Е. Быков
Несмотря на появление микропроцессоров, микроконтроллеров и других программируемых схем и постоянное расширение сфер их применения, потребность в микросхемах стандартной логики уменьшилась не настолько, чтобы полностью отказаться от их применения. Во-первых, и в микроконтроллерных устройствах широко используются элементы "обвязки", например, шинные формирователи и регистры. Во-вторых, улучшаются потребительские качества схем логики - быстродействие, потребляемая мощность, нагрузочная способность, что позволяет использовать их в простых применениях вместо микроконтроллеров, сокращая путь от идеи до её воплощения за счёт отсутствия необходимости разработки дорогого программного обеспечения.
Микросхемы стандартной логики рассматриваются в двух плоскостях: по функциональному назначению и с точки зрения электрических параметров. Активное развитие функциональных рядов достигло своего пика примерно с появлением серии 74ALS (1533). Именно эта серия была наиболее полна и содержала как сравнительно устаревшие типономиналы, так и совершенно новые. Также эта серия, наряду с предыдущими, широко повторена в нашей стране и хорошо известна разработчикам. Далее начался процесс постепенного вытеснения микросхем жёсткой логики микропроцессорами и микроконтроллерами и сокращения номенклатуры первых, соответственно. Тем не менее, устоялись и продолжают выпускаться в каждой новой серии такие элементы, как шинные формирователи (АП), дешифраторы (ИД), регистры (ИР), мультиплексоры (КП), триггеры (ТЛ, ТМ), ну и, конечно, собственно логические схемы И, ИЛИ, НЕ в самых различных сочетаниях. Приведённые в скобках сокращенные обозначения функционального назначения микросхем действительны только для постсоветского пространства. На западе, к сожалению, для обозначения используются только порядковые цифры. Мы приведём таблицы перевода из одной системы обозначений в другую. Продолжают разрабатываться и новые, но уже весьма специфические элементы, в основном, в группе шинных драйверов, мостов и многофункциональных регистров.
С точки зрения развития технологии изготовления и улучшения электрических параметров микросхем цифровой логики, прогресс не прерывался никогда. На сегодняшний день в мире осталось пять наиболее заметных и известных производителей таких микросхем: Philips, Texas Instruments, Fairchild, STM и ON Semiconductor. Именно они задают тон в рассматриваемой тематике. Причём однозначным лидером, как и 30 лет назад, является Texas Instruments, первый разработчик 74/54-й серий.
В исторической ретроспективе существовало три класса микросхем логики: эмиттер – связанная логика (ЭСЛ), на комплементарных парах (КМОП) и транзисторно-транзисторная (ТТЛ) логика. Первая из них, представляемая в СССР 100, 500 и 1500 сериями, была ориентирована на максимальное быстродействие, невзирая на потребляемую мощность и прочие неудобства. Был достигнут субнаносекундный диапазон, но появление быстродействующих ТТЛ-серий, а далее - мощных микропроцессоров - сделало бессмысленным дальнейшее развитие ЭСЛ-схем. КМОП-серии, базовой из которых для нас являлась К176, изначально были рассчитаны на минимально возможное энергопотребление. Быстродействие при этом, естественно, оставляло желать много лучшего. Серии ТТЛ, начиная с К155, занимали компромиссную между быстродействием и энергопотреблением нишу. Она и оказалась наиболее востребованной. В системе обозначений ТТЛ-схем используется сочетание "74". Следующие цифры обозначают функциональное обозначение. Чуть позже появились новые модификации ТТЛ-серий и дополнительные буквы для их идентификации. Например, 74LS00. Это маломощная серия с диодами Шоттки. Основные модификации микросхем стандартной логики первого поколения с указанием отечественных аналогов и некоторых сравнительных параметров приведены в табл. 1. Две правые колонки иллюстрируют первые КМОП-серии.
