ГЛАВА 9. СОПРЯЖЕНИЕ ЦИФРОВЫХ И АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

«Перемалывание чисел» само по себе является, несомненно, чрезвычайно важным применением цифровой электроники, но ее действительные возможности открываются при использовании цифровых методов для обработки аналоговых (линейных) сигналов и процессов. Эту главу мы начнем с краткой хронологии «взлетов и падений» семейств цифровой логики и рассмотрим входные и выходные характеристики «выживших» семейств ТТЛ-КМОП-логики для того, чтобы понять, как осуществить сопряжение логических семейств друг с другом и с устройствами цифрового ввода (переключателями, клавиатурой, компараторами и т.п.) и вывода (индикаторами, реле и т.п.). Мы рассмотрим также -канальные логические элементы на МОП-транзисторах, поскольку они находят широкое применение при реализации функциональных БИС. Затем коснемся важной темы ввода и вывода цифровых сигналов на платы и внешние приборы, а также передачи цифровых сигналов по кабелям, после чего обсудим методы взаимного преобразования цифровых и аналоговых сигналов. Наконец, после того как читатель усвоит эти методы, мы рассмотрим несколько примеров применения, в которых сочетание аналоговых и цифровых средств обеспечивает эффективное решение разнообразных задач.

СОПРЯЖЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ КМОП-И ТТЛ-ЭЛЕМЕНТОВ

9.01. Хронология логических семейств

В начале гг. во времена, которые можно назвать доисторическими, предприимчивые люди, не пожелавшие создавать свои логические схемы на дискретных транзисторах, самоотверженно бились над резисторно-транзисторной логикой (PTЛ), простым семейством логических элементов, разработанным на фирме Fairchild и характеризующимся небольшим коэффициентом разветвления по выходу и низкой помехоустойчивостью. Рис. 9.1 иллюстрирует возникшие в то время проблемы, в частности, логический порог, превышающий уровень земли на одно напряжение , и крайне маленький коэффициент разветвления по выходу (в некоторых случаях один выход мог питать только один вход!) были обусловлены пассивной выходной схемой и низкоомной токоотводящей нагрузкой. Это были времена малой интеграции и наиболее сложным элементом, который можно было реализовать, был сдвоенный триггер, работающий на частоте 4 МГц. Но мы смело строили свои схемы на PTЛ, иногда они сбивались особенно, когда в той же комнате включали паяльник.

Похоронный звон по PTЛ прозвучал несколькими годами позже, когда появилась диодно-транзисторная логика (ДТЛ) фирмы Signetics и вскоре вслед за ней универсальная быстродействующая логика SUHL фирмы Sylvania, которая теперь называется транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ). Фирма Signetics выпускала распространенную смесь из двух серий, названную DCL Utilogic серии 8000 («Логические схемы по выбору проектировщика»). ТТЛ быстро прижилась особенно в «системе счисления» , автором которой была фирма Texas Instruments. В этих семействах были применены входы, поставляющие ток, с логическим порогом в 2 напряжения и (как правило) двухтактные каскадные выходы (рис. 9.1). Семейства ДТЛ и ТТЛ открыли положительной -вольтовой логики (РТЛ была логикой + 3,6 В) и предлагали скорость, соответствующую 25 МГц, а коэффициент разветвления по выходу 10, т. е. один выход мог работать на 10 входов.

Рис. 9.1. Упрощение схемы элементов различных логических элементов

(см. оригинал)

Рис. 9.1. Продолжение.

Разработчики не могли нарадоваться скорости, надежности и сложным функциям (например, счетчику по модулю 10) этих семейств. Казалось, что больше и мечтать не о чем; ТТЛ - это на веки вечные.

Однако людям свойственно стремление к совершенствованию. Им потребовалась большая скорость, меньшая мощность потребления. Казалось бы, вскоре они получили и то и другое. В области высокого быстродействия скоростные ТТЛ-схемы (серии ) позволили увеличить скорость почти вдвое, правда, за удвоенную мощность! (это выдающееся достижение было сделано путем уменьшения вдвое величин всех резисторов). Другое семейство - эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) - представило настоящую скорость (30 МГц в первоначальной версии) за счет использования отрицательного источника питания и более близких друг к другу логических уровней ; элементы семейства потребляли уйму мощности и едва втиснулись в малый уровень интеграции. В области низкой мощности появились маломощные ТТЛ-элементы (серия ) с 1/4 скорости при 1/10 мощности, соответствующих «стандартной» ТТЛ серии 7400.

При поддержке фирмы RCA было разработано первое семейство логических элементов на МОП-транзисторах, КМОП-логика серии 4000. Эти элементы обладали нулевой мощностью потребления в состоянии покоя и широким диапазоном напряжения питания (от до ). Выходы имели размах, равный напряжению питания, а входы не «оттягивали» ток. Это были хорошие новости, но были и плохие - скорость (1 МГц при питании 10 В) и цена (20 долл. за корпус с четырьмя вентилями). Несмотря на цену на микромощных КМОП-элементах выросло целое поколение разработчиков устройств с батарейным питанием, просто не было другого выбора. Работая с легко «ранимыми» входами, разработчики поняли истинное значение статического электричества.

Такова была ситуация на начало -две главные линии биполярной логики (ТТЛ и ЭСЛ) и необычная КМОП-логика. Варианты ТТЛ были по природе своей совместимы друг с другом, за исключением того, что ТТЛ-элементы серии имели слабый выходной узел (отвод тока ) и могли питать только две стандартных (серии 74) нагрузки ТТЛ (чьи входы требовали на низком уровне). Среди большинства семейств почти не было совместимости (хотя погруженные ТТЛ-элементы могли питать КМОП-элементы, а -вольтовые КМОП - только одну ТТЛ-нагрузку серии ).

