Подключение логических схем и их эксплуатация

January 3, 2012 by admin Комментировать »

1.  Для минимизации чувствительности к помехам нужно, чтобы время нарастания и спада информационных импульсов было меньше 50 не. Применяйте триггеры Шмитта (ИС 7413 или 74НС13) в качестве устройства сопряжения, если сигналы имеют пологий фронт.

2.    Разумно работать в пределах нагрузочной способности логических схем, иначе логические уровни подходят слишком близко к области неопределенных значений. Особое внимание следует уделить линиям тактовых сигналов, которые нагружены большим числом логических схем. Здесь может быть полезна ИС 7437 (аналог 155ЛА12. — Примеч. перев.), содержащая буферные схемы И-НЕ; к этой ИС можно безболезненно подключать до 60 входов ТТЛШ-схем.

3.  Для надежной работы логической схемы и счетчика длительность информационных импульсов должна быть не менее 30 не.

4.  Максимальная длина проводов, подключенных к выходу триггера или счетчика, не должна превышать 400 мм (100 мм для схем 74АС). Задержанные импульсы, вызванные отражениями в более длинных соединениях, могут нарушить работу триггера. Строго говоря, этот критерий следует принять для выходов всех логических схем, хотя и с большей длиной соединений схемы работают удовлетворительно, если эти соединения проходят вблизи заземленных шасси (заземленной плоскости). Линии длиной 500 мм или больше следует проводить вместе с заземленным проводом скрученной парой или коаксиальным кабелем, но при этом ток источника сигнала должен быть достаточным для перезаряда емкости линии. Могут оказаться полезными резисторы на концах линии, позволяющие избежать отражений и, следовательно, многократного распространения импульса. Эксперименты с резисторами, имеющими сопротивления величиной 150 470 Ом и подключенными к земле (0 В) и к источнику питания Vcc, часто оказываются стоящими затраченного времени.

5.    Неиспользованные входы логических схем ИЛИ-НЕ следует включить параллельно с используемыми, или, если это вызывает проблемы с нагрузочной способностью, их можно соединить с землей.

6.    Неиспользованные входы логических схем И-НЕ следует включить параллельно с используемыми или подключить к источнику питания Vcc. Полезной предосторожностью является включение резистора с сопротивлением 1 кОм последовательно с одним из таких входов, подключаемых к Vcc. В случае, когда напряжение поднимается или источник питания дает бросок напряжения, резистор ограничивает входной ток пробоя безопасной величиной, и схема не разрушается. Эта мера предосторожности применяется также на входах установки и сброса триггеров и счетчиков. К одному резистору с сопротивлением 1 кОм можно подключить до 25 входов.

7.   Законченную схему следует электрически экранировать, помещая в металлическую коробку. Коробочки, сделанные литьем под давлением, удобны для небольших устройств, в то время как для более крупных логических устройств защитой может служить стальной или алюминиевый корпус измерительного прибора.

Источники питания

1. Напряжение источника питания для ТТЛ-схем фиксировано и равно 5 ± 0,25 В. КМОП-схемы 74НС и 74АС работают с напряжением питания в диапазоне от 2 до 6 В, но если они работают совместно с ТТЛ-схемами, то должны иметь напряжение питания 5 В. Полный размах пульсаций не должен превышать 5 %. Этим требованиям легко удовлетворить, применяя интегральные схемы стабилизаторов с фиксированным напряжением стабилизации, такие как L005, 7805 или LM309 (см. рис. 9.32). Помните, что нужно учитывать допустимый выходной ток стабилизатора, поскольку даже относительно небольшие логические системы могут потреблять ток в несколько сотен миллиампер. В качестве грубой оценки можно принять, что большинство простейших логических элементов с диодами Шотки потребляют ток от 2 до 3 мА на один корпус интегральной схемы, в то время как счетчики и регистры с диодами Шотки потребляют, как правило, 10—30 мА на корпус.

2.   Крутой подъем и спад логических сигналов требуют быстрого заряда и разряда паразитной емкости, что вызывает кратковременное повышение потребляемого от источника питания тока. Кроме того, присутствует незначительное «перекрытие проводимости» двух транзисторов в выходном каскаде, так что при смене логического уровня происходит дополнительное кратковременное возрастание потребляемого тока. Таким броскам тока нельзя позволить распространяться вдоль земляной шины или шины питания, поскольку возникающие помехи могут нарушить работу логического элемента где-нибудь в другом месте. Решение состоит в развязке источника питания 5 В на землю у каждого корпуса ИС с помощью керамического конденсатора емкостью 100 нФ, который обладает очень малым (реактивным) сопротивлением на высоких частотах. Источником зарядов при возрастании тока является, таким образом, местный развязывающий конденсатор, а не основная шина, идущая от источника питания. Чтобы нарушить регулярность цепочки развязывающих конденсаторов и не допустить возникновения в ней высокодобротного резонанса, распространенной практической мерой является включение электролитических конденсаторов емкостью 22 мкФ примерно через каждые 10 корпусов ИС.

Часто применяется многослойный печатный монтаж. Он предусматривает раздельные слои для шины Vcc и шины 0 В (земля) для достижения гарантированно малого сопротивления шины питания.

3.   Часто электрические помехи попадают через сетевой источник питания. Рекомендуется поставить собственный сетевой заграждающий фильтр и сетевые входы источника питания экранировать. Такие фильтры состоят из специальных индуктивностей с малой емкостью и керамических конденсаторов, что приводит к ослаблению порядка 30 дБ в частотном диапазон от 500 кГц до 100 МГц. Действующий в настоящее время строгий стандарт электромагнитной совместимости (ЭМС) делает необходимым применение сетевых фильтров в большинстве приборов.

