Pojęcia wstępne

Elementem elektronicznym jest urządzenie realizujące pewną dominującą funkcję. Elementy dzielimy na bierne oraz czynne. Przykłady elementów elektronicznych to:

Opornik/rezystor:

Kondensator:

Cewka:

Dioda:

Tranzystor:

Układ scalony:

Elementy elektroniczne służą do tworzenia różnych układów elektronicznych, które spełniają odpowiednie funkcje (radioodbiornik, telewizor, odtwarzacz CD/DVD/BluRay, itp.).

Układy elektroniczne dzielimy na analogowe i cyfrowe. Analogowe przetwarzają sygnały o nieskończonej (ciągłej) liczbie poziomów. Układy cyfrowe ograniczają przetwarzane sygnały zwykle do dwóch poziomów:

• Poziom niski, L (ang. Low) lub 0.
• Poziom wysoki, H (ang. High) lub 1.

Nazwa techniki cyfrowej wywodzi się właśnie stąd, iż poziom niski oznaczany jest cyfrą 0, a poziom wysoki cyfrą 1.

Układy cyfrowe opierają się na algebrze Boole'a. W algebrze tej używane są tylko dwa symbole: true i false dla oznaczenia odpowiednio prawdy i fałszu. Jeśli prawdzie przydzielimy cyfrę 1, a fałszowi cyfrę 0, to otrzymamy tzw. logikę dodatnią. Możliwy jest również przydział odwrotny, tzn. prawdzie przydzielamy 0, a fałszowi 1. Wtedy otrzymamy tzw. logikę ujemną. 

Układ cyfrowy posiada pewną liczbę wejść oraz wyjść. Na wejściach mogą pojawiać się sygnały o dwóch stanach logicznych: 0 lub 1 (często oznacza sie je jako L i H od angielskich słówek Low, niski oraz High, wysoki). Na wyjściach pojawiają się również sygnały logiczne 0 lub 1, które powstają jako wynik funkcji spełnianej przez układ nad sygnałami wejściowymi. Przykładowo rozważmy element zwany bramką NOT.

Element ten posiada jedno wejście A i jedno wyjście Y. Na wyjściu Y pojawia się stan przeciwny logicznie do stanu panującego na wejściu A:

Poziomy logiczne są reprezentowane w układach cyfrowych za pomocą odpowiednich napięć elektrycznych. Konkretne wartości tych napięć zależą od rodziny układów oraz od napięcia zasilającego. Jednakże zakresy napięć uznawanych za poziom niski i wysoki są zawsze od siebie oddzielone:

Rozróżniamy następujące poziomy napięć:

• V_IH – napięcie na wejściu elementu, które zostanie zinterpretowane przez układ cyfrowy jako stan wysoki 1 (H).
• V_IL – napięcie na wejściu elementu, które zostanie zinterpretowane przez układ cyfrowy jako stan niski 0 (L).
• V_OH – napięcie na wyjściu elementu oznaczające stan wysoki 1 (H).
• V_OL – napięcie na wyjściu elementu oznaczające stan niski 0 (L).

Układy cyfrowe pobierają różne prądy na swoich wejściach w zależności od panującego na nich stanu logicznego. Dlatego rozróżniamy dwa rodzaje prądów wejściowych:

• I_IH – prąd pobierany przez wejście, na którym panuje stan wysoki 1 (H).
• I_IL – prąd pobierany przez wejście, na którym panuje stan niski 0 (L).

Wyjście układu cyfrowego może dostarczyć różnych prądów w zależności od stanu logicznego. Zatem również rozróżniamy dwa rodzaje maksymalnych prądów wyjściowych.

• I_OH – prąd dostępny na wyjściu, które znajduje się w stanie wysokim 1 (H).
• I_OL – prąd dostępny na wyjściu, które znajduje się w stanie niskim  0 (L).

