Логические микросхемы
Логические микросхемы — это общее название для всех интегральных микросхем, реализующих логические операции. Они могут включать как микросхемы стандартной логики с логическими элементами, так и более сложные конструкции, такие как триггеры, счетчики, регистры, дешифраторы, сумматоры и другие компоненты цифровых систем.
Виды логических интегральных микросхем
Комбинационные логические микросхемы: Эти микросхемы выполняют операции, результат которых зависит только от текущих значений входных сигналов. Примером могут быть логические элементы, мультиплексоры, демультиплексоры, шифраторы, дешифраторы, сумматоры.
Последовательностные логические микросхемы: Эти микросхемы используют информацию о предыдущих состояниях (например, элементы памяти) для определения текущего состояния. Примером могут быть триггеры, регистры, счётчики, микросхемы с памятью и т. д.
В номенклатуре распространенных серий микросхем стандартной логики можно встретить:
Логические элементы
Логическая микросхема в DIP-корпусе
Одни из самых распространенных логических интегральных микросхем. Микросхемы могут содержать несколько логических элементов (вентилей) чаще всего одного типа (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ...). Эти элементы принимают входные сигналы и генерируют выходные на основе логических операций соответствующих их типу. Такие микросхемы позволяют создавать комбинации логических операций для реализации самых различных функций.
Примеры микросхем со стандартными логическими элементами:
Элемент "И" (AND)
Выходной сигнал равен единице только тогда, когда все входы равны единице. Например, если есть два входа A и B, то выходной сигнал будет равен 1 только в том случае, если оба входа равны 1.
Примеры микросхем с логическими элементами "И"
Элемент "ИЛИ" (OR)
Выходной сигнал равен единице, если хотя бы один из входов равен единице. Если оба входа равны нулю, то и выходной сигнал также будет нулевым.
Примеры микросхем с логическими элементами "ИЛИ"
Инвертор (NOT)
Инвертирует входной сигнал: если на входе единица, то на выходе ноль, и наоборот.
Примеры микросхем с логическими элементами "НЕ"
Элемент "И-НЕ" (NAND)
Это элемент "И", дополненный инвертированием. Выходной сигнал равен нулю только тогда, когда все входы равны единице; во всех остальных случаях он равен единице.
Примеры микросхем с логическими элементами "И-НЕ"
Элемент "ИЛИ-НЕ" (NOR)
Это элемент "ИЛИ", дополненный инвертированием. Выходной сигнал равен единице только тогда, когда все входы равны нулю; во всех остальных случаях он равен нулю.
Примеры микросхем с логическими элементами "ИЛИ-НЕ"
Элемент "Исключающее ИЛИ" (XOR)
Этот элемент выполняет операцию, которая называется исключающим сложением. Его выходной сигнал равен единице, если ровно один из его входов равен единице. Если же оба входа равны либо единицам, либо нулям, то выходной сигнал будет равен нулю.
Примеры микросхем с логическими элементами "Исключающее ИЛИ (XOR)"
Буферы и шинные формирователи
Буферы используются для усиления сигнала. Они могут быть полезны для изменения уровней логики и усиления сигналов в сложных схемах.
Шинные формирователи создают требуемые уровни сигналов при работе с шиной данных, отсоединяют источник данных от шины при его неактивности в процессе обмена данными.
74AC240 – восьмиканальный буфер с открытым коллектором на выходе
Триггеры
Триггеры — устройства, которые могут хранить одно двоичное состояние (0 или 1) в зависимости от входного сигнала. На триггерах могут быть собраны схемы памяти.
Наиболее распространенные типы триггеров:
- RS-триггер (или SR-триггер) — имеет два входа: Set (S) и Reset (R). Состояние триггера зависит от этих входных сигналов.
- JK-триггер — более сложный триггер, который имеет два входа J и K, а также может использоваться для реализации различных схем (например, счетчиков).
- D-триггер — триггер с одним входом данных, который сохраняет входное значение на момент тактового импульса.
- T-триггер — триггер, который меняет свое состояние при каждом тактовом сигнале, если его вход активен.
Счетчики и делители частоты
Счетчики – последовательные устройства, которые могут увеличивать или уменьшать своё значение по мере поступления тактовых импульсов. Другими словами, они отслеживают количество событий, сигналов или импульсов.
