Фундаментальные сведения

Самые простые модели этих маленьких полупроводников на входном выводе получают более высокое постоянное напряже­ние и выдают на выходе меньшее по амплитуде стабилизиро­ванное напряжение. Третий вывод стабилизатора (он обычно находится в середине) используется для подключения общего вывода источника питания (минуса источника). Кроме того, вам также нужно установить пару конденсаторов для сглаживания пульсаций тока, как это показано на рис.3.

Обычно для пятивольтового стабилизатора со стороны его «входа» можно подавать напряжение 7,5 или 9 В, а со стороны «выхода» снимать точное значение напряжения, равное 5 В. Если же вы интересуетесь куда девается избыток напряжения, то ответ следующий — стабилизатор превращает его в тепло. По этой причине небольшие стабилизаторы (как тот, который показан на рис. 5) на одной из сторон корпуса часто имеют металлическую пластину с отверстием в ее верхней части. Назначение пластины — рассеивать тепло. Выполнение этой задачи будет упрощено, если вы закрепите пластину стабилизатора винтом к алюминиевой пластинке, поскольку алюминий очень хорошо проводит тепло. Такую алюминиевую пластинку называют радиатором, вы же можете легко купить один из видов радиаторов, у которого есть набор охлаждающих ребер.

рис. 4. Это расположение компонентов на макетной плате полностью идентично электрической схеме, приведенной на рис. 3

Для наших учебных экспериментов рассеивания большого теплового потока не нужно, поэтому радиаторы нам не потребуются.

Рис. 5. Устройство и функцию элемента И-НЕ легче представить с помощью упрощенной схемы, в которой нет напряжения питания микросхемы и нет попытки разместить провода таким образом, чтобы их расположение соответствовало расположению проводов на макетной плате

Когда вы подключаете напряжение питания, светодиод должен загореться. Нажмите на одну из кнопок, светодиод продолжит гореть. Отпустите первую кнопку и нажмите на другую — светодиод продолжит гореть. Теперь нажмите на обе кнопки, и светодиод погаснет.

Выводы 1 и 2 являются логическими входами одного из четырех логических элементов микросхемы 74HC00. Изначально на них подается напряжение, близкое к напряжению минусового вывода источника питания, поскольку они подключены к нему через подтягивающие резисторы с сопротивлением 10 кОм. Но каждая из кнопок при нажатии подает на вход микросхемы положительное напряжение.

На выходе логического элемента микросхемы, как вы можете видеть, практически всегда имеется положительное напряжение — за исключением случая, когда первый и второй входы микросхемы одновременно становятся положительными. Поскольку интегральная микросхема выполняет логическую операцию И-НЕ, то ее называют логическим элементом И-НЕ (NAND). Вы можете посмотреть расположение компонентов схемы на макетной плате на рис. 4. На рис. 5 приведена упрощенная для понимания версия схемы. U-образное графическое условное обозначение с маленьким кружком в нижней части — это изображение двухвходового логического элемента И-НЕ. На этой схеме не показано напряжения питания логического элемента, но на практике любые логические микросхемы обязательно требуют питания, которое дает им возможность выдать сигнал с большим значением тока, чем те сигналы, которые они получают. В любом случае, когда вы увидите перед собой графическое условное обозначение логической микросхемы, постарайтесь запомнить, что она для выполнения своей функции обязательно должна иметь питание.

На самом деле микросхема 74НС00 содержит 4 элемента И-НЕ, каждый из которых имеет по два логических входа и один выход. Внутри микросхемы выводы всех четырех логических элементов расположены так, как это показано на рис. 6. Поскольку для выполнения этого простейшего эксперимента нам необходим только один логический элемент, входные выводы неиспользуемых элементов напрямую подключены к минусовому выводу источника питания.

Рис. 6. Расположение выводов на микросхеме 74HC00 (четыре двухвходо-вых логических элемента И-НЕ)

Вывод 14 используется для подачи напряжения питания на интегральную схему; вывод 7 — минусовой вывод источника питания (общий). Почти все микросхемы семейства 7400 используют одни и те же выводы для подачи напряжения питания, поэтому вы всегда сможете легко выполнять их замену.

