Светът на електрониката - Цифрови микросхеми и работа с тях
Интегрални схеми се наричат миниатюрни електронни устройства, които изпълняват определени функции за преобразуване и обработка на сигнали и съдържащи голям брой активни и пасивни елементи (от няколкостотин до няколко десетки хиляди) в относително малък пакет.
Интегралните схеми са разделени на две групи - аналогови и цифрови. Аналоговите микросхеми са проектирани да работят с непрекъснати сигнали във времето. Те включват усилватели с високи, аудио и междинни честоти, операционни усилватели, стабилизатори на напрежение и др. Аналоговите микросхеми се характеризират с факта, че входните и изходните електрически величини могат да имат всякаква стойност в даден диапазон. В цифровите микросхеми входните и изходните сигнали могат да бъдат едно от двете нива на напрежение: високо или ниско.
Логически интегрални схеми
В първия случай те казват, че имаме работа с напрежение с високо логическо ниво или логика 1, а във втория с напрежение с ниско логическо ниво или логика 0. За транзисторно-транзисторна логика ( TTL) чиповете от серията K 133, K555, широко използвани от радиолюбители, техническите условия предвиждат напрежение от най-малко 2,4 V за високо логическо ниво и не повече от 0,4 V за ниско логическо ниво. Всъщност тези стойностите на напрежението са 3.2. 3,5 и 0,1. 0.2V.
В своите разработки радиолюбителите, заедно с микросхемите TTL, широко използват микросхеми на полеви транзистори, от които най-широко разпространената серия микросхеми CMOS (допълнителни полеви транзистори със структура метал-оксид-полупроводник). Те включват например микросхеми от сериите K164, K176, K561, K564. За такива микросхеми с захранващо напрежение 9 V стойностите на напрежението, съответстващи на високите и ниските логически нива, са съответно 8,6. 8,8 и 0,02. 0,05 V.
По този начин в микросхемите TTL и CMOS нивата на високо и ниско напрежение се различават доста рязко, което опростява съвместната работа на микросхемите с транзистори, тиристори и други електронни устройства.
Защо нивата на напрежение се наричат логически?
Факт е, че цифровите микросхеми са проектирани да извършват определени логически действия върху входните сигнали. Ако напрежението на високо ниво трябва да се появи на изхода на цифрова микросхема в случай, когато напрежение на високо ниво присъства на поне един от входовете, тогава те казват, че тази микросхема изпълнява логическа операция ИЛИ (логическо добавяне). Ако логическият сигнал на изхода на микросхемата трябва да бъде равен на произведението на логическите сигнали на входовете на микросхемата, тогава те говорят за операция за логическо умножение. Има много други правила за обработка на сигнала в цифровите микросхеми. Има дори специална област на математиката, която изследва тези закони - булева алгебра (кръстена на английския математик Дж. Бул). Ето защо цифровите микросхеми се наричат още логика.
IN основата на цифровите микросхеми поставя се двоичната бройна система. За разлика от добре познатата десетична система от десет цифри, двоичната система се основава само на две цифри: 0 и 1. Цифрата 0 съответства на липсата на напрежение на изхода на логическото устройство, 1 - на наличието на напрежение. С помощта на нули и единици от двоичната система можете да пишете (кодирате) всяко десетично число. Например, писането на едноцифрено десетично число изисква четири двоични цифри. Горното е обяснено в таблица 1.
Първата колона на таблицата (наречена таблица на истината) съдържа десетични числа от 0 до 9, а следващите четири колони съдържат цифрите на двоичното число. Можете да видите, че числото в следващия ред се получава чрез добавяне на 1 към първия бит на двоичното число. С четири цифри можете да пишете числа от 0000 до 1111, което в десетичната система съответства на диапазона от числа 15. 15. По този начин, ако двоично число съдържа N цифри, то може да се използва за записване на максималното десетично число, равно на 2 ^ N - 1. Също така е лесно да видите от таблицата как можете да конвертирате число от двоично в десетично. За да направите това, достатъчно е да добавите степента на числото 2, съответстващо на цифрите, в които са записани логическите 1s. И така, двоичното число 1001 съответства на десетичното число 9 (2 ^ 3 + 2 ^ 0).
Двоичната бройна система се използва в повечето съвременни компютри.
Помислете за свойствата и работата на някои от най-простите логически порти, широко използвани от радиолюбителите в техните устройства.
Логическият елемент И (фиг. 9, а) има два входа и един изход. В горната част на правоъгълника е знакът & (амперсанд), който обозначава операцията на обединение, умножение. Това означава, че напрежението на високо ниво на изхода е налице тогава и само ако напреженията на високо ниво също присъстват на двата входа. Това е илюстрирано от таблицата на истината на фигура 9.6.
Логическият елемент OR (фиг. 10, а) има два входа и един изход. Ако поне един от входовете има напрежение на високо ниво, тогава същото напрежение ще бъде на изхода (фиг. 10.6).
Логическият елемент NOT (фиг. 11, а) има един вход и един изход. Ако към входа е приложено напрежение от високо ниво, тогава на изхода се задава напрежение от ниско ниво и обратно, т.е. кажете, че входният сигнал е обърнат от елемента (фиг. 11.6).
Тези три типа логически елементи ви позволяват да приложите произволно сложна логическа функция. За да се улесни работата на дизайнерите на цифрова технология, са разработени и произведени много други логически елементи (ZI-NOT, 4IL-NOT, 2-2-3-ZI-2OR-NOT и др.), Приложени в отделни случаи на микросхеми.