Предположим, у нас есть 4-битный двоичный счетчик, который увеличивает своё значение при каждом тактовом импульсе. В таком счётчике могут использоваться 4 D-триггера, каждый из которых хранит один бит. Когда поступает тактовый импульс, триггеры изменяют своё состояние по определённому правилу, увеличивая число на единицу. Система продолжает работать циклично, начиная с 0000, затем 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 и снова 0000.
Счётчики-делители — это устройства, которые используются для деления частоты входного сигнала (или тактового импульса) на определённое количество раз. Они принимают на вход тактовые импульсы, но на выходе генерируют импульсы с меньшей частотой. В общем случае, счётчик-делитель выполняет функцию делителя частоты.
Микросхемы счётчиков используются в различных устройствах, где необходимо отслеживать количество событий, например, в цифровых часах или вычислительных устройствах.
CD4017BE или 74HC4017 – счетчик-делитель на 10. Счетчик имеет 10 выходов, от 0 до 9. Встроенный дешифратор обеспечивает логическую единицу только на одном выходе в любой момент времени.
Регистры
Регистры — это группы триггеров, которые используются для хранения нескольких бит информации. Например, 4-битный регистр будет состоять из 4 триггеров, каждый из которых хранит один бит.
Сдвиговые регистры используются для хранения и сдвига битовых последовательностей.
Микросхема 74HC595 (8-битный сдвиговый регистр) – одна из самых популярных в своём классе.
Мультиплексоры и демультиплексоры
Мультиплексоры (MUX) позволяют выбрать один из нескольких входных сигналов и передать его на выход. Демультиплексоры (DEMUX) распределяют один сигнал на несколько выходов.
Шифраторы
Шифраторы преобразуют несколько входных линий в более компактное представление. Например, 8 входных сигналов могут быть преобразованы в 3-битное двоичное число.
Дешифраторы
Дешифратор выполняет обратную задачу шифратора. Дешифраторы используются для преобразования входных данных в несколько выходных сигналов. Например, можно использовать дешифратор для выбора одного из множества выходов в зависимости от адреса.
Сумматоры
Сумматоры предназначены для выполнения операций сложения. Они принимают на вход два или более бинарных числа и выдают их сумму в виде выходных битов. Существуют два основных типа сумматоров:
- Полусумматор (Half Adder) — выполняет сложение двух одноразрядных чисел, генерируя два выходных сигнала: сумму и перенос (carry). Полусумматор не имеет входа для переноса из предыдущего разряда.
- Полный сумматор (Full Adder) — более сложное устройство, которое, помимо двух одноразрядных чисел, также учитывает входной перенос из предыдущего разряда, обеспечивая корректное сложение чисел нескольких разрядов.
Сумматоры используются в арифметических логических устройствах (АЛУ).
Комбинированные логические блоки
Элементы стандартной логики могут собираться в более сложные комбинированные схемы для формирования требуемой функции, например, в арифметико-логические устройства (АЛУ), которые выполняют операции сложения, вычитания, умножения и другие.
Таймеры
Микросхемы стандартной логики не имеют встроенных функций для работы с временными интервалами. Поэтому вместе с ними часто используются микросхемы таймеров, которые хорошо дополняют возможности логических микросхем. И хотя таймеры обычно не относят к микросхемам стандартной логики, без них бывает сложно обойтись при создании цифровых схем.
Таймеры выполняют функции генерации временных интервалов, задержки сигналов, формирования импульсов и других задач, связанных с управлением временем.
Наиболее популярным примером таймера является микросхема NE555, который широко используется для создания различных схем управления временными процессами. Он может работать как генератор прямоугольных импульсов, одновибратор или мультивибратор, а также выполнять другие временные задачи.
Типы и серии логических интегральных микросхем
ТТЛ (Транзисторно-Транзисторная Логика, англ. — TTL, Transistor-Transistor Logic)
В ТТЛ-схемах транзисторы работают как переключатели между двумя состояниями: "высокий" уровень напряжения (логическая единица) и "низкий" уровень (логический ноль).
ТТЛ-микросхемы обладают высокой скоростью работы, но потребляют больше энергии по сравнению с CMOS. Это одна из самых ранних технологий цифровой логики, которая до сих пор используется благодаря своей надежности и простоте.
Основные серии ТТЛ включают:
- 74xx: Стандартные TTL-микросхемы с напряжением питания 5В. Начали производиться компанией Texas Instruments в 1960-х годах. В 1980-е появились улучшенные версии, такие как 74LSxx (Low-Power Schottky) и 74HCxx (High-Speed CMOS), которые стали ещё более популярными благодаря своей энергоэффективности и совместимости.