Od wartości prądów wejściowych i wyjściowych zależy obciążalność wyjść elementów cyfrowych. Określa ona liczbę wejść innych elementów, które można podłączyć do wyjścia danego elementu. Jeśli przykładowo parametr ten wynosi 10, to do jednego wyjścia da się podłączyć tylko 10 wejść innych elementów. Przekraczanie tej liczby jest zwykle złym pomysłem. Większa liczba wejść obciąża bardziej wyjście, co może spowodować, iż przestanie ono pracować stabilnie. Problem ten dotyczy tylko niektórych serii układów cyfrowych, głównie tych, które są oparte o tranzystory bipolarne. Układy z tranzystorami polowymi posiadają zwykle bardzo duże oporności wejściowe i nie obciążają wyjść w takim stopniu (ich prądy I_IL oraz I_IH są bardzo małe). Obciążalność może sięgać setek lub tysięcy wejść. Tutaj barierą mogą okazać się pojemności i indukcyjności pasożytnicze, które pojawiają się w rozbudowanych sieciach logicznych.

Sygnał nie pojawia się na wyjściu układu natychmiast po zmianie stanu jego wejść. Musi upłynąć pewien krótki czas, zanim dane wejściowe zostaną przetworzone wewnątrz układu. Czas ten nazywamy czasem propagacji, czyli przejścia sygnałów wejściowych w wyjściowe. Współczee układy osiągają bardzo krótkie czasy propagacji, wynoszące kilka nanosekund. Rozróżnia się następujące czasy propagacji:

• t_pLH – czas propagacji sygnału z wejść układu na jego wyjście, w którym wyjście zmienia swój stan z poziomu niskiego 0 (L) na poziom wysoki 1 (H).
• t_pHL – czas propagacji sygnału z wejść układu na jego wyjście, w którym wyjście zmienia swój stan z poziomu wysokiego 1 (H) na poziom niski 0 (L).
• t_p – średni czas propagacji sygnału z wejścia na wyjście

Opóźnienia sygnałów mogą powodować zakłócenia w pracy sieci logicznej, czyli tzw. hazardy. Polegają one na tym, że sygnały docierają z różnymi opóźnieniami do elementów sieci i tworzone są chwilowo błędne stany wyjściowe. Dla przykładu rozważmy prostą sieć zbudowaną z dwóch bramek: NOT i OR.

Bramka OR realizuje funkcję alternatywy logicznej swoich sygnałów wejściowych. Na wyjściu panuje stan 1, jeśli stan 1 jest na jednym z jej wejść.

Poniższy układ bramek realizuje funkcję Y = (NOT A) OR B:

Jak widać, na wyjściu Y otrzymujemy stan 0, jeśli wejście A ma stan 1, a wejście B stan 0. W każdym innym przypadku wyjście Y ma stan 1. Tak jest w teorii. Spójrzmy jednak na poniższą sieć logiczną:

Poniżej na wykresie przedstawiono przebiegi czasowe sygnałów. Załóżmy, że czerwone linie pionowe odpowiadają czasom propagacji sygnału przez bramki (i dodatkowo zakładamy, że czasy propagacji są sobie równe, co w praktyce jest raczej trudne do osiągnięcia). W momencie 1 sygnały wejściowe przyjmują kombinację stanów, dla której na wyjściu Y powinno pojawić się 0. Sygnały te utrzymują się przez czas propagacji i w chwili 2 powracają z powrotem do stanu wyjściowego. Co dzieje się na wyjściu? Otóż nic. Układ jakby przeoczył tę zmianę stanów wejściowych. Dlaczego? Z powodu propagacji sygnału przez bramkę NOT zmiana sygnału A dociera do punktu A' dopiero po czasie propagacji. Jednakże w tym czasie sygnał B powraca do stanu wysokiego. Zatem na wejściach bramki OR cały czas panuje sytuacja, gdy jeden z jej sygnałów wejściowych ma stan 1, zatem wyjście Y cały czas przyjmuje stan 1.