Давайте сделаем это прямо сейчас. Сначала надо выключить напряжение питания. Затем аккуратно извлеките и отложите микросхему 74НС00, предварительно закоротив ее выводы проводящей губкой. Вместо нее установите микросхему 74НС08, которая содержит 4 двухвходовых элемента И. Следует убедиться, что вы установили точно так же, как и предыдущую микросхему — вырез (ключ) должен быть расположен сверху. Снова подсоедините напряжение питания и, используя кнопки, выполните проверку работы микросхемы аналогично тому, как вы это выполняли ранее. На этот раз вы должны заметить, что светодиод загорается, если одновременно на первый и второй входы элемента подаются положительные напряжения, в противном случае светодиод остается выключенным. Таким образом, функция этой микросхемы в точности противоположна функции микросхемы И-НЕ. Расположение выводов микросхемы показано на рис. 7.

Рис. 7. Расположение выводов на микросхеме 74HC08 (четыре двухвходо-вых логических элемента И)

Вы, вероятно, удивитесь, насколько полезными могут оказаться эти элементы. Скоро вы увидите, что мы сможем, соединяя эти логические микросхемы вместе, создавать такие вещи, как электронный комбинированный замок, или спаренную электронную игральную кость (домино), или компьютеризованную версию телевикторины, в которой пользователи будут соревноваться, пытаясь дать правильные ответы. И если вы достаточно амбициозны, то вы из обычных логических элементов сможете даже построить компьютер.

 От Буля к Шеннону

Джордж Буль (George Boole) был британским математиком, который родился в 1815 году и который сделал то, что за всю историю человечества сделало всего лишь несколько людей. Он был достаточно удачлив и умен, чтобы изобрести совершенно новую область математики.Интересно, что в этой математике не используются числа. Буль имел жесткий логический ум и хотел уменьшить мир до набора утверждений типа «истина/ложь», которые могли бы сочетаться друг с другом разными способами. Например, предположим, у нас есть пара Энн и Боб, у которых настолько мало денег, что они могут приобрести только одну шляпу. Очевидно, что если вы случайно увидите Энн и Боба, гуляющими по улице, то в этом случае возможны 4 различных ситуации: ни один из них шляпу не надел; шляпа может быть на голове у Энн или шляпа может быть на голове Боба, но они оба никак не могут быть в шляпе.Эти ситуации отражает диаграмма, приведенная на рис. 8. Все эти состояния возможны за исключением одного, когда круги перекрываются. (Эта диаграмма известна, как диаграмма Венна (Venn diagram). Я предоставляю вам самостоятельно разобраться в этом термине, если он вам, конечно, интересен, и если вы хотите узнать больше). Буль продвинул свою идею намного дальше и показал, как создавать и упрощать существенно более сложные логические построения.

Рис. 8. Эта несколько поверхностная диаграмма Венна иллюстрирует различные возможности двух человек — Энн и Боба, у которых имеется только одна шляпа

Другой способ обобщить ситуацию с ношением шляпы это создать таблицу истинности (табл.1). В крайней правой колонке приведены комбинации предположений, которые могут быть истинными или ложными. Теперь давайте проверим их по табл. 2.

Таблица 1. Таблица истинности возможностей, связанных с ношением шляпы

Таблица 2. В таблицу истинности внесены другие обозначения, связанные с описанием входов и выходов логического элемента И-НЕ

Это точно такая же таблица, но в ней используются различные обозначения, описывающие ситуацию, которую вы наблюдали при использовании логического элемента И-НЕ.

Буль опубликовал свой научный трактат в 1854 году задолго до того, как это все стало применяться в электрических или электронных устройствах. Фактически в течение его жизни его работа выглядела бесполезной с практической точки зрения. Но человек по имени Клод Шеннон (Claude Shannon) изучил булеву логику, когда учился в Массачусетском технологическом институте (MIT), в 1930 и 1938 годах он опубликовал работы, описывающие каким образом булев анализ мог бы быть применен в схемах, использующих реле. Они сразу получили практическое применение, поскольку в это время быстро росли телефонные сети, создавая сложные проблемы переключения.

Очень простая телефонная проблема может быть выражена аналогичным образом. Предположим два абонента в сельской местности пользуются одной телефонной линией. Если один из них хочет использовать линию или никто из них не хочет использовать линию, то проблем не возникает.

Но они оба не могут пользоваться линией одновременно. Вы можете заметить, что это в точности такая же ситуация, что и ситуация с использованием одной и той же шляпы у Энн и Боба (рис. 9).

Рис. 9. Энн и Боб пытаются преодолеть ограничения булевой логики

Мы можем легко нарисовать схему с применением двух нормально замкнутых реле, которые создают желательный результат (рис. 10), но если вы представите телефонный коммутатор, который обслуживает тысячи абонентов, то ситуация может стать очень сложной. На практике во времена Шеннона не существовало логического процесса для поиска наилучшего решения и проверки того, что оно использует меньше компонентов, чем некоторое другое решение.

