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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Elementos lógicos de dentro. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Radioamador iniciante Os microcircuitos digitais são projetados para processar, converter e armazenar informações digitais. Eles são emitidos em série. Dentro de cada série existem grupos de dispositivos unidos de acordo com suas características funcionais: elementos lógicos, gatilhos, contadores, elementos de dispositivos aritméticos (realizando várias operações matemáticas), etc. Quanto mais ampla a composição funcional da série, maiores as capacidades de um dispositivo digital feito com base em microcircuitos desta série. Os microcircuitos incluídos em cada série têm um único design e design tecnológico, uma única tensão de alimentação, os mesmos níveis de sinais lógicos 0 e lógicos 1. Tudo isso torna os microcircuitos da mesma série compatíveis. A base de cada série de microcircuitos digitais é o elemento lógico básico. Como regra, os elementos lógicos básicos realizam operações AND-NOT ou OR-NOT e, de acordo com o princípio de construção, são divididos nos seguintes tipos principais: elementos de lógica diodo-transistor (DTL). lógica de transistor resistivo (RTL), lógica de transistor-transistor (TTL), lógica de transistor acoplado ao emissor (ESTL), microcircuitos nas chamadas estruturas MIS complementares (CMDP). Os elementos KMDP de microcircuitos digitais usam pares de transistores MIS (com uma estrutura de metal-dielétrico-semicondutor) - com canais do tipo p e n. Elementos básicos de outros tipos são feitos em transistores bipolares. Na prática do rádio amador, os microcircuitos mais utilizados são as séries TTL e KMDP. A Figura 1 mostra o diagrama de circuito de uma porta TTL NAND básica. O transistor multiemissor VT1 é ligado na entrada do elemento. Se tensões de alto nível forem aplicadas a todos os seus emissores, a junção do emissor do transistor será fechada. Ao mesmo tempo, a corrente. fluindo através do resistor R1 e da junção do coletor do transistor VT1 abrirá o transistor VT2. A queda de tensão no resistor R3 será suficiente para abrir o transistor VT5. A tensão no coletor do transistor VT2 é tal que o transistor VT3 é fechado e o transistor VT4 é fechado de acordo. Como resultado, uma tensão de baixo nível correspondente ao 0 lógico aparecerá na saída do elemento. Se uma tensão de baixo nível for aplicada a pelo menos uma das entradas do elemento, a junção do emissor do transistor VT1 será aberta e os transistores VT2 e VT5 serão fechados. O transistor VTZ abrirá devido à corrente que flui através do resistor R2 e entrará no modo de saturação. Assim, o transistor VT4 será aberto e na saída do elemento aparecerá uma tensão de alto nível correspondente ao lógico 1. Consequentemente, o elemento considerado executa a função AND-NOT. Os microcircuitos da série TTL também incluem um elemento lógico NAND sem carga de coletor no estágio de saída. Este é o chamado elemento NAND de coletor aberto. Ele é projetado para operar com uma carga externa, que pode ser relés eletromagnéticos, dispositivos indicadores, etc.; circuitos de coletor aberto também são utilizados em barramentos de transmissão de dados nos casos em que duas ou mais saídas estão conectadas a uma linha física, Figura 1.
Lembre-se de que a estrutura CMDS é uma chave de tensão ideal. Essa chave contém dois transistores MIS com canais do tipo p e n. Quando uma tensão de alto nível é aplicada à entrada da chave, o transistor do canal n abre e o do canal p fecha. A Figura 2 mostra os diagramas dos elementos básicos de AND-NOT (a) e OR-NOT (b) dos microcircuitos KMDP. A tensão de baixo nível (lógico 0) estará na saída do elemento AND-NOT somente se as tensões de alto nível (lógico 1) forem aplicadas simultaneamente a todas as entradas X1-X1. Se a tensão em pelo menos uma das entradas (por exemplo, X6) for baixa, o transistor de canal n VT1 fechará e o transistor de canal p VTXNUMX abrirá, através do canal do qual a saída do elemento é conectado à fonte de alimentação. Assim, a saída terá uma tensão de alto nível correspondente ao lógico 1. Para implementar o elemento lógico básico OR-NOT em estruturas CMOS, seções do circuito contendo transistores conectados em série e em paralelo devem ser trocadas na Figura 2, b.
