30. Цифровые интегральные микросхемы

Интегральные микросхемы являются элементной базой современной радиоэлектроники, автоматики и электронно-вычислительной техники. Они, как уже говорилось, могут быть двух типов — аналоговыми и цифровыми. С первыми, типичными представителями которых являются операционные усилители, мы уже знакомились в первой части книги (см. § 17). Цифровые микросхемы используются в современных ЭВМ, выполняющих миллионы операций в секунду, в разнообразной бытовой радиоэлектронной аппаратуре, в системах космической связи и во многих других микроэлектронных устройствах. Интегральные микросхемы нельзя представлять как обычные схемы, уменьшенные в тысячи раз, они имеют принципиальное отличие в способах изготовления и монтажа радиоэлементов, осуществляемых по интегральной технологии, которая может быть различной.

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными и гибридными.

В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном кристалле полупроводника. На пластинке площадью в по единой технологии изготовляются транзисторы, диоды и резисторы.

В пленочных интегральных микросхемах элементы выполнены в виде различных пленок, нанесенных на изолирующую пластинку. Подобным образом получают резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, т. е. пассивные элементы, не усиливающие сигналов. Пленочные интегральные микросхемы применяют значительно реже, чем полупроводниковые.

Гибридные интегральные микросхемы состоят из пленочных резисторов и конденсаторов, а также соединительных проводников и контактных площадок, к которым припаивают миниатюрные радиодетали, например бескорпусные диоды и транзисторы. Вся схема помещается в пластмассовый корпус. Габаритные размеры этих микросхем больше полупроводниковых и пленочных.

Цифровые интегральные микросхемы предназначены для преобразования дискретных или импульсных сигналов. Основу их

составляют транзисторные ключи, которые, подобно механическим контактам, могут находиться в двух крайних состояниях — открытом и закрытом.

Напомним, что интегральные микросхемы имеют особые обозначения, состоящие из набора букв и цифр, по которым можно, пользуясь справочником, узнать их назначение и все электрические характеристики. В качестве примера приведем следующие условные обозначения: К155ЛАЗ, К155ЛА7, К155ТВ1, К155ТМ2 и др. Все перечисленные микросхемы относятся к серии 155 широкого применения, буква Л показывает, что микросхема предназначена для выполнения логических операций, а буква Т показывает, что микросхема является триггером. Вторые буквы используют для обозначения вида выполняемой функции, например семейство триггеров различного назначения обозначают индексами: ТВ, TP, ТТ, ТД и др.

Интегральные микросхемы настолько сложны, что в условных обозначениях невозможно отобразить их внутреннее устройство, структуру или внешний вид, как это делается, например, при обозначении резистора, конденсатора, трансформатора или транзистора. Условные обозначения логических элементов были показаны на рисунках 119, 122, б и 125.

В «чистом виде» логические элементы не изготавливаются. Практическое применение получили различные их сочетания, например: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др. Их условные обозначения состоят из условных обозначений составляющих элементов. Условные обозначения элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ, логику работы которых уже предлагалось определить в самостоятельной работе (§ 28, задания 5, 6), показаны на рисунках 131, 132.

Корпуса интегральных микросхем могут иметь различную конструкцию. Внешний вид наиболее распространенных цифровых микросхем серии К155 такой же, как и у многих аналоговых микросхем, например, у операционного усилителя КР140УД1Б (был показан на рисунке 48). Они имеют прямоугольный пластмассовый или керамический корпус с выводами, изогнутыми под прямым углом. Обычно число выводов 14, по семь с каждой стороны. Номера выводов отсчитываются от метки, расположенной на корпусе, против часовой стрелки.

В практических работах мы будем использовать цифровые интегральные микросхемы серии К155, которые являются основной элементной базой широко распространенных универсальных вычислительных машин серии ЕС и СМ. Эти схемы состоят из биополярных транзисторов, за нулевой уровень сигнала применяют напряжение, меньшее или равное 0,4 В, и за единичный сигнал — напряжение от 2,4 В до 5 В. Напряжение питания в них

Рис. 131. Условное обозначение элемента И-НЕ

Рис. 132. Условное обозначение элемента ИЛИ-НЕ

Рис. 133. Микросхема К155ЛАЗ: а — номера выводов; условное обозначение

равно 5 В с допустимым отклонением ±5%. Выводы, предназначенные для подачи напряжения питания, определяют по справочникам, на условных обозначениях они не показываются. Во многих логических схемах, например К155ЛАЗ, К155ЛА8, К155ЛР1 и других, вывод 7 подключается к общему проводу; источника, а на вывод 14 подается напряжение Большинство логических схем серии надежно работает от «свежей» батарейки карманного фонаря, напряжение на зажимах которой равно 4,5 В, т.е. на 10% ниже номинального. Для? определения состояния микросхем используют светодиоды, специальные миниатюрные лампы накаливания и жидкие кристаллы, т.е. индикаторы, работающие при низких напряжениях (единицы вольт) и малых токах

Базовый элемент интегральных микросхем является основой; для построения различных логических схем и триггеров, в качестве него используется логический элемент И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Например, микросхемы содержат четыре элемента И-НЕ на два входа каждый (рис. 133). Если, например, на входы 1, 2 или 4, 5 подаются единичные сигналы, то с выходов 3 или 6 снимается нулевой сигнал, при других комбинациях входных сигналов на выходе будет сигнал логической единицы. Аналогично работают три остальные схемы логического элемента И-НЕ. Отличие этих микросхем состоит в том, что интегральная микросхема рассчитана на большие токи нагрузки, необходимые для надежной работы индикаторов. Подключение непосредственно к выходам микросхемы светодиодов и

миниатюрных ламп накаливания не рекомендуется, хотя это иногда делается в радиолюбительских конструкциях. Микросхемы серии имеют одну важную особенность: если на входы не подается сигнал, то это равносильно подаче на них единичного сигнала. Нуль на входе воспринимается микросхемой только в том случае, когда он соединен с источником низкого напряжения. Соответственно, на выходах микросхем должны быть сигналы логического 0, если на входы не подаются сигналы.

(см. скан)

Рис. 134. Элемент ИЛИ из элементов И-НЕ микросхемы К155ЛА3

(см. скан)

Рис. 135. RS-триггер из микросхемы К155ЛА8 (а) и схема для проверки его работы (б)

(см. скан)

Задание на изготовление учебно-наглядного пособия. Изучение базового элемента интегральных микросхем удобно проводить с помощью специальной монтажной панели, на которой размещаются микросхема, светодиоды и гнезда для выполнения соединений без паек. Подобная монтажная плата, которую можно назвать испытательным стендом, показана на рисунке 136. Для монтажа удобно использовать фольгированный стеклотекстолит, вырезав или вытравив на нем нужные дорожки. Гнезда и вилки удобно изготовить из штыревых радиоразъемов или выточить на токарном станке. Необходимые размеры гнезд и вилок выберите сами. В случае, если к одному гнезду должно подходить несколько проводов, то, кроме соединительных проводников с двумя вилками на концах, используют также проводники, на концах которых делают колечки. С помощью такого стенда можно быстро выполнить все перечисленные задания.

(см. скан)

(см. скан)