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Chip logici. Parte 3
Incontra il chip digitale
Nella seconda parte dell'articolo, abbiamo parlato delle designazioni grafiche condizionali degli elementi logici e delle funzioni svolte da questi elementi.
Per spiegare il principio di funzionamento, sono stati dati i circuiti di contatto che eseguono le funzioni logiche di AND, OR, NOT e AND-NOT. Ora puoi iniziare a conoscere a fondo i microcircuiti della serie K155.
Aspetto e design
L'elemento base della 155a serie è il chip K155LA3. Si tratta di una custodia in plastica con 14 cavi, sul cui lato superiore è contrassegnato e una chiave che indica la prima uscita del chip.
La chiave è un piccolo segno rotondo. Se guardi il microcircuito dall'alto (dal lato del case), le conclusioni dovrebbero essere contate in senso antiorario, e se dal basso, quindi in senso orario.
Un disegno del caso del microcircuito è mostrato nella Figura 1. Un caso del genere è chiamato DIP-14, che in traduzione dall'inglese significa una custodia in plastica con una disposizione a due file di perni. Molti microcircuiti hanno un numero maggiore di pin, quindi il case può essere DIP-16, DIP-20, DIP-24 e persino DIP-40.
Figura 1. Contenitore DIP-14.
Cosa è contenuto in questo caso
Nel pacchetto DIP-14 del microcircuito K155LA3 contiene 4 elementi indipendenti 2I-NOT. L'unica cosa che le unisce sono solo le conclusioni generali sulla potenza: la 14a uscita del microcircuito è + la fonte di alimentazione e il pin 7 è il polo negativo della sorgente.
Al fine di non ingombrare il circuito con elementi non necessari, le linee elettriche, di regola, non vengono visualizzate. Anche questo non viene fatto perché ciascuno dei quattro elementi 2I-NOT può essere posizionato in punti diversi nel circuito. Di solito scrivono semplicemente sui circuiti: “+ 5V portano a conclusioni 14 DD1, DD2, DD3 ... DDN. -5V portano alle conclusioni 07 DD1, DD2, DD3 ... DDN. ". Gli elementi localizzati separatamente sono designati come DD1.1, DD1.2, DD1.3, DD1.4. La Figura 2 mostra che il chip K155LA3 è composto da quattro elementi 2I-NOT. Come già accennato nella seconda parte dell'articolo, le conclusioni di input si trovano a sinistra e gli output a destra.
L'analogo esterno di K155LA3 è il chip SN7400 e può essere tranquillamente utilizzato per tutti gli esperimenti descritti di seguito. Per essere più precisi, l'intera serie di chip K155 è un analogo della serie SN74 estera, quindi i venditori sui mercati radio offrono proprio questo.
Figura 2. La piedinatura del chip K155LA3.
Per condurre esperimenti con un microcircuito, è necessario alimentazione Tensione 5V. Il modo più semplice per creare una tale sorgente è utilizzare il chip stabilizzatore K142EN5A o la sua versione importata, che si chiama 7805. In questo caso, non è necessario avvolgere il trasformatore, saldare il ponte, installare condensatori. Dopotutto, ci sarà sempre qualche adattatore di rete cinese con una tensione di 12V, a cui è sufficiente collegare 7805, come mostrato nella Figura 3.
Figura 3. Una semplice fonte di energia per esperimenti.
Per condurre esperimenti con il microcircuito, dovrai creare una breadboard di piccole dimensioni. È un pezzo di getinax, fibra di vetro o altro materiale isolante simile con dimensioni di 100 * 70 mm. Anche il semplice compensato o il cartone spesso sono adatti a tali scopi.
Lungo i lati lunghi della scheda, i conduttori in scatola devono essere rinforzati con uno spessore di circa 1,5 mm, attraverso il quale verrà fornita energia ai microcircuiti (bus di potenza). Tra i conduttori sull'intera area della breadboard, praticare fori con un diametro non superiore a 1 mm.
Durante gli esperimenti, sarà possibile inserire pezzi di filo stagnato in essi, a cui verranno saldati condensatori, resistori e altri componenti radio. Agli angoli della tavola, dovresti fare le gambe basse, questo consentirà di posizionare i fili dal basso.Il design della breadboard è mostrato nella Figura 4.
Figura 4. Scheda di sviluppo.
Dopo che la breadboard è pronta, puoi iniziare a sperimentare. Per fare questo, almeno un chip K155LA3 deve essere installato su di esso: saldare i pin 14 e 7 sui bus di alimentazione e piegare i pin rimanenti in modo che si trovino sulla scheda.
Prima di iniziare gli esperimenti, è necessario verificare l'affidabilità della saldatura, il corretto collegamento della tensione di alimentazione (il collegamento della tensione di alimentazione nella polarità inversa può danneggiare il microcircuito) e verificare inoltre che vi sia un cortocircuito tra i terminali adiacenti. Dopo questo controllo, puoi accendere l'alimentazione e iniziare gli esperimenti.