Таблица 1. Основные модификации микросхем стандартной логики первого поколения
74 (54) K155 (133) |
74S (54S) K531 (530) |
74LS (54LS) K555 (533) |
74F (54F) KP1531 |
74AS (54AS) K1530 |
74ALS KP1533 |
4000 K176 (164) |
4000 K561 (564) | |
U питания, В | 4,75–5,25 | 4,75–5,25 | 4,75–5,25 | 4,5–5,5 | 4,5–5,5 | 4,5–5,5 | 8,55–9,45 | 3–15 |
t зад. распр., нс* | 22/15 | 4,5/5 | 15/15 | 6/5,3 | 4,5/4 | 11/8 | 200/200 | 160/110 |
I вых. max, мА | -0,4/16 | -1/20 | -0,4/8 | -1/20 | -2/20 | -0,4/8 | -0,2/0,2 | -0,25/0,5 |
I потр. max, мА | 8/22 | 16/36 | 1,6/4,4 | 2,8/10,2 | 3,2/17,4 | 0,85/3 | 0,05 | 0,04 |
*) Время задержки распространения приведено для микросхем типа ЛА3 (74хх00) при переключении из низкого в высокий уровень выхода и наоборот. Ток потребления указан для того же типа схем при различных логических уровнях на входах. Данные взяты из документации фирмы-разработчика - Texas Instruments. Параметры микросхем других производителей могут незначительно меняться.
Температурный диапазон для 74-х серий - от 0 до +70ºС. В скобках приведены серии для военного применения. Их температурный диапазон от -55 до +125ºС. В настоящее время выпускаются микросхемы всех вышеуказанных 74-х серий, но со значительно сокращённым ассортиментом, в основном, для ремонта оборудования. Серии К176 и К561 существуют исключительно в России. Как видно, развитие ТТЛ-серий, главным образом, шло в сторону уменьшения энергопотребления. В то же время, КМОП-серии развивались в направлении повышения быстродействия. В конце концов, победила КМОП-технология. Последующие поколения стандартной логики выпускаются уже только по ней. Однако, по ряду причин, система обозначений сохранила в основе ключ "74". Таким образом, второе поколение микросхем стандартной логики выпускается по КМОП-технологии, но сохраняет полное функциональное соответствие с ТТЛ-сериями. Последней из 40-х серий стала 4000В (КР1561). Следует иметь в виду, что нумерация однотипных элементов в 74-й и 40-й сериях никогда не совпадала. Отсутствовавшие в 74-й серии типономиналы теперь обозначаются, например, как 74НС4015. Кроме того, выпускается специальная буферная серия, выполненная по совмещенной BiCMOS-технологии - 74ABT. Наиболее распространённые серии микросхем стандартной логики второго поколения приведены в табл. 2.
Таблица 2. Распространенные серии микросхем стандартной логики второго поколения*
74AC KP1554 |
74ACT KP1594 |
74HC K1564 | 74HCT | 74ABT | 74AHC | 74AHCT |
4000B KP1561 | |
U питания, В | 1,5–5,5 | 4,5–5,5 | 2–6 | 4,5–5,5 | 4,5–5,5 | 2–5,5 | 4,5–5,5 | 3–18 |
t зад. распр., нс | 6,6 | 9,5 | 20 | 25 | 4,1/3,1 | 8,5 | 9 | 90 |
I вых. max, мА | -24/24 | -24/24 | -4/4 | -4/4 | -15/20 | -8/8 | -8/8 | -4/4 |
I потр. max, мА | 0,08 | 0,08 | 0,04 | 0,04 | 0,05 | 0,02 | 0,02 | 0,03 |
*) Все параметры приведены при работе в индустриальном температурном диапазоне (-40…+85ºС). Время задержки распространения приведено для напряжения питания +5 В; ток потребления указан в статическом состоянии при максимально допустимом напряжении питания и без нагрузки на выходе. Для 4000В все параметры даны для напряжения питания +15 В. Данные взяты из документации фирмы-разработчика - Texas Instruments. Параметры микросхем других производителей могут незначительно меняться.
Все серии выпускаются также в military (54хх) варианте. Серии 74AC/ACT, 74HC/HCT, 4000B выпуска TI работают в диапазоне -55…+125ºС. Остальные - -40…+85ºС.
