Логические элементы изнутри. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Начинающему радиолюбителю

 Комментарии к статье

Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры, счетчики, элементы арифметических устройств (выполняющие различные математические операции) и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровое устройство, выполненный на базе микросхем данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ). резистивно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ), микросхемы на так называемых комплиментарных МДП структурах (КМДП). Элементы КМДП цифровых микросхем используют пары МДП-транзисторов (со структурой металл - диэлектрик-полупроводник) - с каналами p- и n-типов. Базовые элементы остальных типов выполнены на биполярных транзисторах.

В радиолюбительской практике наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ серии и КМДП. На (рис. 1) показана схема базового логического элемента И-НЕ ТТЛ. На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VТ1. Если на все его эмиттеры подать напряжения высокого уровня, то эмиттерный переход транзистора окажется закрытым. При этом ток. протекающий через резистор R1 и коллекторный переход транзистора VТ1, откроет транзистор VТ2.

Падение напряжения на резисторе R3 будет достаточным для открывания транзистора VТ5. Напряжение на коллекторе транзистора VТ2 таково, что транзистор VТ3 закрыт, соответственно закрыт и транзистор VТ4. В результате на выходе элемента появится напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0.

Если же хоть на один из входов элемента подать напряжение низкого уровня, то эмиттерный переход транзистора VТ1 откроется, а транзисторы VТ2 и VТ5 будут закрыты. Транзистор VТЗ откроется за счет тока, протекающего через резистор R2, войдет в режим насыщения. Соответственно откроется транзистор VТ4, и на выходе элемента появится напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Следовательно, рассмотренный элемент выполняет функцию И-НЕ.

В состав микросхем серий ТТЛ входит также логический элемент И-НЕ без коллекторной нагрузки в выходном каскаде. Это так называемый элемент И-НЕ с открытым коллектором. Он предназначен для работы на внешнюю нагрузку, в качестве которой могут быть использованы электромагнитные реле, индикаторные приборы и т. д., еще схемы с открытым коллектором применяются в шинах передачи данных в случаи когда две или более выходов подключены к одной физической линии рисунок 1.

Рис. 1

Напомним, что структура КМДП является идеальным переключателем напряжения. Такой переключатель содержит два МДП транзистора с каналами p- и n-типов. При подаче на вход переключателя напряжения высокого уровня открывается n-канальный транзистор и закрывается p-канальный. На рисунок 2 изображены схемы базовых элементов И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б) микросхем КМДП. Напряжение низкого уровня (логический 0) будет на выходе элемента И-НЕ только при одновременной подаче напряжений высокого уровня (логических 1) на все входы X1-ХЗ. Если напряжение хотя бы на одном из входов (например, X1) будет низкого уровня то закроется n-канальный транзистор VТ6, и откроется p-канальный транзистор VТ1, через канал которого выход элемента подключается к источнику питания.

Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Для реализации базового логического элемента ИЛИ-НЕ на КМДП структурах участки схемы, содержащие последовательно и параллельно включенные транзисторы, следует поменять местами рисунок 2,б.

Рис. 2 (нажмите для увеличения)

Микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5 В±10%. большая часть микросхем на КМДП структурах устойчиво работает при напряжении питания 3-15 В, некоторые - при напряжении 9 В±10%. Уровни логических 0 и 1 должны отличаться возможно больше. Различают пороговое логической 1 U1пор - наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логического 0 до уровня логической 1, а также пороговое напряжение логического 0 U0пор - наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логической 1 до уровня логического 0.

Прежде чем перейти к детальному рассмотрению наиболее распространенных серий микросхем и цифровых устройств на их базе, остановимся на основных параметрах логических элементов. К ним относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического 0 и логической 1, нагрузочная способность, помехоустойчивость и быстродействие, потребляемая мощность.

Для микросхем ТТЛ серий U1пор =2,4 В; U0пор =0,4 В. Напряжение низкого и высокого уровней на выходе микросхем ТТЛ U1вых>=2,4В, U1вых<=0,4В.

Для микросхем на КМДП структурах U1пор>0,7* Uпит, U0пор>0,3* Uпит то же время отклонения выходных напряжений U0вых и U1вых от нулевого значения и напряжения источника питания соответственно достигают всего нескольких десятков милливольт. Способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется нагрузочной способностью.

Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность. В связи с этим в составе различных серий микросхем есть так называемые буферные элементы с нагрузочной способностью, в несколько раз большей, чем у основных элементов. Количественно нагрузочная способность оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы. В свою очередь единичной нагрузкой является вход основного логического элемента данной серии.

Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов серий ТТЛ серии к155 составляет 10, для микросхем серий к561 КМДП - до 100. Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических 0 и 1, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серий КМДП не менее 30% напряжения питания. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости.

Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т. е. максимальной частотой переключения триггера, выполненного на этих базовых элементах. Предельная рабочая частота микросхем ТТЛ серии к155 составляет 10 МГц. а микросхем серий к176 и к561 на КМДП структурах лишь 1 МГц. Быстродействие определяется так же, как среднее время задержки распространения сигнала.

Рис. 3

tзд.р.ср.=0,5(t1,0зд.р+t0,1зд.р), где t1,0зд.р и t0,1зд.р - времена задержки распространения сигнала при включении и выключении рисунок 3.

Среднее время задержки распространения сигнала является более универсальным параметром микросхем, так как, зная его. можно рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы суммированием tзд.р.ср для всех последовательно включенных микросхем. Для микросхем серии К155 tзд.р.ср составляет около 20 нс, а для микросхем серии К176 - 200 нс. Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях логического нуля (Р0) и логической единицы на выходе (Р1). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления Рср=(Р0+Р1)/2.

Статическая средняя мощность потребления базовых элементов серии К 155 составляет несколько десятков милливатт, а у элементов серий К176 и К561 она более чем в тысячу раз меньше. Следовательно, при необходимости построения цифровых устройств с малым током потреблен нем целесообразно использовать микросхемы на КМДП структурах. Однако следует учитывать, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Поэтому помимо Рср задается также мощность Рдин, измеряемая на максимальной частоте переключений.

Необходимо иметь в виду. что с повышением быстродействия мощность, потребляемая микросхемой увеличивается

Автор: -=GiG=-, gig@sibmail; Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Восприятие музыки зависит от цвета концертного зала 03.03.2026

Восприятие живой музыки традиционно связывают с слухом, однако на впечатления от концерта влияют и другие факторы, включая визуальное оформление и освещение. Вопрос о том, может ли цвет интерьера напрямую изменять то, как мы слышим звук, долго оставался открытым. Недавнее исследование ученых из Технического университета Берлина проливает свет на эту связь и демонстрирует, что визуальная среда способна влиять на субъективное восприятие музыки. Чтобы изучить эффект цвета, исследователи предложили участникам прослушать записи концерта в виртуальных залах, оформленных в красные, зеленые и синие оттенки. Цвета варьировались по яркости и насыщенности, что дало 12 различных вариантов оформления. Поскольку построить физические залы с таким разнообразием цветов было невозможно, использовалась технология виртуальной реальности. Звук воспроизводился через наушники с бинауральной технологией, адаптирующей звучание к движениям головы, что создавало ощущение реального присутствия в зале. Участ ...>>

Chrysalis: концепт межзвездного корабля для 400-летнего путешествия 03.03.2026

Межзвездные полеты остаются одной из самых амбициозных целей человечества. Международный научный проект Chrysalis предложил концепцию космического корабля, способного совершить 400-летнее путешествие с экипажем из 2400 человек. Победивший в конкурсе 2025 года дизайн демонстрирует не только инженерные решения, но и социальную архитектуру, рассчитанную на 16 поколений людей, живущих на борту. В основе концепции лежит вращательная конструкция длиной 58 километров. Такая масштабная система должна создать искусственную гравитацию, достаточную для нормального функционирования организма, без вызывающей дезориентацию центробежной нагрузки. Для стабилизации конструкции проект предусматривает несколько цилиндров, вращающихся в противоположных направлениях, что минимизирует колебания и вибрации. Сборка корабля планируется в точках Лагранжа - участках космоса, где можно минимизировать расход топлива. Движение корабля предполагается обеспечить прямым термоядерным двигателем на гелии-3 и дейте ...>>

Дети, растущие рядом с природой, обретают крепкие кости 02.03.2026

Влияние окружающей среды на здоровье человека становится все более очевидным, особенно в детском возрасте. Новое исследование, опубликованное в журнале JAMA Network Open, показывает, что близость к природе напрямую связана с крепостью костей у детей. Ученые установили, что у детей, чьи дома окружены природными территориями в радиусе 1000 метров на 25% больше обычного, риск развития крайне низкой плотности костей снижается на 65%. Для проведения исследования были проанализированы данные более 300 детей, проживающих в городских, пригородных и сельских районах Фландрии в Бельгии. Плотность костной ткани у детей в возрасте от четырех до шести лет оценивалась с помощью ультразвуковых методов. Такой подход позволил безопасно и точно измерить состояние костей на ранних этапах формирования скелета. При анализе учитывались ключевые факторы, влияющие на рост и развитие детей: возраст, вес, рост, этническая принадлежность и уровень образования матери. На основании этих параметров исследоват ...>>