Più adatto per le misurazioni quadrante voltmetrola cui impedenza di ingresso è di almeno 10 K / V. Qualsiasi tester, anche cinese a buon mercato, soddisfa pienamente questo requisito.
Perché è meglio cambiare? Perché, osservando le fluttuazioni della freccia, è possibile notare impulsi di tensione, ovviamente con una frequenza abbastanza bassa. Un multimetro digitale non ha questa capacità. Tutte le misurazioni devono essere eseguite in relazione al "meno" della fonte di alimentazione.
Dopo l'accensione, misurare la tensione su tutti i pin del microcircuito: sui pin di ingresso 1 e 2, 4 e 5, 9 e 10, 12 e 13, la tensione dovrebbe essere di 1,4 V. E ai terminali di uscita 3, 6, 8, 11 circa 0,3 V. Se tutte le tensioni rientrano nei limiti specificati, il microcircuito è operativo.
Figura 5. Esperimenti semplici con un elemento logico.
Il test del funzionamento dell'elemento logico 2 AND NOT può iniziare, ad esempio, dal primo elemento. I suoi pin di ingresso 1 e 2 e l'uscita 3. Per applicare un segnale zero logico all'ingresso, è sufficiente collegare semplicemente questo ingresso al filo negativo (comune) della fonte di alimentazione. Se è necessario inserire un'unità logica, questo ingresso deve essere collegato al bus + 5V, ma non direttamente, ma attraverso una resistenza di limitazione con una resistenza di 1 ... 1,5 KOhm.
Supponiamo di aver collegato l'ingresso 2 a un filo comune, fornendo così uno zero logico ad esso, e all'ingresso 1 abbiamo alimentato un'unità logica, come è stato appena indicato attraverso il resistore di terminazione R1. Questa connessione è mostrata nella Figura 5a. Se, con tale connessione, viene misurata la tensione all'uscita dell'elemento, il voltmetro mostrerà 3,5 ... 4,5 V, che corrisponde a un'unità logica. L'unità logica fornirà una misurazione della tensione sul pin 1.
Ciò coincide completamente con quanto mostrato nella seconda parte dell'articolo sull'esempio del circuito di contatto relè 2I-NOT. Sulla base dei risultati delle misurazioni, è possibile trarre la seguente conclusione: quando uno degli ingressi dell'elemento 2I-NOT è alto e l'altro è basso, l'uscita avrà sicuramente un livello elevato.
Successivamente, eseguiremo il seguente esperimento: forniremo un'unità a entrambi gli ingressi contemporaneamente, come indicato nella Figura 5b, ma collegheremo uno degli ingressi, ad esempio 2, a un filo comune usando un ponticello. (Per tali scopi, è meglio usare un ago da cucito normale saldato a un cablaggio flessibile). Se ora misuriamo la tensione all'uscita dell'elemento, allora, come nel caso precedente, ci sarà un'unità logica.
Senza interrompere le misurazioni, rimuoviamo il ponticello del filo: il voltmetro mostrerà un livello elevato all'uscita dell'elemento. Ciò è pienamente coerente con la logica dell'elemento 2I-NOT, che può essere verificato facendo riferimento al diagramma di contatto nella seconda parte dell'articolo, nonché guardando la tabella della verità mostrata lì.
Se questo ponticello è ora chiuso periodicamente al filo comune di uno qualsiasi degli ingressi, simulando un'alimentazione di livello basso e alto, quindi utilizzando un voltmetro l'uscita può rilevare impulsi di tensione - la freccia oscillerà nel tempo con il ponticello che tocca l'ingresso del microcircuito.
Le seguenti conclusioni possono essere tratte dagli esperimenti: la tensione di basso livello all'uscita appare solo quando entrambi gli ingressi hanno un livello elevato, cioè la condizione 2I è soddisfatta agli ingressi.Se almeno uno degli ingressi contiene uno zero logico, l'uscita ha un'unità logica, possiamo ripetere che la logica del microcircuito è pienamente coerente con la logica del circuito di contatto 2I-NON considerata in seconda parte dell'articolo.
Qui è opportuno fare un altro esperimento. Il suo significato è disattivare tutti i pin di ingresso, lasciarli nell'aria e misurare la tensione di uscita dell'elemento. Cosa ci sarà? Esatto, ci sarà una tensione zero logica. Ciò suggerisce che gli ingressi non collegati degli elementi logici sono equivalenti agli ingressi con l'unità logica applicata ad essi. Non dovresti dimenticare questa funzione, sebbene gli ingressi non utilizzati siano generalmente raccomandati per essere collegati da qualche parte.
La Figura 5c mostra come un elemento logico 2I-NOT può essere semplicemente trasformato in un inverter. Per fare ciò, basta collegare entrambi i suoi ingressi. (Anche se ci sono quattro o otto ingressi, tale connessione è accettabile).
Per assicurarsi che il segnale in uscita abbia un valore opposto al segnale in ingresso, è sufficiente collegare gli ingressi con un ponticello a un filo comune, ovvero applicare uno zero logico all'ingresso. In questo caso, un voltmetro collegato all'uscita dell'elemento mostrerà un'unità logica. Se si apre il ponticello, sull'uscita apparirà una tensione di basso livello, che è esattamente l'opposto della tensione di ingresso.
