СРАВНЕНИЕ СЕРИЙ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

При проектировании цифровых устройств одной из важных задач является выбор серий микросхем, наиболее полно отвечающих предъявленным требованиям к их быстродействию, энергопотреблению, помехоустойчивости, нагрузочной способности. Помимо этих показателей в расчет также принимают функциональный состав серий, конструктивное оформление, устойчивость микросхем к внешним воздействиям и их надежность.

Один из способов выбора серий заключается в сравнении их по наиболее важным функциональным параметрам.

Микросхемы ЭСЛ — наиболее быстродействующие: некоторые из них способны обеспечить работу цифровых устройств с частотой переключения более 100 МГц. Однако такие микросхемы потребляют от источника питания значительную мощность и характеризуются низкой помехоустойчивостью. Указанные особенности микросхем ЭСЛ необходимо учитывать при их применении. Например, малая длительность фронтов формируемых сигналов обусловливает необходимость использования для их неискаженной передачи согласованных соединительных линий, например, микрополосковой или коаксиальной. Низкая помехоустойчивость микросхем заставляет принимать специальные меры по их защите от воздействия наводок. Не случайно в состав некоторых серий введены приемники сигналов с линии, обладающие повышенной помехоустойчивостью. Параметры базовых элементов и виды микросхем некоторых серий ЭСЛ представлены в табл. 4.13 [2, 17].

Микросхемы ЭСЛ несовместимы по питанию и уровням сигналов с микросхемами других типов. Однако возможность согласования имеется. Для этого можно использовать микросхемы преобразователей уровней серий 100, К500, К187, которые согласовывают уровни микросхем ЭСЛ к ТТЛ.

Основная область применения ЭСЛ микросхем — цифровые устройства, работающие с частотой выше 50 МГц, которые не могут быть построены на основе микросхем других типов. В дальнейшем по мере повышения быстродействия ТТЛ микросхем область применения ЭСЛ микросхем будет смещаться в сторону устройств сверхвысокого быстродействия.

Таблица 4.13

Параметр а вид микросхем	100	К137	К138	К187	223	229	234
К 500
	— 5,2
Uн.п, В	— 2,0	—5	—5	—5	— 4	—5	— 5
U0BЫХ. В	— 1,65	— 1,45	— 1,58	— 1 ,45	— 1,45	— 1 ,47	— 1,47
U1вых. В	— 0,98	— 0,95	— 0,98	— 0,45	— 0,85	— 0,9	— 0,9
Uп, в	0,125	0,03	—	—	0,15	0,16	0,16
tзд, р. ср, нс	2,9	6	3,5	10	8	6	110 МГц
Рпот, ср. мКт	45	75	55 1)	45 1)	73	1300 2)	1500 2)
Kраз	15	15	100	15	4	25	—
ИЛИ	+		+		+
ИЛИ — И	+		+
ИЛИ/ИЛИ — НЕ	+	+	+	+	+
Исключающее ИЛИ/ИЛИ — НЕ	+		+
RS-триггер		+	+		+
D-триггер	+	+	+	+
7-триггер					+	+
Дешифратор	+				+	+
Полусумматор		+			+	+
Сумматор	+
Устройство ускоренного переноса	+
АЛУ	+
Устройство контроля четности	+
Регистр	+
Счетчик	+				+	+	+
Преобразователь уровня	+			+
Передающий элемент	+
Приемный элемент	+

1) Без нагрузки в выходном каскаде.

2) На микросхему.

Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ характеризуются временными параметрами, лежащими в широком диапазоне значений. Это позволяет применять микросхемы ТТЛ в устройствах различного быстродействия высокого, среднего и низкого. Параметры базовых элементов и виды микросхем ТТЛ и ТТЛШ серий представлены в табл. 4.14. Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ характеризуются сравнительно высокой помехоустойчивостью, что делает устройства на их основе более устойчивыми к сбоям от воздействия помех. Принимая во внимание свойства и возможности существующих ТТЛ микросхем, целесообразно рекомендовать их для широкого применения в устройствах работающих с частотой переключения до 20 (ТТЛ) и 50 МГц (ТТЛШ).

Микросхемы ДТЛ характеризуются средним и низким быстродействием (табл. 4.15). По помехоустойчивости они практически не отличаются от ТТЛ микросхем; как правило, совместимы с ТТЛ микросхемами по уровням сигналов. Применяются ДТЛ микросхемы в цифровых устройствах невысокого (сотни килогерц — единицы мегагерц) быстродействия.