Jak widzimy, układ ten dla tej konkretnej sytuacji nie zachowuje się poprawnie. To właśnie nazywamy hazardem. Oczywiście, gdyby zmiana sygnałów wejściowych trwałaby dłużej niż czas propagacji, to stan tej sieci ustaliłby się i na wyjściu Y pojawiłby się stan niski 0.

Hazardy są zjawiskiem powszechnym w sieciach. Można z nimi walczyć, lecz jest to zadanie bardzo trudne, gdyż rolę odgrywają tutaj parametry poszczególnych elementów sieci, a te mogą posiadać różne rozrzuty produkcyjne. Dlatego w sieciach wprowadza się tzw. taktowanie. Stan sieci jest odczytywany nie w sposób ciągły, lecz w odpowiednio dobranych odstępach czasowych (taktach zegarowych), które zapewniają ustalenie się stanów logicznych na poszczególnych komponentach sieci. Im krótsze czasy propagacji elementów, tym szybciej może być taktowana sieć.

Wejścia niewykorzystane nie powinny pozostawać niepodłączone, gdyż prowadzi to do pogorszenia parametrów elementu cyfrowego. Istnieje kilka możliwości rozwiązania problemu tych wejść. Najprościej jest połączyć je z wejściem wykorzystanym, lecz wtedy zwiększa się obciążenie wyjścia układu sterującego (istotne w układach z tranzystorów bipolarnych). Jeśli mamy zapas, to rozwiązanie takie jest jak najbardziej wskazane. Jeśli wejście niepodłączone powinno być w stanie niskim, to podłączamy je do masy, a jeśli w stanie wysokim, to podłączamy je do napięcia zasilającego (o ile nie przekracza ono 5,5V, inaczej należy zastosować opornik co najmniej 1kΩ).

Ostatnim omawianym tutaj parametrem jest zakres temperatur pracy T_A. Określa on, w jakich temperaturach może pracować dany układ. Przekroczenie tych wartości objawia się zwykle niestabilna pracą układu lub prowadzi do jego uszkodzenia. Temperatura pracy wpływa również na pozostałe parametry układu, np. jej wzrost wydłuża czasy propagacji. Dokładne dane znajdziesz w materiałach producentów, które są dostępne w sieci, niestety, w większości w języku angielskim (co powinno zmotywować cię do jego nauki).

Typowe wartości podstawowych parametrów dla rodziny TTL

Tabelka obciążalności wyjść przy sterowaniu układów o różnym wykonaniu

Powyższa tabelka przedstawia obciążalność wyjść układów określonego wykonania TTL, które sterują układy o innym wykonaniu. Na przykład wyjście bramki TTL typu 74Lxx może wysterować tylko 2 wejścia typowego układu 74xx, a 1 wejście układów typu 74Hxx i 74Sxx. Przekroczenie tych parametrów spowoduje niestabilną pracę sieci.

W artykule używane są symbole elementów wg normy amerykańskiej IEEE Std. 91-1973. Norma ta jest obecnie powszechnie stosowana przy rysowaniu schematów logicznych zarówno w publikacjach krajowych jak i zagranicznych. Poniżej podajemy podstawowe symbole graficzne elementów logicznych stosowanych w technice cyfrowej.

Układy cyfrowe rodziny TTL zbudowane są z tranzystorów bipolarnych. Charakteryzują się one stosunkowo wysoką szybkością działania. Obecnie pojawiły się również ich dokładne odpowiedniki wykonane z tranzystorów polowych CMOS. Parametry tych nowych układów są porównywalne z parametrami TTL.