Os chips TTL são projetados para uma tensão de alimentação de 5 V ± 10%. A maioria dos microcircuitos baseados em estruturas CMOS opera de forma estável a uma tensão de alimentação de 3-15 V, alguns - a uma tensão de 9 V ± 10%. Os níveis lógicos 0 e 1 devem diferir o máximo possível. Existem limites lógicos 1 U1thor - a menor tensão de alto nível na entrada do microcircuito, na qual a tensão de saída muda do nível lógico 0 para o nível lógico 1, bem como a tensão limite do lógico 0 U0thor - a tensão de baixo nível mais alta na entrada do microcircuito, na qual a tensão de saída muda do nível lógico 1 para o nível lógico 0. Antes de prosseguir com uma consideração detalhada das séries mais comuns de microcircuitos e dispositivos digitais baseados neles, vamos nos deter nos principais parâmetros dos elementos lógicos. Estes incluem tensão de alimentação, níveis de tensão lógico 0 e lógico 1, capacidade de carga, imunidade a ruído e velocidade, consumo de energia. Para microcircuitos da série TTL U1por = 2,4 V; U0por =0,4 V. Tensão de baixo e alto nível na saída dos microcircuitos TTL U1out>=2,4V, U1out<=0,4V. Para microcircuitos baseados em estruturas KMDP U1por>0,7* Upit, U0pore>0,3* Uao mesmo tempo, os desvios das tensões de saída U0out e U1out de zero e da tensão da fonte de alimentação, respectivamente, atingem apenas algumas dezenas de milivolts. A capacidade de um elemento operar em um certo número de entradas de outros elementos sem dispositivos adicionais de correspondência é caracterizada pela capacidade de carga. Quanto maior a capacidade de carga, menos elementos podem ser necessários ao implementar um dispositivo digital. No entanto, com o aumento da capacidade de carga, outros parâmetros dos microcircuitos se deterioram: a velocidade e a imunidade ao ruído diminuem e o consumo de energia aumenta. A este respeito, como parte de várias séries de microcircuitos, existem os chamados elementos de buffer com uma capacidade de carga várias vezes maior que a dos elementos principais. Quantitativamente, a capacidade de carga é estimada pelo número de cargas unitárias que podem ser conectadas simultaneamente à saída do microcircuito. Por sua vez, uma única carga é a entrada do elemento lógico principal desta série. O fator de ramificação de saída para a maioria dos elementos lógicos da série TTL K155 é 10, para microcircuitos da série K561 KMDP - até 100. A imunidade a ruído dos elementos lógicos básicos é avaliada nos modos estático e dinâmico. Neste caso, a imunidade ao ruído estático é determinada pelo nível de tensão fornecido à entrada do elemento em relação aos níveis lógicos 0 e 1, nos quais o estado na saída do circuito não muda. Para elementos TTL, a imunidade ao ruído estático é de pelo menos 0,4 V, e para microcircuitos da série KMDP, pelo menos 30% da tensão de alimentação. A imunidade ao ruído dinâmico depende da forma e amplitude do sinal de interferência, bem como da velocidade de comutação do elemento lógico e da sua imunidade ao ruído estático. Os parâmetros dinâmicos dos elementos básicos são avaliados, em primeiro lugar, pela sua velocidade. Quantitativamente, a velocidade pode ser caracterizada pela frequência de operação limite, ou seja, a frequência máxima de comutação do disparo realizado nesses elementos básicos. A frequência de operação limite dos chips TTL da série k155 é de 10 MHz. e microchips das séries k176 e k561 em estruturas CMDP são de apenas 1 MHz. O desempenho é definido da mesma forma que o tempo médio de atraso de propagação do sinal.
tzd.r.av.=0,5(t1,0zd.r+t0,1zd.r), onde t1,0zd.r e t0,1zd.r são os tempos de atraso de propagação do sinal ao ligar e desligar, Figura 3. O tempo médio de atraso de propagação do sinal é um parâmetro mais universal dos microcircuitos, desde que o conheçamos. Você pode calcular o desempenho de qualquer circuito lógico complexo somando tz.r.sr para todos os microcircuitos conectados em série. Para microcircuitos da série K155, tz.r.sr é de cerca de 20 ns, e para microcircuitos da série K176 - 200 ns. A potência consumida pelo microcircuito em modo estático é diferente nos níveis de zero lógico (P0) e lógico na saída (P1). A este respeito, o consumo médio de energia é medido Рср=(Р0+Р1)/2. O consumo médio estático de energia dos elementos básicos da série K 155 é de várias dezenas de miliwatts, e para os elementos das séries K176 e K561 é mais de mil vezes menor. Portanto, caso seja necessária a construção de dispositivos digitais com baixo consumo de corrente, é aconselhável utilizar microcircuitos baseados em estruturas KMDP. Porém, deve-se levar em consideração que ao operar em modo dinâmico a potência consumida pelos elementos lógicos aumenta. Portanto, além de Рср, também é definida a potência Рdin, medida na frequência máxima de chaveamento. Deve-se ter em mente. que com o aumento da velocidade, a potência consumida pelo microcircuito aumenta Autor: -=GiG=-, gig@sibmail; Publicação: cxem.net
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