9.1. Согласование логических уровней

9.1.1Хронология логических семейств

≈ 14 мин2 упр.

Главное

Любое семейство логики — сделка между четырьмя величинами: задержкой $t_{зд}$ , потребляемой мощностью, нагрузочной способностью и помехоустойчивостью.
ТТЛ: вход сам отдаёт ток, порог около 1,3 В, питание строго 5 В. КМОП: вход тока не берёт, порог около $U_{пит} /2$ , выход качается от шины до шины.
КМОП тратит энергию в основном на переключениях: $P = (C_{пэ} + C_{н}) U_{пит}^{2} f$ , то есть пропорционально частоте и квадрату питания.
Для нового устройства по умолчанию берут 74HC; HCT и ACT — только на границе с ТТЛ и n-МОП; AC — когда не хватает скорости.

Зачем электронщику история? Затем, что старые семейства никуда не исчезли: они живут в приборах, которые приходится ремонтировать, в справочниках и в схемах, которые хочется повторить. А почти каждая неприятность при их соединении объясняется тем, как устроены вход и выход конкретного семейства. Удобно смотреть на историю как на поиск баланса между четырьмя параметрами:

$t_{зд}$ быстродействие

мВтмощность на вентиль

10разветвление

0,4 Взапас по помехам

Ниже — три характерных схемы вентилей: ТТЛ, КМОП и самая ранняя РТЛ. Наведите курсор на детали — по ним видно, откуда берутся особенности, о которых пойдёт речь дальше.

От резисторов к ТТЛ

Первые интегральные вентили начала 1960-х (фирма Fairchild) были резисторно-транзисторными, РТЛ: сигнал попадал на базу транзистора через резистор, а «единицу» на выходе создавал обычный резистор в коллекторе, подключённый к +3,6 В. Недостатки видны прямо по схеме:

транзистор открывается уже при $U_{БЭ} \approx 0, 6$ В — порог почти на земле, и любая наводка опрокидывает вентиль;
пассивный коллекторный резистор — слабый источник «единицы», поэтому выход порой мог нагрузить всего один вход;
пределом сложности был сдвоенный триггер на 4 МГц, а сбой мог вызвать даже включённый поблизости паяльник.

Следующие шаги — диодно-транзисторная логика (ДТЛ), а затем схема, которую назвали транзисторно-транзисторной (ТТЛ); Texas Instruments ввела для неё нумерацию 74xx, ставшую стандартом. Три черты ТТЛ определяют всё её поведение:

вход — эмиттер многоэмиттерного транзистора, и в «нуле» ток вытекает из входа;
порог равен примерно двум падениям $U_{БЭ}$ , около 1,3 В;
выход двухтактный — два транзистора друг над другом («тотемный столб»).

Получилась логика на +5 В с частотами до 25 МГц и разветвлением 10, в одном корпусе которой помещались уже декадные счётчики и другие сложные узлы.

12345678

ТТЛ-инвертор в упрощённом виде (в элементе НЕ-И у T₁ несколько эмиттеров)

Что здесь что (8)

Вход A. это эмиттер $T_{1}$ : при низком уровне из него вытекает ток через резистор 4 кОм, и источник сигнала обязан его принять
Входной транзистор $T_{1}$ . в НЕ-И у него по эмиттеру на каждый вход; достаточно одного входа в «0», чтобы отнять ток базы у $T_{2}$
Фиксирующий диод. срезает отрицательные выбросы на входе примерно на −0,6 В
Фазорасщепитель $T_{2}$ . при входе в «1» открывается сам, открывает $T_{4}$ и запирает $T_{3}$
Верхний транзистор $T_{3}$ . работает повторителем от +5 В; два падения $U_{БЭ}$ по пути — поэтому «1» лишь около 3,5 В
Резистор 130 Ом. держит в рамках сквозной ток в миг, когда открыты и $T_{3}$ , и $T_{4}$
Нижний транзистор $T_{4}$ . насыщенный ключ на землю; в «0» принимает ток нагрузки (у 74LS — до 8 мА)
Выход Y. асимметричный: ток к земле отводит хорошо, отдаёт в нагрузку плохо

123456

КМОП-вентиль НЕ-И: верхние p-МОП включены параллельно, нижние n-МОП — цепочкой

Что здесь что (6)

p-МОП $T_{1}$ . проводит при A = 0 и подтягивает выход к $+ U_{пит}$
p-МОП $T_{2}$ . стоит параллельно $T_{1}$ , поэтому «0» на любом входе даёт «1» на выходе
n-МОП $T_{3}$ . в цепочке с $T_{4}$ : путь на землю замкнут, только когда A = 1 и B = 1
n-МОП $T_{4}$ . второе звено цепочки к земле
Вход A. изолированный затвор: постоянного тока нет, порог — около половины питания
Выход Y. в установившемся состоянии один из путей разорван, ток не течёт; размах — от земли до питания

