Praktycznie nie płyną tam żadne tuację: na rynku występują generalnie
Czy domyślisz się sam, czym różnią
prÄ…dy (prÄ…d wsteczny diod zabezpieczajÄ…- dwie wielkie grupy. Jedna to kostki wy-
siÄ™ kostki HC i HCT?
cych można pominąć). Oporność we- wodzące się ze standardowej rodziny 74
Jest to ważna sprawa praktyczna, dla-
jściowa jest bardzo duża i napięcie na po- (mające ogólnie rzecz biorąc, jednakowy
tego musimy sięgnąć do korzeni.
jemności wejściowej może się zmieniać układ wyprowadzeń). Początkowo
Nieprzypadkowo tłumaczyłem ci
pod wpływem zakłóceń. Często niepod- wszystkie kostki wywodzace się od serii
wcześniej, że wszystko zaczęło się od
łączona nóżka wejścia działa jak antena, 74 były zasilane napięciem 5Vą0,5V
tak zwanej serii standardowej o oznacze-
zakłocenia powodują zmiany napięcia i wykonane były w technologii bipolar-
niu 74. Przyjęte wówczas rozwiązanie
wejściowego i na wyjściu pojawia się nej. Obecnie spotyka się spokrewnione
układowe narzuciło na wiele lat pewien
przypadkowy przebieg zmienny, nierza- rodziny wykonane w technologii CMOS,
standard. Nie chodzi tu o rozkład wypro-
dko o częstotliwości sieci 50Hz. Takie mogące pracować w zakresie od 2...6V,
wadzeń, tylko o parametry wejścia (i nie-
niekontrolowane zmiany napięcia we- a nawet przy napięciu zasilającym 1V.
które parametry wyjścia). Zarówno
jściowego i drgania zwiększają pobór Druga duża grupa to kostki CMOS
w układach serii standardowej, jak i w bi-
prądu zasilania (porównaj rysunek ?). 4000. Kostki grupy CMOS4000 tworzą
polarnych rodzinach pochodnych (74L,
Dlatego zapamiętaj raz na zawsze: nie jedną rodzinę - nie ma tu różnych rodzin,
74H, 74S, 74LS, 74F, 74AS), próg przełą-
wolno pozostawiać niewykorzystanych na przykład LS, H, C, itp.
czania był na poziomie około 1,5V, a do-
wejść typowych układów logicznych Wszystkie kostki CMOS rodziny 4000
zwolone poziomy logiczne były takie sa-
CMOS  wiszących w powietrzu . Za- mogą być zasilane dowolnym napięciem
me: L=0...0,8V, H=2,0...5,5V. Analogicz-
wsze należy je łączyć albo do masy, albo z zakresu 3...18V
nie wydajność prądowa wyjść w stanie
do plusa zasilania - bezpośrednio lub
wysokim była kilkakrotnie mniejsza, niż
ECL
przez rezystor 0...100kW.
w stanie niskim. Choć w póz
niejszych
Tę zasadę mocno wbij sobie do gło- Przed laty produkowano też kilka in-
rodzinach można już było zastosować (i
nych rodzin układów logicznych, między
wy.
stosowano) zupełnie inne rozwiązania
innymi w technologii MOS. Ze względu
Teraz parę słów o wyjściach CMOS.
układowe, nadal trzymano się standardu,
W rzeczywistości w obwodach wyjścio- na liczne wady nie zdobyły one popular-
w którym w stanie niskim z wejść wy-
ności i nawet nie warto o nich wspomi-
wych, oprócz tranzystorów, występują
pływa prąd, a pozostawienie wejść  w
nać.
dodatkowe złącza - diody, pokazane na
powietrzu jest traktowane jako stan wy-
WyjÄ…tkiem jest oparta na tranzysto-
rysunku 34
rysunku 34
rysunku 34
rysunku 34
rysunku 34. To pokazuje, że nawet przy
soki. Trzymanie siÄ™ tych zasad nie wyni-
próbie podania z zewnątrz na wyjście na- rach bipolarnych rodzina ECL (Emiter
kało już z ograniczeń technologii, a jedy-
Coupled Logic), która przez minione
pięcia większego niż dodatnie napięcie
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97 45
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
nie z potrzeby zapewnienia pełnej wy- prądowe wyjść są takie same w stanie
mienności nowych i starych serii. To są wysokim i niskim (w praktyce wydajność
właśnie te zaszłości, które ciągną się ta wynosi kilkadziesiąt mA).
przez dziesięciolecia. Może zapytasz, po co tak duży prąd
Jeszcze raz ci powtarzam - próg prze- wyjściowy, jeśli następne wejścia wcale
Å‚Ä…czania, dozwolone poziomy logiczne, nie pobierajÄ… prÄ…du? Kostki 74HC
traktowanie niepodłączonych wejść i kie- i 74HCT są szybkie, mogą pracować przy
runek prądu wejściowego w stanie nis- częstotliwościach do 40...60MHz i duża
kim we wszystkich rodzinach zbudowa- wydajność prądowa pomaga szybko
nych z tranzystorów bipolarnych są takie przeładować pasożytnicze pojemności
same. pokazane na rysunkach 24 i 33b.