Рис. 10. Это цепь с использованием реле иллюстрирует необходимую логику для двух телефонных абонентов, которые хотят пользоваться одной линией, а их поведение фактически идентично схеме логического элемента И-НЕ, приведенной на рис. 5

Шеннон видел, что булев анализ может быть использован для этой цели. Точно также, если применить состояние «включено» для представления «1» и состояние «выключено» для представления «0», вы можете построить систему реле, которая сможет выполнять вычисления. А если система может считать, то она может выполнять арифметические действия.

Когда вакуумные лампы заменили работу реле, были построены первые цифровые компьютеры. Транзисторы пришли на место вакуумных ламп, а интегральные микросхемы заменили транзисторы, что привело к созданию настольных компьютеров, которые являются достижением сегодняшнего времени. Но если проникнуть глубоко внутрь и опуститься на самые нижние уровни этих безумно сложных устройств, то мы увидим, что они все еще используют законы логики, открытые Джорджем Булем. Сегодня, когда мы используем поисковые системы в Интернете и вводим операторы «И» и «ИЛИ», чтобы сузить поле поиска, мы фактические используем булевы операторы.

Логический элемент И-НЕ это одна из наиболее фундаментальных конструкций в основе цифровых компьютеров, поскольку предоставляет возможность выполнять цифровое сложение. Если же вы хотите узнать об этом больше, то можете попробовать поискать в Интернете с помощью таких запросов, как «двоичная арифметика» и «полусумматор». В общем случае существует 7 типов логических элементов.

• И
• И-НЕ
•  ИЛИ
• ИЛИ-НЕ
• Исключающее ИЛИ
• Исключающее ИЛИ-НЕ
• НЕ

Среди шести элементов с двумя входами элемент «Исключающее ИЛИ-НЕ» практически не используется. Элемент НЕ имеет один вход и на его выходе присутствует сигнал низкого логического уровня, близкий к напряжению отрицательного вывода источника питания (общему выводу), когда на вход подается сигнал высокого уровня, практически равный напряжению положительного вывода источника, или же на выходе имеется сигнал высокого уровня, когда на входе присутствует сигнал низкого логического уровня, соответствующий напряжению отрицательного вывода источника питания. Элемент НЕ гораздо чаще называют инвертором. Символические обозначения всех семи элементов приведены на рис. 11.

Рис. 11. Условные графические обозначения, принятые в США, для шести элементов с двумя входами и инвертора с одним входом

Здесь я привел условные графические обозначения логических элементов, которые приняты в США. В Европе применяются несколько другие условные обозначения, но традиционные обозначения, приведенные здесь, являются теми, которые вы будет встречать чаще даже тогда, когда эти элементы используют европейцы. Я также привожу обозначения элементов и соответствующие таблицы истинности (рис. 12), где показаны сигналы на логические выходах (высокого или низкого уровня) для каждой пары сигналов на входах для всех элементов.

Рис. 12. Входы и соответствующие выходы шести типов логических элементов (следует помнить, что элемент «Исключающее ИЛИ-НЕ» (XNOR) используется крайне редко). Знак «-» означает напряжение низкого уровня, очень близкое к потенциалу земли. Символ «+» означает напряжение высокого уровня, очень близкое к напряжению источника питания цепи. Точные значения напряжений будут изменяться в зависимости от других активных компонентов цепи

Если у вас возникнут трудности с наглядным представлением логических элементов, то вам могут помочь сравнения из области механики. Вы можете представить их как автоматы для продажи жевательной резинки с подвижными пластинами с отверстиями. Два человека, «А» и «В», могут перемещать эти пластины. Люди представляют собой входные сигналы, которые считаются положительными, если они что-либо предпринимают. (Существует также система отрицательной логики, но она не так распространена, поэтому я буду рассматривать только систему положительной логики).

Поток жевательных резинок представляет собой поток положительных зарядов. Весь набор возможных вариантов представления логических элементов приведен на рис. 13 - 18.