Эмиттерно-связанная логика

Мы видели, что высокой скорости работы логических схем можно достичь, если не допускать насыщения переключающихся транзисторов, поскольку при работе в этом режиме восстановление происходит медленно из-за накопления заряда. В TTJI-схемах с диодами Шотки насыщения избегают путем «шунтирования» критических p-n-переходов быстродействующими диодами с малой разностью потенциалов при смещении в прямом направлении. Другим и даже более эффективным, но более энергоемким подходом является применение дифференциального усилителя с общим резистором в цепи эмиттера, где переключение представляет собой просто передачу тока из одного транзистора дифференциальной пары в другой. Благодаря включению на выходе дифференциального усилителя эмиттерных повторителей схема, в которой реализуется эта эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), обладает, кроме того, малым выходным сопротивлением, необходимым для формирования коротких импульсов на емкостной нагрузке. Эти схемы могут работать с тактовой частотой до 3 ГГц.

Логические матрицы

Многие схемы, рассмотренные в этой главе, были относительно простыми примерами применения логических схем самих по себе, но они показывают способ, как можно быстро построить сложную логическую систему. Читатель скоро обнаружит, что применение различных счетчиков, индикаторов, регистров, арифметических и логических блоков в экспериментах с измерительными и управляющими системами может привести к нескольким очень впечатляющим системам, построенным полностью из описанных базовых элементов.

Следующим этапом развития схем, описанным в гл. 14, является применение микроЭВМ с соответствующим программным обеспечением, которое, возможно неожиданно, приводит к большому упрощению в сложных логических системах. Однако всем системам с микроЭВМ необходима также разнообразная произвольная логика в дополнение к немногочисленным компонентам: микропроцессору, памяти и интерфейсным микросхемам. Диапазон этих разнообразных потребностей простирается от регистров данных и счетчиков до базовых схем И-НЕ и инверторов; иногда их называют «ТТЛ-склейки», поскольку их роль заключается в «удержании» вместе более сложных элементов.

Конструирование электронной аппаратуры для серийного производства ставит цель минимизировать число корпусов логических схем, таким образом, уменьшается стоимость как монтажа, так и тестирования. Поэтому выгодно собрать вместе «ТТЛ-склейки» в специализированной ИС, сократив число корпусов до 100 раз. Очевидно, что конкретное содержание такой специализированной ИС зависит от специфики схемы, так что, как правило, из-за разношерстности невозможно сделать их экономными, как стандартный компонент. Решение находится в применении полузаказных ИС (матричных больших интегральных схем — МБИС), которые представляют собой в значительной степени «наперед заданную» матрицу логических элементов общего назначения или комбинацию логических элементов (топологических ячеек — ТЯ). На конечной стадии разработки по требованию пользователя делается маска, устанавливающая взаимное соединение логических элементов или ячеек. Таким образом, разработчик схемы может иметь свою собственную микросхему, сконструированную и изготовленную на основе логической матрицы, за меньшую цену и быстрее, чем делать целиком специализированную интегральную микросхему.

Логические матрицы и матрицы ячеек обычно делаются на основе КМОП-технологии, а некоторые типы матриц позволяют даже включать элементы линейных схем. Разные производители выбирают свои собственные названия для таких микросхем, например ПЛМ (программируемая логическая матрица) или НЛМ (нескоммутированная логическая матрица).

Проектирование схем на основе МБИС легко осуществляется с помощью автоматизированных систем проектирования (Computer Aided Design, CAD), которые дают возможность нарисовать на экране схему устройства и проверить правильность ее функционирования до того, как список соединения логических элементов внутри кристалла передан производителю МБИС. С целью обеспечить логическую структуру и самосогласованность в проектируемой логической аппаратуре все шире используются специальные пакеты программного обеспечения, такие как VHDL. В отличие от традиционного конструирования схем с помощью макетирования, системы CAD позволяют целиком смоделировать систему на компьютере, так что в этом случае сразу все готово для производства кремниевого кристалла.

Программируемые логические устройства

Все больше и больше малые МБИС заменяются при применении в небольшом числе изделий на программируемые пользователем логические матрицы, известные как программируемые логические устройства или программируемые пользователем логические матрицы (ППЛМ).

ПЛМ (программируемые логические матрицы), являющиеся одним из вариантов этих схем, известны также как интегральные логические схемы с плавкими перемычками. Эти схемы, программируемые пользователем, выпускаются с готовыми соединениями между логическими элементами, выполненными в виде плавких перемычек из титановольфрамового сплава. Затем эти перемычки «пережигаются» по желанию пользователя (подобно программированию ПЗУ, описанному в следующей главе), и, таким образом, остаются только соединения, необходимые для решения поставленной задачи.

ППЛМ использует изощренную схему, посредством которой каждая плавкая перемычка связана с инвертором. Инвертор делает логический элемент реально доступным, когда перемычка разрушается (разрушенную перемычку называют антиперемычкой). В настоящее время один кристалл ППЛМ содержит до 20 ООО логических элементов и может работать с тактовой частотой, превышающей 100 МГц при применении КМОП-технологии с разрешением 0,5 мкм. Существуют стираемые программируемые логические схемы, со стиранием ультрафиолетовым излучением или электрическим током, которые полезны для небольшого количества макетов, но работают медленнее, чем ППЛМ.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты