Майк Тули - Справочное пособие по цифровой электронике

В настоящее время наиболее распространены два основных логических семейства: КМОП (комплементарная, металл-оксид-полупроводник) и ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Второе семейство имеет несколько подсемейств, включая популярный вариант маломощной ТТЛ с диодами Шотки (LS-TTL). Для любознательных читателей на рис. 1.2 показаны внутренние схемы двухвходовых элементов И, выполненных по КМОП- и ТТЛ-технологиям. Несмотря на очевидное их различие, обе схемы выполняют одну и ту же логическую функцию.

Рис. 1.2. Внутреннее устройство двухвходовых логических элементов И, выполненных по КМОП- и ТТЛ-технологиям:

а— КМОП-элемент; б— ТТЛ элемент

Из обычных ТТЛ-микросхем наиболее широко представлено семейство 74. Маркировка микросхем этого семейства начинается с цифр 74, например 7400, 7408, 7432 и 74121; его еще часто называют стандартным ТТЛ-семейством . Разновидности аналогичных микросхем малой мощности с диодами Шотки имеют в середине буквы LS, например 74LS00, 74LS08, 74LS32 и 74LS121.

Популярные КМОП-микросхемы образуют часть семейства 4000, и их номера начинаются с цифры 4, например 4001, 4174, 4501 и 4574. Иногда маркировка КМОП-микросхемы начинается не с цифры, а с буквы. Буква Аобозначает устаревшую (небуферированную) серию, а буква В— улучшенную (буферированную) серию. Комбинация UBобозначает небуферированную микросхему серии В.

В некоторых случаях в середине кода ТТЛ-микросхем встречаются буквы, приведенные в табл. 1.2.

Большинство ТТЛ- и КМОП-семейств рассчитаны на работу с напряжением питания +5 В. Для ТТЛ-микросхем необходима довольно жесткая стабилизация напряжения, обычно ±5 % (т. е. диапазон допустимых напряжений составляет от 4,75 до 5,25 В). Тем не менее многие ТТЛ-микросхемы могут работать и при большем разбросе питания, например от 4 до 5,5 В. В частности, одна из фирм рекомендует использовать в своих изделиях для питания ТТЛ-микросхем три последовательно включенные сухие батареи с напряжением 1,5 В каждая. Неудивительно, что одной из наиболее частых причин отказа в этих изделиях оказывается «севшая» батарея.

Несмотря на то что логическая функция элемента остается одной и той же при напряжении питания 4 и 5 В, переключательные свойства элемента зависят от напряжения питания. При его уменьшении значительно возрастает задержка распространения , т. е. время прохождения изменения логического значения со входа на выход. Во многих устройствах это обстоятельство несущественно, но такие схемы, как счетчики и делители частоты, при понижении напряжения питания работают неустойчиво.

Сделаем замечание и о предельном значении напряжения питания для ТТЛ-микросхем: абсолютное максимальное напряжение составляет +7 В. Даже при небольшом превышении этого значения ТТЛ-микросхема сразу же выходит из строя.

Для КМОП-схем допускается изменение напряжения питания в гораздо более широких пределах. Подавляющее большинство их устойчиво работают в диапазоне от +3 до +15 В. Это обстоятельство, а также ничтожный потребляемый ток (КМОП-элемент в устойчивом состоянии потребляет всего несколько микроампер) способствуют применению КМОП-схем в устройствах с батарейным питанием. В большинстве портативных KMX)П-устройств не требуется стабилизация напряжения питания, они устойчиво работают при снижении напряжения до +3 В.

Как и у ТТЛ-схем, быстродействие КМОП-схем ухудшается при понижении напряжения питания. При напряжениях питания +9, +12 или +15 В быстродействие КМОП-схем примерно в 2 раза выше, чем при типичном напряжении питания +5 В.

ТТЛ-схемы потребляют значительно больший ток, чем их КМОП-эквиваленты. Например, типичный ТТЛ-элемент потребляет ток около 8 мА, что в 1000 раз больше, чем в эквивалентном КМОП-элементе при рабочей частоте 10 кГц.

Стабилизаторы. В большинстве блоков питания ТТЛ-и КМОП-устройств применяются монолитные трехточечные стабилизаторы. Они обеспечивают хорошую стабилизацию напряжения питания, ограничение тока и тепловое защитное отключение. Типичные корпуса стабилизаторов показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Типичные корпуса монолитных трехточечных стабилизаторов напряжения.

На практике наиболее широко применяются стабилизаторы, перечисленные в табл. 1.3.

Типичный блок питания.На рис. 1.4 показан типичный блок питания для ТТЛ/КМОП-схем со стабилизированным выходным напряжением +5 В. Понижающий трансформатор Т1 подает переменное напряжение на мостовой выпрямитель D1—D4. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора обычно составляет около 9 В; после выпрямления на сглаживающем конденсаторе С1 получается постоянное напряжение примерно 12 В.

Номинальное напряжение стабилизатора +5 В подается на выход. Дополнительные конденсаторы С2 и СЗ небольшой емкости (не электролитические) обычно монтируются около выводов стабилизатора. Они обеспечивают эффективную развязку на высоких частотах и подавляют высокочастотную нестабильность, которая может возникнуть из-за паразитных монтажных реактивных сопротивлений.

Рис. 1.4. Схема типичного блока питания для цифровых схем (номерами обозначены контрольные точки):

FS1— предохранитель

Меры безопасности.До обсуждения вопросов поиска неисправностей в блоках питания напомним о мерах предосторожности при работе с ними.

Большинство цифровых схем работают с низким напряжением питания и вполне безопасны; однако имеющееся в блоке питания сетевое напряжение опасно для жизни. При работе с блоками питания необходимо всегда соблюдать следующие правила.

1. Выключайте питание и отсоединяйте сетевой шнур при выполнении:

• демонтажа оборудования;

• проверке плавких предохранителей;

• установке и удалении внутренних модулей;

• пайке компонентов;

• проверке монтажных проводников, исправности обмоток трансформаторов, мостовых выпрямителей и т. д.

2. При измерении переменных и постоянных напряжений в блоке питания соблюдайте необходимые меры предосторожности:

• избегайте прямого контакта с цепями входного сетевого напряжения, проверяйте правильность и надежность заземления оборудования;

• пользуйтесь инструментами с изолированными ручками;

• устанавливайте нужный диапазон измерительного прибора до производства требуемых измерений;

• при сомнении в правильности своих действий выключите питание, отсоедините сетевой шнур и хорошенько подумайте .

Поиск неисправностей в типичном блоке питания, показанном на рис. 1.4, не вызывает особых затруднений так как в нем мало элементов, «склонных» к отказам (стабилизатор, трансформатор и др.).