I oto weszła zupełnie inna technologia Opracowano także jeszcze szybsze
- CMOS. Przy sterowaniu napięciowym, rodziny CMOS, stanowiące konkurencję
gdy podczas pracy nie płynęły prądy we- dla bipolarnej rodziny 74F. Kostki rodzin
jściowe, aż się prosiło odejść od utartych 74AC, 74ACT (Advanced CMOS), 74ABT
standardów. Dotyczyło to przede wszys- (Advanced BiCMOS - technologia mie-
tkim progu przełączania, przyjętych po- szana, wykorzystująca w jednej kostce
ziomów logicznych i wynikających z tego tranzystory bipolarne i MOSFET) mogą
małych marginesów zakłóceń. Jeśli dwa pracować przy częstotliwościach znacz-
tranzystory wejściowe (patrz rysunek 27) nie powyżej 100MHz. Podobnie, jak
mają jednakowe parametry, wtedy próg w przypadku 74HC, rodzina 74AC ma za-
przełączania bramki będzie odpowiadał kres napięć zasilania 2...6V i próg przeła-
połowie napięcia zasilającego. Oczywiś- czania na poziomie połowy napięcia zasi-
cie zwiększy to marginesy zakłoceń i po- lającego. Rodzina 74ACT, analogicznie
prawi odporność na zakłócenia. Wyda- jak 74HCT, reklamowana jest jako ścisły
wało się, że przeniesienie progu przełą- zamiennik bipolarnych kostek TTL.
czania z 1,5V na połowę napięcia zasilają- To nie koniec rozwoju kostek 74.
cego (2,5V) jest nieuniknione i oczywis- Obecnie większość szybkich mikropro-
te. cesorów i pamięci zasilana jest napię-
Ale konstruktorzy przyzwyczaili się ciem rzędu 3V. Przed kilku laty wypusz-
przez lata do pierwotnego standardu. czono więc kilka nowych rodzin układów
Szczerze mówiąc, chyba głównie ze 74. Nie są to rodziny zbyt liczne, bowiem
względu na to przyzwyczajenie, produ- zawierają jedynie układy sprzegajace
cenci układów cyfrowych wprowadzili i sterujące, potrzebne do systemów
dwie niemal identyczne rodziny CMOS: komputerowych. Niektóre z tych kostek
74HC i 74HCT. Rodzina 74HC ma próg mogą być zasilane napięciem rzędu
przełączania na poziomie 50% napięcia 1...1,3V. A oto niektóre nowe rodziny:
zasilającego, i (zapamiętaj to!) może być 74LV, 74LVC, 74LVT, 74HLL, 74ALVC,
zasilana napięciem od 2...6V. 74LCX. Tego typu kostki zasadniczo nie
Natomiast rodzina 74HCT jest rekla- leżą w zakresie zainteresowań amato-
mowana jako ścisły odpowiednik ukła- rów. Przyczyna jest prozaiczna: niektóre
dów bipolarnych standardu TTL. z nich nie są produkowane w obudo-
W związku z tym zakres napięć zasilania wach DIL, a tylko w maleńkich obudo-
ograniczono do 4,5...5,5V, a próg przełą- wach przeznaczonych do montażu po-
czania wynosi, tak tak jak we wszystkich wierzchniowego.
kostkach bipolarnych TTL - około 1,5V.
Osiągnięto to różnicując budowę we-
jściowych tranzystorów z kanałem P i N.
Ale na tym podobieństwa się kończą.
Na wejściu nie wbudowano rezystora
podciągającego, więc wejście sterowa-
ne jest napięciowo, i nie płyną tam żadne
prądy. Jak ci tłumaczyłem, wejście pozo-
stawione  w powietrzu przyjmuje jakiÅ›
przypadkowy stan, zależny od prądów
upływu wbudowanych diod zabezpiecza-
jÄ…cych oraz od Å‚adunku zgromadzonego
na pojemności wejściowej bramki.
Jeszcze raz ci przypomnę, że w prze-
ciwieństwie do bipolarnych układów
TTL, we wszystkich kostkach CMOS nie
wolno pozostawiać niepodłączonych
wejść - trzeba je połączyć z masą albo
plusem zasilania.
Układy rodziny 74HCT (tak samo jak
74HC) majÄ… symetryczne charakterystyki
wyjściowe. To znaczy, że wydajności
46 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97