Таблица 4.14

Параметр и вид микросхемы

ТТЛШ

ТТЛ

530

К555

130

133 1

136

106

134

199

230

243

К531

LKI31

К155

К 158

UИ.П, В

U0вых, В

0,5

0,4

0,3

0,4

0,35

0,25

U'вых. В

2,7

2,4

2,1

2,3

2,4

2,3

Uп'

0,5

0,4

0,5

0,4

0,25

tзд, р, ср, нС

4,75

100

10 МГц

Рпот. ср. мВт

7,5

1,2 — 1,71) Вт

Краз

—

И — НЕ

ИЛИ — НЕ

НЕ

И — ИЛИ — НЕ

Расширитель

Дешифратор

Мультиплексор

Сумматор

АЛУ

Компаратор

Устройство контроля

четности

RS-триггер

D-триггер

JK-триггер

Регистр

Счетчик

Формирователь импуль-

сов

*) На микросхему

Микросхемы РТЛ (табл. 4.16) характеризуются низким быстродействием, малой потребляемой мощностью и низкой помехоустойчивостью. По уровням сигналов и напряжению питания микросхемы РТЛ несовместимы с микросхемами других типов. Предназначены для применения в цифровых устройствах низкого быстродействия (сотни килогерц) с жестко ограниченным энергопотреблением.

Микросхемы НСТЛ на МДП-транзисторах с р-каналом характеризуются низким быстродействием, большим энергопотреблением и повышенной помехоустойчивостью (табл. 4.17). Существенные особенности микросхем НСТЛ большинства серий: необходимость в относительно высоковольтных (до 27 В) источниках питания, высокие уровни сигналов, несовместимость с микросхемами всех рассмотренных выше типов.

Микросхемы на взаимно-дополняющих по проводимости канала МДП-транзисторах (КМДП) существенно отличаются по свойствам от микросхем на р-МДП-транзисторах. Они имеют положительное напряжение питания, потребляют на несколько порядков меньшую мощность, характеризуются при этом значительно большим быстродействием и более высокой помехоустойчивостью.

Функциональный состав серий 164, К564, содержащих микросхемы различных видов и разного уровня интеграции, позволяет применять эти серии для построения любых цифровых узлов с тактовой частотой до 1 МГц для серии 164 и до 5 МГц для серии К564 [17].

Таблица 4.15

Параметр и вид микросхем	109	121	156	128	202	215	217	218	221	240	К511
UН.П, В	3; 5	3; 5	3; 5	3	±4	±4	3; 6	6,3	4	3; 5	15
					— 0,25	— 0,25		1,2
U°вьпс, В	0,4	0,35	0,55	0,5	— 1,35	— 1,4	0,3	0,15	—	0,5	1,5
U1 ВЫХ, В	2,5	2,5	2,50	2,4	— 0,33	— 0,33	2,6	3,5	2,5	2,5	12
иа, в	0,3	0,3	0,4	0,5	0,3	0,3	0,5	—	0,5	0,4	5
tзд, р, ср, нс	60	50	35	16 МГц	400	23	24	150	2 МГц	55	225
Pпот, ср. МВт	—	—	17	30	19	22	20	48	15	23	250
Краз	5	5	6	6	3	5	4	—	—	4	25
И	+			+	+						+
И — ИЛИ				+	+	+
И-НЕ	+	+	+				+	+	+	+	+
И — ИЛИ — НЕ				+			+		+
НЕ					+	+		+	+		+
Расширитель	+	+	+	+	+		+
RS-триггер				+			+			+
JK-триггер							+	+			+
Сумматор										+
Дешифратор											+
Формирователь			+	+			+
Усилитель					+	+					+
Регистр				+						+
Счетчик										+	+

Таблица 4.16

Параметр и вид микросхем	114	115	201	21!	231
Uип, В	4	4	4	3	4
U0вых, В, не более	0,2	0,2	0,3	0,3	0,2
U1BblX, В, не менее Uп, В	0,15	0,78 0,15	0,3	0,9 — 1,35 0,1	0,04
K раз	4	4	2/10	4	4
tзд.р.ср., нс	650	150	270	500	300 кГц
РБОТ.ср , МВТ	0,57	3	3,75	8	351)
И			+
ИЛИ	+
И — ИЛИ		+
ИЛИ — НЕ	+	+	+	+
ИЛИ-НЕТ	+
НЕ	+		+	+
Расширитель	+	+
RS-триггер	+	+		+
Полусумматор	+
Регистр	+			+
Счетчик				+	+