- 74Lxx: Низкомощные версии стандартных TTL-микросхем.
- 74Hxx: Высокоскоростные версии стандартных TTL-микросхем.
- 74Sxx: Серии с использованием технологии Шоттки (Schottky), что позволяет увеличить скорость работы за счет уменьшения времени переключения транзисторов.
- 74Fxx: Быстродействующие TTL-микросхемы. Высокая скорость переключения при умеренном энергопотреблении.
- 74LSxx: Комбинация низкомощных и шоттковских технологий, обеспечивающая баланс между скоростью и потребляемой мощностью.
- 74ALSxx: Улучшенная версия 74LS с еще более низким энергопотреблением. Скорость переключения выше, чем у 74LS, но ниже, чем у 74F.
КМОП (Комплементарная Структура Металл-Оксид-Полупроводник, англ. — CMOS, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
Технология КМОП использует комплементарную пару полевых транзисторов (n-канальный и p-канальный MOSFET), что обеспечивает очень низкую мощность потребления, особенно в состоянии покоя. Кроме того, микросхемы КМОП обеспечивают большую плотность логических элементов и более низкую стоимость по сравнению с TTL.
Основные серии КМОП включают:
- 4000: Первая серия КМОП-микросхем, работающая при напряжении от 3 до 18 вольт.
- 74Cxx: Аналогичные по функциям серии TTL, но использующие КМОП-технологию.
- 74HCxx: Улучшенные высокоскоростные версии КМОП-микросхем с уменьшенным временем задержки сигнала (типичная задержка распространения составляет около 8–10 наносекунд).
- 74HCTxx: Высокоскоростной вариант КМОП с совместимыми с TTL входами. Может работать с сигналами от источников TTL без дополнительных компонентов.
- 74ACxx: Еще более быстрые КМОП-микросхемы с высокой скоростью переключения. Обеспечивает высокую производительность при низком энергопотреблении. Задержка распространения обычно находится в диапазоне 3–5 наносекунд, что делает эти микросхемы примерно в 2–3 раза быстрее, чем, например, 74HCxx.
- 74ACTxx: Аналогична 74AC, но с совместимостью с уровнями сигналов TTL. Часто используется для сопряжения устройств на базе TTL и КМОП.
- 74AHCxx: Оптимизированные по мощности и скорости версии 74HCxx.
Помимо наиболее распространенных типов ТТЛ- и КМОП-микросхем существуют также микросхемы:
- Эмиттерно-связанной логики (ECL, Emitter-Coupled Logic) — используются в высокоскоростных проектах, но имеют высокое энергопотребление
- Би-КМОП логики (BCT, BiCMOS Technology) и улучшенной Би-КМОП логики (ABT, Advanced BiCMOS Technology).
- Гигагерцовой логики (GTL, GigaHertz Transistor Logic)
- Низкоэнергетической логики (LV, Low Voltage)
- Низкоэнергетической логики КМОП (LVC, Low-Voltage CMOS) – cерия для работы при низких напряжениях питания (1,65–3,6 В).
Каждая из технологий имеет свои особенности, связанные со скоростью работы, уровнем энергопотребления, помехоустойчивостью и стоимостью. Выбор конкретной технологии зависит от требований конкретного проекта и условий эксплуатации.
Сегодня одной из самых популярных серий микросхем считается 74HCxx, что объясняется её низкой стоимостью и широкой доступностью. Эти микросхемы активно применяются также благодаря их совместимости с множеством микросхем других серий. 74HCxx работает при напряжении питания от 2 до 6 В и может работать совместно с TTL-логикой без дополнительного сопряжения, что делает её востребованной как в любительских, так и в профессиональных проектах.
Применение логических интегральных микросхем
- Формирование логических схем в цифровых устройствах.
- Программирование конечных автоматов (например, счетчиков).
- Построение дешифраторов, мультиплексоров и других цифровых устройств.
Логические микросхемы применяются везде, где требуется выполнение логических операций, и используются в построении как простых, так и более сложных цифровых систем. С их помощью можно реализовать любые цифровые функции, от базовых логических операций до сложных последовательных алгоритмов.
С развитием технологий микросхемы стандартной логики частично уступают место микроконтроллерам и программируемым логическим устройствам (ПЛИС), которые позволяют реализовывать сложные функции в одном корпусе. Однако стандартные логические микросхемы по-прежнему широко используются в прототипировании и в устройствах, где требуется минимальное энергопотребление и простота.