Questa esperienza suggerisce che il funzionamento dell'inverter è del tutto equivalente al funzionamento del circuito di contatto NON considerato nella seconda parte dell'articolo. Tali sono le proprietà generalmente meravigliose del chip 2I-NOT. Per rispondere alla domanda su come tutto ciò accada, è necessario considerare il circuito elettrico dell'elemento 2I-NOT.
La struttura interna dell'elemento 2 NON è
Fino ad ora, abbiamo considerato un elemento logico a livello della sua designazione grafica, assumendolo, come si dice in matematica, come una "scatola nera": senza entrare nei dettagli della struttura interna dell'elemento, abbiamo esaminato la sua risposta ai segnali di input. Ora è tempo di studiare la struttura interna del nostro elemento logico, che è mostrato nella Figura 6.
Figura 6. Il circuito elettrico dell'elemento logico 2I-NOT.
Il circuito contiene quattro transistor della struttura n-p-n, tre diodi e cinque resistori. Esiste una connessione diretta tra i transistor (senza condensatori di isolamento), che consente loro di lavorare con tensioni costanti. Il carico di uscita del chip è convenzionalmente mostrato come un resistore Rн. In realtà, questo è molto spesso l'ingresso o più ingressi degli stessi circuiti digitali.
Il primo transistor è multi-emettitore. È lui che esegue l'operazione logica di ingresso 2I e i seguenti transistor eseguono l'amplificazione e l'inversione del segnale. I microcircuiti realizzati secondo uno schema simile sono chiamati logica transistor-transistor, abbreviata in TTL.
Questa abbreviazione riflette il fatto che le operazioni logiche di ingresso e la successiva amplificazione e inversione sono eseguite da elementi transistor del circuito. Oltre al TTL, esiste anche la logica diodo-transistor (DTL), i cui stadi logici di ingresso vengono eseguiti su diodi situati, ovviamente, all'interno del microcircuito.
Figura 7
Sugli ingressi dell'elemento logico 2I-NOT tra gli emettitori del transistor di ingresso e il filo comune, sono installati i diodi VD1 e VD2. Il loro scopo è proteggere l'ingresso dalla tensione di polarità negativa, che può verificarsi a seguito dell'autoinduzione degli elementi di montaggio quando il circuito funziona ad alte frequenze o semplicemente archiviato per errore da fonti esterne.
Il transistor di ingresso VT1 è collegato secondo lo schema con una base comune e il suo carico è il transistor VT2, che ha due carichi. Nell'emettitore, questo è il resistore R3 e nel collettore R2. Pertanto, si ottiene un inverter di fase per lo stadio di uscita sui transistor VT3 e VT4, che li fa funzionare in antifase: quando VT3 è chiuso, VT4 è aperto e viceversa.
Supponiamo che entrambi gli ingressi dell'elemento 2 NON siano alimentati a un livello basso. Per fare ciò, è sufficiente collegare questi ingressi a un filo comune.In questo caso, il transistor VT1 sarà aperto, il che comporterà la chiusura dei transistor VT2 e VT4. Il transistor VT3 sarà nello stato aperto e attraverso di esso e il diodo VD3, la corrente fluirà nel carico - all'uscita dell'elemento è uno stato di alto livello (unità logica).
In tal caso, se l'unità logica viene applicata ad entrambi gli ingressi, il transistor VT1 si chiude, il che porterà all'apertura dei transistor VT2 e VT4. A causa della loro apertura, il transistor VT3 si chiude e la corrente attraverso il carico si arresta. All'uscita dell'elemento viene impostato uno stato zero o una bassa tensione.
Il livello di bassa tensione è dovuto a una caduta di tensione sulla giunzione collettore-emettitore del transistor aperto VT4 e, secondo le specifiche, non supera 0,4 V.
La tensione di alto livello all'uscita dell'elemento è inferiore alla tensione di alimentazione per l'entità della caduta di tensione attraverso il transistor aperto VT3 e il diodo VD3 nel caso in cui il transistor VT4 sia chiuso. La tensione di alto livello all'uscita dell'elemento dipende dal carico, ma non dovrebbe essere inferiore a 2,4 V.
Se una tensione che varia molto lentamente, che varia da 0 a 5 V, viene applicata agli ingressi di un elemento collegato insieme, allora si può vedere che la transizione dell'elemento da un livello alto a uno basso avviene in modo graduale. Questa transizione viene eseguita nel momento in cui la tensione sugli ingressi raggiunge un livello di circa 1,2 V. Tale tensione per la 155a serie di microcircuiti è chiamata soglia.
Questo può essere considerato una conoscenza generale dell'elemento 2I-NON completo. Nella parte successiva dell'articolo faremo conoscenza del dispositivo di vari dispositivi semplici, come vari generatori e shapers.
Boris Alaldyshkin
Continuazione dell'articolo: Chip logici. Parte 4
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