1)На микросхему

Однако в отличие от микросхем на р-МДП-транзисторах микросхемы этого типа менее технологичны, требуют для своего изготовления больше операций и, следовательно, более дорогие. Тем не менее тенденция развития этих серий микросхем такова, что в ближайшее время они будут занимать преобладающее положение среди НСТЛ микросхем. Свидетельством постоянного совершенствования их свойств является К564 серия, микросхемы которой работают при изменении напряжения питания от 3 до 15 В, характеризуются повышенным быстродействием при значительном снижении потребляемой мощности. При напряжении питания 5 В микросхемы становятся полностью совместимыми с ТТЛ и ТТЛШ.

Таблица 4.17

Параметр и вид микросхемы	КМДП	р — МДП
164 К17Й	К564	К108	К120	К172 К178	K501
Uи.п, В	9	З-15	— 27	— 27; — 12,6	— 27	— 27;
U0ВЫХ. в	0,5	0,01	— 0,7	— 3	— 2	— 1
U1вых, В	7,7	Uип	— 9,5	— 10	— 7,5	— 9,5
Ua, В, не менее	0,9	1,5	1	1	1	1
tЗД, Р. ср, мкс	0,25	0,082)	6	0,8	0,6	200 кГц
Pпот, ср, мВт	10-3	10-4	25	7	34	200 1)
Kраз,	50	—	10	10	15	30
И	+				+
И — ИЛИ	+	+			+
НЕ	+	+		+	+
И — НЕ	+	+		+
ИЛИ-НЕ	+	+		+
Исключающее ИЛИ	+ +	+ +		+
И — ИЛИ — НЕ			+		+
Дешифратор	+	+		+		+
Сумматор	+	+		+
АЛУ		+
Мультиплексор		+
Компаратор		+
Преобразователь уровня RS-триггер	+	+ +	+		+
D-триггер	+	+
JK-триггер	+	+				+
Регистр	+	+		+		+
Счетчик		+		+		+

1) На микросхему

2) При напряжении питания 10 В

Таким образом, для цифровых узлов с тактовой частотой более 50 МГц следует выбирать серии микросхем ЭСЛ. Для узлов с меньшей частотой переключения — микросхемы ТТЛ и- ТТЛШ, перекрывающие диапазон частот до 50 МГц. При проектировании цифровых узлов с тактовой частотой не более 1 МГц целесообразно рассмотреть варианты применения серий маломощных ТТЛ микросхем и микросхем НСТЛ на КМДП-транзисторах.

При окончательном решении вопроса о выборе серий микросхем для проектируемого узла следует оценить возможность и целесообразность применения микросхем повышенного уровня интеграции, обладающих рядом преимуществ (см. § 1.3).

При логическом проектировании цифровых узлов необходим всесторонний учет основных свойств применяемой элементной базы для достижения высоких технико-экономических показателей разработки. При этом в процессе проектирования появляется целый ряд особенностей. В частности, при разработке функциональной схемы узла, выборе серий микросхем и разработке принципиальной схемы следует иметь в виду, что микросхемы разных по схемотехническому признаку классов, как правило, не согласуются. Поэтому, если принято, например, решение в целях оптимизации проектируемого узла по энергопотреблению реализовать его на несовместимых микросхемах, то необходимо предусмотреть их сопряжение. В составе некоторых серий согласующие микросхемы (преобразователи уровня) имеются, но может потребоваться проектирование согласующих элементов на навесных компонентах. Для этого целесообразно применять различные вспомогательные микросхемы: наборы инверторов, логические элементы с открытым коллекторным (для ТТЛ) или эмиттерным (для ЭСЛ) выходом и др.

При разработке на микросхемах типа ЭСЛ цифровых узлов высокого быстродействия (тактовые частоты — десятки мегагерц) необходимо иметь в виду повышенные требования к характеристикам линий передачи и условиям согласования выходных и входных сопротивлений микросхемы с волновым сопротивлением линии.Для решения этой задачи в сериях микросхем ЭСЛ предусмотрены специальные микросхемы для работы на линию передачи и для приема сигналов с линии.

Содержание раздела