Рис. 13. Наглядное представление двухвходового логического элемента И

Рис. 14. Наглядное представление двухвходового логического элемента И-НЕ

Рис. 15. Наглядное представление двухвходового логического элемента ИЛИ

Рис. 16. Наглядное представление двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ

Рис. 17. Наглядное представление двухвходового логического элемента «Исключающее ИЛИ»

Рис. 18. Наглядное представление двухвходового логического элемента «Исключающее ИЛИ-НЕ»

В конце 1960-х были построены первые логические элементы с использованием транзисторно-транзисторной логики — сокращенно ТТЛ (Transistor-Transistor Logic — TTL), что означало, что микроскопические биполярные транзисторы были созданы методом травления на одной пластине кристалла кремния. Вскоре за ними появились комплементарные структуры металл-оксид-полупроводник — сокращенно КМОП (Complementary Metal Oxide Semiconductors — CMOS). Каждая из таких микросхем представляла собой набор полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, сокращенно МОП-транзистор (metal-Oxide Field-Effect Transistor — MOSFET). Микросхема 4026, которую вы использовали ранее, это микросхема, выполненная по технологии КМОП (CMOS).Вы, наверное, помните, что биполярные транзисторы усиливают ток. Микросхемы ТТЛ являются аналогичными устройствами: они более чувствительны к току, чем к напряжению. Это требует использования довольно больших токов для их функционирования. А микросхемы КМОП являются аналогами программируемых однопереходных транзисторов (PUT), которые я использовал ранее. Они чувствительны к напряжению, что дает им возможность почти не потреблять ток, когда они ожидают входного сигнала или выдерживают паузу после подачи сигнала.Два семейства микросхем ТТЛ- (TTL) и КМОП-типа (CMOS) существуют и поныне. В таблице на рис. 19 обобщены их основные преимущества и недостатки. Элементы серии КМОП с номерами микросхем 4000 и выше могут быть легко повреждены статическим электричеством, но они имеют большую ценность, поскольку потребляют очень малую энергию. Серия ТТЛ с номерами микросхем от 7400 и выше потребляет больше энергии, но обладают меньшей чувствительностью и работают очень быстро. Поэтому, если вы хотите построить компьютер, то будете использовать серию ТТЛ, ну, а если вы хотите построить какую-то электронную штучку, которая должна работать неделями от небольшой батарейки, то будете использовать семейство КМОП-микросхем.

Рис. 19. Основные различия между двумя семействами логических микросхем. В последующих поколениях эти различия постепенно стираются

С этой точки зрения все становится очень сложным, поскольку производители КМОП-микросхем желали бы увеличить свою долю на рынке за счет приобретения преимуществ ТТЛ. Новые поколения микросхем КМОП также изменили свои номера и стали начинаться с цифр «74», чтобы подчеркнуть их совместимость, а функции их выводов распределяются так, чтобы они соответствовали функциям и выводам микросхем ТТЛ. В результате расположение выводов микросхем КМОП и ТТЛ теперь, как правило, совпадает, но значения напряжений для «высокого» и «низкого» логического уровня сигнала меняются для каждого нового поколения, а максимальные напряжения питания КМОП-микросхем пересматриваются в сторону уменьшения. Помните я добавил вопросительные знаки позади двух категорий в колонках для КМОП, поскольку эти микросхемы начинают преодолевать свои прежние недостатки, по меньшей мере, в некоторых аспектах.

Здесь приведена краткая сводка, которая может быть полезна вам, если вы ищете микросхему, которую можно найти в Интернете, но сомневаетесь в ее технических характеристиках.

Там, где вы в обозначении типа микросхемы видите букву «х» это означает, что в этом месте могут присутствовать различные цифры. Таким образом, обозначение «74хх» включает в себя микросхему 7400 (четыре двухвходовых логических элемента И-НЕ), микросхему 7402 (четыре двухвходовых логических элемента ИЛИ-НЕ), микросхему 74150 (16-битовый селектор данных) и т. д. Комбинация букв, которые находятся перед цифрами «74», идентифицирует производителя микросхемы, а буквы после этих цифр могут означать тип корпуса, а также содержание тяжелых металлов, которые загрязняют окружающую среду, и другие технические особенности.

Семейство ТТЛ (TTL)

• 74xx — старое оригинальное поколение, в настоящее время устарело.
• 74Sxx — более высокоскоростная серия с диодами Шоттки (Schottky), в настоящее время устарела.
• 74LSxx — серия с диодами Шоттки (Schottky), потребляющая малую мощность, в настоящее время используется редко.
• 74ALSxx — продвинутая серия с диодами Шоттки (Schottky) с низким потреблением мощности.
• 74Fxx — более быстрая серия, чем серия 74ALSxx.