1234

Вентиль ИЛИ-НЕ на РТЛ: переключается при одном U_БЭ над землёй

Что здесь что (4)

Входной резистор 450 Ом. сигнал идёт прямо в базу; порог около 0,6 В — запаса по помехам почти нет
Транзисторы. любой открытый транзистор сажает выход на землю — получается ИЛИ-НЕ
Коллекторный резистор 640 Ом. «единицу» создаёт только он; выход слабый, иногда хватает лишь на один вход
Выход. высокий уровень ничем не поддержан, кроме резистора

Гонка скорости и экономии

Следующие лет десять производители двигали семейства то к быстродействию, то к экономичности, и почти каждое новое решение чем-то платило за выигрыш:

74H — «скоростная» ТТЛ: номиналы всех резисторов примерно вдвое меньше, отсюда вдвое выше скорость и вдвое больше мощность.
74L — обратная крайность: в четыре раза медленнее серии 74, зато потребляет лишь десятую часть её мощности.
ЭСЛ, эмиттерно-связанная логика, ушла от насыщения транзисторов вовсе и сразу получила 30 МГц. Цена — отрицательное питание −5,2 В, близко расположенные уровни (около −0,9 и −1,75 В) и большая мощность.

Отдельной ветвью пошла МОП-техника. КМОП серии 4000 фирмы RCA в покое не потребляла почти ничего, работала от 3 до 12 В (позднее у 4000B — до 18 В), давала размах выхода, равный питанию, и не нагружала источник сигнала током. Минусы — около 1 МГц даже при 10 В, высокая цена и уязвимость входов: статическое электричество впервые стало для разработчиков серьёзной проблемой именно на этих микросхемах. Тем не менее для приборов с батарейным питанием альтернативы не существовало, и на 4000-й серии выросло целое их поколение.

Платой за разнообразие стала плохая совместимость. К началу 1970-х:

даже ТТЛ-варианты стыковались с оговорками: выход 74L отводил лишь 3,6 мА и справлялся всего с двумя входами серии 74, каждый из которых в «нуле» отдаёт 1,6 мА;
КМОП при 5 В вытягивала всего одну нагрузку 74L;
ЭСЛ ни с кем напрямую не соединялась.

Диод Шоттки и улучшенные ТТЛ

Главная причина медлительности насыщенного ключа — заряд, накопленный в базе: прежде чем транзистор закроется, этот заряд должен рассосаться. В 1970-х его просто перестали накапливать. Диод Шоттки между базой и коллектором забирает избыток базового тока и удерживает транзистор у самой границы насыщения (схема ниже). На этом приёме построены:

74S — в три раза быстрее серии 74 при вдвое большей мощности; сделала 74H ненужной;
74LS — маломощный вариант: чуть быстрее серии 74 при пятой части мощности; на долгие годы стала массовым семейством;
74F (усовершенствованная Шоттки-ТТЛ фирмы Fairchild) — на половину быстрее 74S при трети мощности; аналогичные шаги у TI — 74AS и маломощная 74ALS.

Уровни у всех ТТЛ-вариантов одни и те же, выходы достаточно сильные, и разные ТТЛ спокойно соседствуют в одной схеме. КМОП в эти годы тоже развивалась: 4000B (питание 3–18 В, защищённые входы, 3,5 МГц при 5 В) и 74C — те же функции и цоколёвка, что у 74-й серии. ЭСЛ ушла дальше по скорости: серии 10K, 100K и ECL III, до 500 МГц.

123

Транзистор с диодом Шоттки между базой и коллектором не уходит в глубокое насыщение

Что здесь что (3)

Диод Шоттки. открывается при 0,3–0,4 В — раньше, чем переход база — коллектор (0,6 В); избыток тока базы уходит через него в коллектор
Транзистор. держится на краю насыщения ( $U_{КЭ}$ около 0,3 В): заряда в базе нет, рассасываться нечему
База. лишний ток базы обходит транзистор через диод

КМОП догоняет ТТЛ

Около 1980 года разделение труда выглядело так:

Распределение ролей около 1980 года

74LS

74F / 74AS

ТТЛ-«клей»

4000B / 74C

ЭСЛ

Переломом 1980-х стала КМОП, сравнявшаяся с ТТЛ по скорости и выходному току.

74HC (высокоскоростная КМОП) по скорости равна 74LS, 74AC (усовершенствованная КМОП) — 74F и 74AS; при этом в покое обе почти ничего не потребляют.
Выход размахивается на всё питание, порог входа — посередине питания: от ТТЛ взята скорость, от КМОП — экономичность и помехоустойчивость.

Одна неувязка осталась: ТТЛ и n-МОП гарантируют «единицу» лишь от 2,4 В, а вход HC/AC переключается около 2,5 В — запаса нет. Для стыка со старой логикой выпустили версии с ТТЛ-порогом около 1,4 В — 74HCT и 74ACT.

