Ολοκληρωμένα κυκλώματα σειράς 74

σελίδες 20-24

1.4 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

1.4.1 Οικογένειες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (integrated circuits) είναι συστατικά στοιχεία των ψηφιακών κυκλωμάτων. Ενα ολοκληρωμένο κύκλωμα είναι ένας ημιαγωγός κρύσταλλος από πυρίτιο (chip) που περιέχει ηλεκτρονικά στοιχεία με τα οποία κατασκευάζονται οι πύλες. Το chip τοποθετείται σε ένα πλαστικό περίβλημα και συγκολλούνται επαφές σε εξωτερικούς ακροδέκτες (pins) για να σχηματιστεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα. Στο Σχήμα 1.4.1 φαίνεται ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα σε συσκευασία ακροδεκτών διπλής σειράς (Dual In-line Package - DIP).

Σχήμα Shandige

Σχήμα 1.4.1

Ολοκληρωμένο Κύκλωμα

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ανήκουν σε μία Κλίμακα Ολοκλήρωσης (Scale Integration) ανάλογα με τo πλήθος των ισοδύναμων με πύλες κυκλωμάτων που περιέχουν. Ετσι, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ανήκουν σε μία από τις ακόλουθες κατηγορίες:

ü      SSI (Small Scale Integration) περιλαμβάνει λιγότερα από 12 ισοδύναμα με μία πύλη κυκλώματα

ü      MSI (Medium Scale Integration) περιλαμβάνει 12-100 ισοδύναμα με μία πύλη κυκλώματα

ü      LSI (Large Scale Integration) περιλαμβάνει 100-1000 ισοδύναμα με μία πύλη κυκλώματα

ü      VLSI (Very Large Scale Integration) περιλαμβάνει περισσότερα 1000-100000 ισοδύναμα με μία πύλη κυκλώματα

ü      ULSI (Ultra Large Scale Integration) περιλαμβάνει περισσότερα από 100000 ισοδύναμα με μία πύλη κυκλώματα

Οι λογικές πύλες ανήκουν σε μία οικογένεια (family) ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, οι πιό γνωστές από τις οποίες είναι:

- BIPOLAR

- CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)

- BICMOS (Bipolar CMOS)

- ECL (Emitter Coupled Logic)

Τα χαρακτηριστικά των λογικών πυλών των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι τα ακόλουθα:

ð     Ικανότητα οδήγησης εξόδου (Fun Out) είναι το πλήθος των εισόδων του ολοκληρωμένου κυκλώματος που μπορούν να οδηγηθούν από μία έξοδό του χωρίς να κινδυνεύσει η ομαλή λειτουργία.

ð     Απώλεια ισχύος (Power Dissipation) είναι η ισχύς η οποία καταναλώνεται από τις πύλες κατά την λειτουργία τους με αποτέλεσμα την παραγωγή θερμότητας που διαχέεται στο περιβάλλον.

ð     Καθυστέρηση διάδοσης (Propagation Delay) είναι ο χρόνος για να διαδοθεί η αλλαγή ενός σήματος από την είσοδο στην έξοδο.

ð     Περιθώριο θορύβου (Noise Margin) είναι η ελάχιστη τάση εξωτερικού θορύβου που προκαλέι ανεπιθύμητη αλλαγή στην έξοδο.

1.4.2 Η σειρά ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 74

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα της σειράς 74 είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα. Η ονομασία τους αρχίζει με γράμματα που αφορούν στην κατασκευάστρια εταιρεία, ακολουθεί ο αριθμός 74, στη συνέχεια ακολουθούν γράμματα που προσδιορίζουν την οικογένεια και τελειώνει με αριθμούς που προσδιορίζουν τη λειτουργία τους.

Για παράδειγμα, το ολοκληρωμένο κύκλωμα DM74LS00 είναι της εταιρείας National Semiconductors (DM) της σειράς 74, της οικογένειας BIPOLAR Low Power Schottky (LS) και περιέχει τέσσερεις πύλες NAND δύο εισόδων (00).

Το ολοκληρωμένο κύκλωμα 74LS00 παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.4.2.

Σχήμα 1.4.2

Το ολοκληρωμένο κύκλωμα 74LS00

Στον Πίνακα 1.4.1 παρουσιάζονται οι εξωτερικοί ακροδέκτες (pins) του ολοκληρωμένου κυκλώματος 74LS00 και η σημασία τους. Υπάρχουν 14 pins: 12 pins για τις εισόδους και τις εξόδους των τεσσάρων πυλών NAND που περιέχει το ολοκληρωμένο κύκλωμα και 2 pins για την τροφοδοσία του.

Πίνακας 1.4.1

Οι 14 εξωτερικοί ακροδέκτες (pins)

του ολοκληρωμένου κυκλώματος 74LS00

1.4.3 Λογικές τιμές και ηλεκτρικές στάθμες

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα αναγνωρίζουν στις εισόδους τους ηλεκτρικές τάσεις, στις οποίες αντιστοιχούν οι λογικές τιμές “0” ή "1". Επίσης, στις εξόδους τους δίνουν ηλεκτρικές τάσεις που αντιστοιχούν στις λογικές τιμές “0” ή "1".