Случайная новость из Архива Генерация электроэнергии с помощью выхлопных газов 09.02.2025 Двигатели внутреннего сгорания, которые используются в автомобилях, эффективно преобразуют в движение лишь около четверти энергии, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии теряется в виде тепла, которое выбрасывается в атмосферу через выхлопную систему. Однако, новое исследование, проведенное учеными, предлагает способ использования этого потерянного тепла для генерации электроэнергии. Это открытие может стать важным шагом на пути к созданию более эффективных и экологически чистых транспортных средств. Ученые разработали прототип термоэлектрического генератора, который способен преобразовывать тепло выхлопных газов в электрическую энергию. Это может способствовать снижению расхода топлива и уменьшению выбросов углекислого газа, что является важной задачей в условиях современного мира. Низкая топливная эффективность двигателей внутреннего сгорания является одной из причин выбросов парниковых газов, что подчеркивает необходимость разработки инновационных систем утилизации отработанного тепла. Термоэлектрические системы используют полупроводниковые материалы для преобразования тепла в электроэнергию, основываясь на разнице температур. Однако, большинство современных термоэлектрических устройств являются тяжелыми и сложными в использовании, поскольку требуют дополнительной системы водяного охлаждения для поддержания необходимой разницы температур. Команда исследователей, работавшая под руководством Вэньцзе Ли и Бэда Поудела, решила эту проблему. Они разработали компактную систему термоэлектрического генератора, которая эффективно преобразует отработанное тепло выхлопных газов высокоскоростных транспортных средств - таких, как автомобили, вертолеты и беспилотники - в электроэнергию. Новый термоэлектрический генератор содержит полупроводник из бисмут-теллурида и использует теплообменники (подобные тем, что применяются в кондиционерах) для захвата тепла из выхлопных труб транспортных средств. Кроме того, система оснащена радиатором, который регулирует температуру. Этот радиатор существенно увеличивает температурную разницу, что непосредственно влияет на электрическую мощность устройства. Прототип продемонстрировал выходную мощность 40 Вт - примерно столько нужно для питания обычной лампочки. Полученные результаты показывают: высокий поток воздуха, как в выхлопных трубах, повышает эффективность работы устройства и увеличивает выработку электроэнергии. Во время моделирования работы устройства в условиях высоких скоростей система продемонстрировала значительную гибкость. Она смогла генерировать до 56 Вт при скорости выхлопа, подобной автомобильной, и до 146 Вт при выхлопных потоках, характерных для вертолетов. Это эквивалентно 5 и 12 литий-ионным аккумуляторам формата 18650 соответственно. Данная система может быть интегрирована непосредственно в выхлопные трубы без необходимости в дополнительных системах охлаждения. Это делает ее более компактной и простой в использовании. Полученная электроэнергия может быть использована для питания бортовой электроники автомобиля, что позволит снизить нагрузку на генератор и уменьшить расход топлива. В дальнейшем исследователи планируют продолжить работу над усовершенствованием генератора и повышением его эффективности. Разработка термоэлектрического генератора, способного преобразовывать тепло выхлопных газов в электричество, является важным шагом на пути к созданию более экологически чистых и эффективных транспортных средств. Эта технология может не только снизить расход топлива и выбросы парниковых газов, но и открыть новые возможности для развития устойчивой энергетики. Дальнейшие исследования в этом направлении могут привести к созданию более мощных и компактных генераторов, которые будут широко использоваться в автомобильной промышленности и других отраслях.

Другие интересные новости:

▪ Водоблок Phanteks Glacier Radeon VII

▪ Яйца и помидоры для автозапчастей

▪ 50-мегапиксельный фотосенсор Samsung ISOCELL GN1

▪ Samsung выпустит мобильную память объемом 3 ГБ

▪ Заслон для грызунов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Искусство аудио. Подборка статей

▪ статья Марс. Сын Марса. Марсово поле. Крылатое выражение

▪ статья Какой язык юридически является официальным в США? Подробный ответ

▪ статья Заманиха высокая. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Радиоуправление. Справочник

▪ статья Схема, распиновка (распайка) кабеля Panasonic GD-70, GD-90. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026