В течение 1970-х гг. ситуация постоянно улучшалась практически на всех направлениях. От ТТЛ отпачковались ненасыщенные «фиксируемые диодами Шоттки» семейства (см. разд. 13.23): сначала серия , которая благодаря утроенной скорости при удвоенной мощности вытеснила серию , и затем (L-low, S-Schottky, маломощная Шоттки), которая слегка улучшив скорость при 1/5 мощности вытеснила ТТЛ серии 74.

Таблица 9.1. Логические семейства

Жизнь с была приятной; затем подоспела фирма Fairchild со своей серией - FAST: Fairchild Advanced Schottky -усовершенствованная ТТЛ с диодами Шоттки фирмы Fairchild), которая была быстрее на 50%, чем , при 1/3 мощности; кроме того, были и другие улучшения, так что проектирование схем на этих элементах стало сплошным удовольствием. Фирма Texas Instruments (автор многих линий ) выпустила пару улучшенных семейств Шоттки-логики: (улучшенная Шоттки-логика) и («улучшенная маломощная Шоттки»). Предполагалось, что первое семейство заменит , а второе - . Все эти ТТЛ-семейства имели одинаковые логические уровни и добротную схему формирования выхода, так что их можно было сочетать в одной схеме. Используя табл. 9.1 и рис. 9.2, можно сравнить скорости и мощности этих семейств.

Между тем серия 4000 КМОП эволюционировала в улучшенную серию 4000 В с более широким диапазоном напряжения питания (от 3 до 18 В), лучшей защитой входов и более высокой скоростью (3,5 МГц при 5 В). По существу, это та же серия с функциями и выводами семейства 74, которая воспользовалась потрясающим успехом биполярной логики семейства 74. ЭСЛ пустила ростки в виде ECLII, ECLIII, ECL 10,000 и ECL 100,000, обладающие скоростью до 500 МГц.

Рис. 9.2. Зависимость скорости от мощности для различных логических семейств.

Итак, ситуация в 1980 г. была следующей. Большинство схем было выполнено на серии в сочетании с , если требовалась более высокая скорость. Та же самая ТТЛ использовалась как своего рода клей для связи микропроцессорных n-МОП-схем, чьи входы и выходы были совместимы с ТТЛ. Микромощные устройства всегда были сделаны с использованием КМОП-серий 4000 В или , эквивалентными и совместимыми друг с другом. Для устройств с самой высокой скоростью МГц) использовалась ЭСЛ. Совместное использование семейств было не столь уж частым явлением, исключение составляли редкие сочетания КМОП и ТТЛ или сопряжение ТТЛ с быстродействующими ЭСЛ-схемами.

В 1980-е гг. произошло замечательное событие - разработка КМОП-логики со скоростью и выходными параметрами, соответствующими ТТЛ. Сначала появились элементы серии («высокоскоростная КМОП-логика») с такой же скоростью как и, разумеется, с нулевым током покоя и затем серия («улучшенная КМОП-логика») с такой же скоростью как или . Обладая размахом выходного сигнала, равным напряжению питания, и входным порогом, равным половине напряжения источника питания, эта логика сочетает лучшие свойства предшествующих ТТЛ- и КМОП-логики и постепенно должна вытеснить биполярную ТТЛ. Вместе с тем имеется некоторая несовместимость - логический «высокий» уровень выходного сигнала ТТЛ- и n-МОП-логики (мин. 2,4 В) не достаточен для запуска входа НС и АС. Поскольку, по-видимому, существует Такой период времени, когда вам необходимо использовать некоторые из старых семейств биполярной ТТЛ- или и-МОП-логики, каждое семейство КМОП-логики имеет вариант с более низким входным порогом. Такие семейства имеют наименование («быстродействующая КМОП-логика с ТТЛ-порогом»). Однако не пытайтесь использовать их везде, где только можно, ведь элементы с КМОП-порогом обладают более высокой помехоустойчивостью и представляют собой семейства по выбору проектировщика. К тому же в 80-е гг. БИС и СБИС постепенно переключались с n-МОП-технологии на КМОП (с вытекающими отсюда низкой мощностью и КМОП-совместимостью), одновременно увеличивая скорость и сложность. И наконец, на вершине быстродействия - элементы на (арсенида галлия), обеспечивающие скорость в несколько гигагерц.

Заметьте, что все КМОП-семейства (4000 В, 74 С, НС, НСТ, АС и ACT) обладают довольно привлекательным свойством - нулевой «статической» (т. е. когда ничего не происходит) мощностью рассеивания с типовым током покоя менее микроампера. Но при переключениях логических уровней КМОП-элементы потребляют «динамический» ток, обусловленный двумя эффектами: а) переходной проводимостью между шинами питания внутренних двухтактных пар в середине логического перепада и б) динамическим током, необходимым для заряда и разряда внутренних емкостей и емкости нагрузки. Динамический ток пропорционален частоте переключения и может соперничать с током биполярной логики при достижении максимальной частоты работы. Для более детального анализа загляните в разд. 8.10 (рис. 8.18) и разд. 14.16 (рис. 14.38).

Завершим нашу краткую историческую справку следующей рекомендацией. Используйте во всех ваших новых устройствах логику в сочетании с (а) для обеспечения совместимости с существующими устройствами на -МОП- и ТТЛ и (б) для обеспечения скорости. Можно использовать биполярную ТТЛ , но предпочтительнее, по-видимому, КМОП-логика. Если требуется широкий диапазон напряжения питания, а к быстродействию особых требований не предъявляется (например, портативные устройства с питанием от нерегулируемой батареи 9 В), то используйте старую серию .