Отличие между 74АС/АСТ, НС/НСТ и АНС/АНСТ заключается только в логических уровнях сигналов. Серии без буквы "Т" допускают питание в широком диапазоне напряжений, однако, уровни логических сигналов у них будут зависеть от этого напряжения. В сериях АСТ, НСТ и АНСТ логические сигналы всегда соответствуют стандартным ТТЛ-уровням при напряжении питания +5 В.
Для АВТ серии параметры "ЛА3" (74АВТ00) не слишком характерны. Более интересными в этой серии являются шинные формирователи и регистры. Так, для "АП5" (74АВТ244) и других подобных типономиналов выходной ток достигает -32/64 мА. Правда, собственное потребление в таких случаях возрастает до 30 мА при нулевом состоянии выходов.
Все серии выпускаются как в DIP-корпусах, так и в корпусах для поверхностного монтажа различных модификаций. Самые распространённые типы корпусов и их маркировка различными фирмами-изготовителями приведена в табл. 3.
Таблица 3. Таблица 3. Типы корпусов и их маркировка различными фирмами-изготовителями
PDIP | CERDIP | Soic | SOP | QFN | SSOP | TSSOP | TVSOP | |
Texas Instruments |
SN74xx00N CD74AC00E |
SN54xx00J CD54AC00F |
SN74xx00D CD74AC00M | SN74xx00NS | SN74xx00RGY | SN74xx00DB | SN74xx00PW | SN74xx00DGV |
Philips | 74xx00N | 74xx00D | 74xx00DB | 74xx00PW | ||||
Fairchild |
MM74xx00N MM74xx00PC |
MM74xx00M MM74xx00SC | MM74xx00SJ | MM74xx00MSA | MM74xx00MTC | |||
ST Microelectronics | M74xx00B1R | M74xx00M1R | M74xx00TTR | |||||
ON Semiconductors | MC74xx00N | MC74xx00D | MC74xx00DT |
В обозначениях современных микросхем стандартной логики встречаются "лишние", непонятные на первый взгляд, цифры. Однако они имеют весьма важный смысл и показывают новые особенности в разработках уже известных серий. Рассмотрим некоторые из них:
Дальнейшее развитие и совершенствование микросхем стандартной логики происходит в направлении понижения напряжений питания. К сожалению, два главных разработчика - TI и Fairchild - придерживаются неидентичной системы обозначения новых серий. Отсюда их большое количество. Краткие характеристики серий, описанных в табл. 4:
Таблица 4. Параметры серий ИС с пониженным напряжением питания*
TI, Philips | Fairchild, ONS, STM | |||||||
74LV | 74LVC | 74ALVC | 74LVT | 74VHC | 74LVX | 74LCX | 74VCX | |
U питания, В | 2–5,5 | 1,65–3,6 | 1,65–3,6 | 2,7–3,6 | 2–5,5 | 2–3,6 | 2–3,6 | 1,4–3,6 |
t зад. распр., нс | 13 | 4,3 | 3 | 4 | 13 | 11 | 5,2 | 2,8 |
I вых. max, мА | -6/6 | 24/24 | 24/24 | -32/64 | 6/6 | -4/4 | -24/24 | -24/24 |
I потр. max, мА | 0,02 | 0,01 | 0,01 | 3,6 | 0,02 | 0,02 | 0,01 | 0,02 |
*) Время задержки распространения приведено для напряжения питания +3,3 В и емкости нагрузки 50 пФ. Выходной ток при напряжении питания +3,3 В. Ток потребления указан в статическом состоянии при максимально допустимом напряжении питания и без нагрузки на выходе. Данные взяты из документации фирмы-разработчика - Texas Instruments. Параметры микросхем других производителей могут незначительно меняться.
Если при разработке принципиальной схемы не используются все имеющиеся в корпусе логические элементы, то для таких случаев существуют микросхемы серии Pico-Gate. Корпус этих ИС типа SOT23-5 содержит всего один логический элемент вместо четырех, как в 74xx00 (ЛА3), и обозначается в нашем случае как 74AHC1G00. Возможен и вариант 74LVC2G00. Тогда микросхема будет содержать два (из четырёх) логических элемента и находиться в 8-выводном корпусе.