Rodzina TTL posiada następujące oznaczenia:

Pole producent zawiera informacje o wykonawcy układu lub typie układu (różne firmy stosują tutaj różne systemy oznaczeń). Pierwsze układy TTL pojawiły się w roku 1961. Wyprodukowała je firma Texas Instruments, dlatego tradycyjnie rodzinę TTL oznacza się symbolem .

brak		Różni producenci, np. Fairchild Semiconductor, STMicroelectronics, Philips
CD		Haris
IN		Integral Corp.
M		STMicroelectronics
MC		Motorola
SL		System Logic Semiconductor
SN		Texas Instruments
TC		Toshiba Semiconductor
UCY UCA		CEMI, Polska, elementy historyczne. UCY jest kodem: U – układ bipolarny (M – układ unipolarny) C – cyfrowy Y – profesjonalny (A – wojskowy)

Pole seria:

74		seria podstawowa
64		seria wojskowa produkowana przez CEMI, odpowiednik 54
54		seria wojskowa o rozszerzonym zakresie temperatur pracy

Pole wykonania określa sposób wykonania układu. W sieci logicznej w zasadzie powinny współpracować układy wykonane w tej samej technologii. Przy układach cyfrowych CMOS, które mają współdziałać z układami TTL bipolarnymi, należy zwrócić uwagę, czy ostatnią literką jest T, które oznacza kompatybilność na poziomie sygnałów ze standardem TTL, np. ACT lub HCT. Poniżej przedstawiono niektóre z oznaczeń.

brak		wykonanie standardowe z tranzystorów bipolarnych
L		Low power, niski pobór mocy
H		High speed, wysoka prędkość działania
S		Shottky, wersja szybka
AS		Advanced Shottky. ulepszona wersja S o większej szybkości
LS		Low power Shottky, niski pobór mocy przy dużej szybkości
ALS		Advanced Low power Shottky, ulepszona wersja LS
F		Fast, wersja szybka
C		CMOS, wykonanie z tranzystorów polowych
HC		High speed CMOS, wersja szybka na tranzystorach polowych
HCT		Wersja HC, kompatybilna z TTL
AC		Advanced CMOS, wersja szybsza od S, a wolniejsza od F
ACT		Wersja AC kompatybilna z TTL
LV		Low Voltage, niskie napięcie zasilania, 2...5V
VH		Very High speed, bardzo duża szybkość działania
VHC		Very High speed CMOS, bardzo szybka prędkość działania w technologii CMOS

Pole typu układu określa rodzaj spełnianych przez niego funkcji. Na przykład 00 to cztery bramki NAND.

Pole obudowa. Określa rodzaj zastosowanej obudowy (producenci stosują tutaj własne oznaczenia), np.:

N

DIP, wyprowadzenia po obu bokach obudowy

Układy podstawowej serii TTL wyszły dzisiaj już z użycia i praktycznie nikt ich nie produkuje. Zastępują je układy wykonane w technologii polowej CMOS, np. seria HCT i ACT. Seria CMOS pobiera mniej energii, jest dużo szybsza i działa stabilniej w większym zakresie temperatur. Układy te są kompatybilne z serią TTL co do końcówek oraz poziomów napięć logicznych. Wynika z tego, że zamiast np. układu 7404N (którego raczej już nigdzie nie kupisz) możesz z powodzeniem zastosować układ 74HCT04 lub podobny.

Poniżej przedstawiamy oznaczenia parametrów układów cyfrowych, które są powszechnie stosowane w materiałach producentów. Oznaczenia te podzielone zostały na kilka grup.

Parametry zasilania

Symbol	Nazwa	Opis
VCC	Napięcie zasilania	Jest to napięcie przyłożone pomiędzy końcówki VCC (plus zasilania) i GND (masa układu) w układzie scalonym. Dla serii standardowej TTL 74xx napięcie to mieści się w granicach od 4,75V do 5,25V.
ICC	Prąd zasilania	Jest to prąd wpływający do końcówki VCC (plus zasilania) układu cyfrowego.
ICCL	Prąd zasilania w stanie niskim	Jest to prąd wpływający do końcówki VCC (plus zasilania) układu cyfrowego, gdy na wyjściu panuje stan niski 0 (L – low).
ICCH	Prąd zasilania w stanie wysokim	Jest to prąd wpływający do końcówki VCC (plus zasilania) układu cyfrowego, gdy na wyjściu panuje stan wysoki 1 (H – high).
Ptot	Całkowita moc tracona	Jest to moc, którą pobiera z zasilacza dany układ cyfrowy

Parametry wejściowe