Семейство КМОП (CMOS)

• 40xx — старое оригинальное поколение, в настоящее время устарело.
• 40xxB — серия 4000B была улучшена, но все еще очень чувствительна к воздействию статического электричества. Эти микросхемы все еще используются во многих схемах для любителей электроники, поскольку они работают при относительно высоких значениях напряжения и в состоянии включать светодиоды и даже небольшие реле напрямую (без всякого усиления).
• 74HCxx — высокоскоростные КМОП-микросхемы с номерами деталей, соответствующих семейству ТТЛ, а также с назначением выводов, аналогичным выводам ТТЛ, но входные и выходные напряжения этих микросхем не совпадают с такими же напряжениями ТТЛ-микросхем.
• 74HCTxx — аналогична предыдущей серии 74НСхх, но напряжение питания соответствует напряжению для семейства ТТЛ.
• 74ACxx — продвинутая версия серии 74НСхх, она быстрее и с большей выходной мощностью.
• 74ACTxx — аналогична предыдущей серии 74АСхх, но имеет те же самые функции выводов и значения напряжений, что и у семейства ТТЛ-микросхем.
• 74AHCxx — продвинутая высокоскоростная серия КМОП.
• 74AHCTxx — аналогична предыдущей серии 74АНСхх, но имеет те же самые функции выводов и значения напряжений, что у семейства ТТЛ-микросхем.
• 74LVxx — версии, требующие низкого напряжения питания (3,3 В), включают серии LV, LVC, LVT и ALVC.

Происхождение логических элементов

Семейство интегральных микросхем серии 7400 было пред­ставлено компанией Texas Instruments, начиная с логического эле­мента И-НЕ (микросхемы7400), еще в 1962 г. Некоторые компании уже продавали свои логические ИС и до этого, но серия 7400 стала доминировать на рынке. Лунная миссия Аполлонов использовала компьютеры, построенные на микросхемах серии 7400, и они были основным элементом миникомпьютеров в течение всех 1970-х.Компания RCA представила серию логических микросхем 4000 в 1968 г., которые были построены на КМОП-транзисторах; компания Texas Instruments выбрала технологию ТТЛ. Микро­схемы КМОП потребляют меньшую мощность, поэтому излуча­ют меньше тепла и обладают большей универсальностью при использовании в схемах, поскольку каждая микросхема может быть источником напряжения для других. Семейство КМОП было более терпимым к диапазону изменения напряжения (от 3 до 15 В), но не могло использоваться при частотах переключе­ния выше 1 МГц. Семейство ТТЛ было в 10 раз быстрее.

Конструкции постепенно улучшались, что приводило к бо­лее высоким скоростям работы КМОП-микросхем, что стало приводить к более редкому использованию ТТЛ. Правда до сих пор некоторые люди испытывают специфические ностальгиче­ские чувства к логическим элементам, которые «летали на Луну».

На рис. 20 показана одна из плат, сделанных вручную, из которых Билл собрал свой компьютер.

Рис. 20. Любитель Билл Базби (Bill Buzbee) самостоятельно собрал веб-сервер полностью на логических микросхемах серии 7400, самая старая из которых была произведена в конце 1969 г.

Каждый вывод микросхемы с 14 выводами может содержать 4 двухвходовых логических элемента, три элемента с тремя вхо­дами, один элемент с восемью входами или 6 инверторов с одним входом и выходом, как это показано в приведенной далее табл. 3.Таблица 3.

Примечание. Микросхема 744078 имеет выход «ИЛИ» и выход «ИЛИ-НЕ» на одной и той же микросхеме.

На рис. 21-29 показаны внутренние соединения для некоторых наиболее распространенных логических микросхем, которые вы, скорее всего, и будете использовать. Следует помнить, что в микросхеме 7402 элемент входов и выходов логических элементов ИЛИ-НЕ расположены несколько иначе по сравнению с другими микросхемами.

Рис. 21. Микросхема 7402 (четыре двухвходовых логических элемента ИЛИ-НЕ). Следует помнить, что входы микросхемы 7402 расположены несколько в ином порядке по сравнению с другими микросхемами

Рис. 22. Микросхема 7404 (шесть инверторов)

Рис. 23. Микросхема 7410 (три трехвходовых логических элемента И-НЕ)

Рис. 24. Микросхема 7411 (три трехвходовых логических элемента И)

Рис. 25. Микросхема 7420 (два четырехвходовых логических элемента И-НЕ)

Рис. 26. Микросхема 7421 (два четырехвходовых логических элемента И)

Рис. 27. Микросхема 7427 (три трехвходовых элемента ИЛИ-НЕ)

Рис. 28. Микросхема 7432 (четыре двухвходовых логических элемента ИЛИ)

Рис. 29. Микросхема 7486 (четыре двухвходовых логических элемента «Исключающее ИЛИ»)