Στην πράξη όμως δεν είναι δυνατόν να έχουμε απόλυτα ακριβείς τιμές τάσεων. Αυτό συμβαίνει για διάφορους λόγους, όπως διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας, επίδραση της θερμοκρασίας και των θορύβων στη λειτουργία των κυκλωμάτων και επίδραση του φορτίου στην τάση εξόδου. Για το λόγο αυτό ορίζονται δύο ζώνες από τιμές τάσεων, η υψηλή που αντιστοιχεί στο λογικό "1" και η χαμηλή που αντιστοιχεί στο λογικό "0". Ανάμεσα στις δύο αυτές ζώνες υπάρχει μία ζώνη που τις ξεχωρίζει. Μία τιμή τάσης που βρίσκεται σε αυτή τη ζώνη δεν μπορεί να θεωρηθεί από το κύκλωμα ούτε ως λογικό "0" ούτε ως λογικό "1" και έτσι η συμπεριφορά του ολοκληρωμένου είναι απρόβλεπτη. Οι περιοχές των τάσεων αναφέρονται στα φύλλα δεδομένων (Data Sheets) των κατασκευαστών. Για παράδειγμα, το ολοκληρωμένο κύκλωμα 7400 αναγνωρίζει στις εισόδους του ως λογικό "0" την περιοχή τάσεων από 0 Volts μέχρι 0.8 Volts και ως λογικό "1" την περιοχή τάσεων από 2 Volts μέχρι 5 Volts, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.4.3. Οι αποδεκτές τιμές για τις τάσεις εξόδου του είναι από 0 Volts μέχρι 0.4 Volts για λογικό "0" και από 2.7 Volts μέχρι 5 Volts για λογικό "1", όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.4.4.

Σχήμα 1.4.3

Αποδεκτές τιμές για τις τάσεις εισόδου

Σχήμα 1.4.4

Αποδεκτές τιμές για τις τάσεις εξόδου

1.4.4 Οδηγίες για τη μελέτη φύλλων δεδομένων

Για να γίνει αντιληπτός ο τρόπος μελέτης των φύλλων δεδομένων (Data Sheets) των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων θα μελετήσουμε το ολοκληρωμένο κύκλωμα 74LS00.

Το φύλλο δεδομένων του παραπάνω ολοκληρωμένου περιλαμβάνεται στο LS/S/TTL DATA BOOK.

Στην πρώτη σελίδα δίνονται πληροφορίες για το περιεχόμενο του ολοκληρωμένου: Quad 2 Input Gates (τέσσερεις πύλες AND 2 εισόδων). Ακόμη φαίνονται το διάγραμμα συνδέσεων (Connection diagram), η λογική συνάρτηση Y=A×B και ο πίνακας αληθείας (Function Table).

Στη δεύτερη σελίδα φαίνονται οι μέγιστες απόλυτες τιμές (absolute maximum ratings), οι συνιστώμενες συνθήκες λειτουργίας (recommended operation conditions), τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά (electrical characteristics) και οι χαρακτηριστικές μεταγωγής (switching characteristics).

Οι μέγιστες απόλυτες τιμές αφορούν την τάση τροφοδοσίας, την τάση εισόδου, την περιοχή θερμοκρασίας αποθήκευσης και την περιοχή θερμοκρασίας λειτουργίας. Τιμές μεγαλύτερες από αυτές μπορούν να καταστρέψουν το ολοκληρωμένο.

Οι συνιστώμενες συνθήκες λειτουργίας αφορούν στις τιμές των παραμέτρων που προτείνει ο κατασκευαστής, δηλαδή την τάση τροφοδοσίας (Vcc), την τάση στην είσοδο για χαμηλή στάθμη(V_IL), την τάση στην είσοδο για υψηλή στάθμη (V_IH), το ρεύμα εξόδου για χαμηλή στάθμη(I_OL), το ρεύμα εξόδου για υψηλή στάθμη (I_OH) και την περιοχή θερμοκρασίας του περιβάλλοντος λειτουργίας (T_A)

Tα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά είναι οι τιμές που προκύπτουν για τις παρακάτω παραμέτρους για συγκεκριμένες καταστάσεις λειτουργίας του ολοκληρωμένου:

-   Τάση "στραγγαλισμού" εισόδου (V_I)

-   Τάση εξόδου για υψηλή στάθμη (V_OH)

-   Τάση εξόδου για χαμηλή στάθμη (V_OL)

-         Ρεύμα εισόδου (I_I)

-         Ρεύμα εισόδου για υψηλή στάθμη (I_IH)

-         Ρεύμα εισόδου για χαμηλή στάθμη (I_IL)

-         Ρεύμα εξόδου βραχυκύκλωσης (I_OS)

-         Ρεύμα του ο.κ. με τις εξόδους σε υψηλή στάθμη (I_CCH)

-         Ρεύμα του ο.κ. με τις εξόδους σε χαμηλή στάθμη (I_CCL)                                    

Οι χαρακτηριστικές μεταγωγής δείχνουν την ταχύτητα αντίδρασης της εξόδου του ολοκληρωμένου στη μεταβολή της εισόδου, δηλαδή την καθυστέρηση διάδοσης.

Προσθήκη νέου σχολίου