Ловушка. HCT и ACT — переходники, а не замена HC/AC. Порог посередине питания даёт КМОП заметно больший запас по помехам, поэтому версии с ТТЛ-порогом ставят только туда, где на вход приходит сигнал старой логики.

Ещё быстрее — логика на арсениде галлия (GaAs), где задержки измеряются долями наносекунды. Сводка по основным семействам — в таблице и на диаграмме «скорость — мощность».

Ключевые параметры распространённых логических семейств
Семейство	$t_{зд}$ тип., нс	$P$ на вентиль при 1 МГц, мВт	$I_{вых}$ низк., мА	Порог входа	Питание, В
74HC / 74HCT	9	0,5	8	$U_{пит} /2$ / 1,4 В	2–6 / 5 ± 10 %
74AC / 74ACT	3	0,5	24	$U_{пит} /2$ / 1,4 В	2–6 / 5 ± 10 %
4000B/74C	50 (при 5 В)	0,3	0,5	$U_{пит} /2$	3–18
74LS	10	2	8	1,1–1,3 В	5 ± 5 %
74ALS	4	1,3	8	1,4 В	5 ± 10 %
74F	3,5	5,4	20	1,6 В	5 ± 5 %
74AS	2	8	20	1,5 В	5 ± 10 %
ЭСЛ 10K / 100K	2 / 0,75	25 / 40	—	≈ −1,3 В	−5,2 / −4,5

Семейства на плоскости «мощность — задержка»: лучшие — в левом нижнем углу

Куда уходит энергия в КМОП

Пока КМОП-схема ничего не переключает, ток через неё — меньше микроампера на корпус, будь то 4000B, 74C, HC, HCT, AC или ACT. Энергию она тратит только на перепадах, и по двум причинам:

в середине перепада верхний и нижний транзисторы ненадолго приоткрыты оба, и от питания к земле проскакивает сквозной ток;
каждый перепад перезаряжает ёмкости — внутренние и ёмкость нагрузки.

Посчитаем вторую часть. Пока ёмкость $C$ заряжается до $U$ , от источника берётся энергия $C U^{2}$ : половина остаётся в конденсаторе, половина рассеивается в транзисторе. При разряде выделяется и запасённая половина. Итого за полный цикл теряется $C U^{2}$ , а за секунду — $C U^{2} f$ . Сквозной ток справочники прячут в ту же формулу через эквивалентную ёмкость:

Динамическая мощность КМОП

P_{дин} = (C_{пэ} + C_{н}) U_{пит}^{2} f

Обозначения:

C_{пэ}

C_{н}

U_{пит}

f

За цикл «заряд — разряд» теряется энергия

C U^{2}

независимо от сопротивления ключей.

При C = 45 пФ мощность КМОП линейно растёт с частотой; на 3,3 В прямая положе в

(5/3, 3)^{2}

≈ 2,3 раза

Из формулы следуют два практических вывода. Во-первых, на предельных для себя частотах КМОП тратит столько же, сколько биполярная логика, — экономия заметна там, где вентили переключаются редко. Во-вторых, питание входит в квадрате: переход с 5 на 3,3 В срезает динамическую мощность на $1 - (3, 3/5)^{2} \approx 56$ %, а задержки увеличиваются примерно на 40 %.

< 1 мкАпокой

$\propto f$ динамика

−56 %переход на 3,3 В

Что ставить сегодня

Практический выбор семейства

	Где уместно
74HC	выбор по умолчанию для нового устройства
74HCT	приёмник сигналов от существующей ТТЛ- и n-МОП-логики
74AC(T)	узлы, которым не хватает скорости HC
74LS/ALS, 74F/S	работают, но КМОП обычно выгоднее
4000B/74C	когда важен широкий диапазон питания, а скорость не нужна: скажем, прибор прямо от батареи 9 В без стабилизатора

Взгляд из сегодняшнего дня. Картина выше — это конец 1980-х. С тех пор массовая логика переехала на 3,3 В и ниже (LVC, AHC, AUP; у многих из них входы терпят 5 В), а ТТЛ и ЭСЛ остались в старой технике и узких нишах. Однако пороги, запасы помехоустойчивости, входные и выходные токи, защитные диоды — всё, о чём пойдёт речь, — для новых семейств работает точно так же; меняются только цифры.

Упражнение 9.1.1

Часы-будильник на 74HC: делитель частоты кварца переключается с частотой 6 МГц, а суммарная ёмкость, перезаряжаемая за цикл (своя $C_{пэ}$ плюс нагрузка), — 50 пФ. Какую мощность потребляет этот узел при питании 5 В и при 3,3 В и на сколько процентов она снизится при переходе на 3,3 В?

P при 5 В =мВтP при 3,3 В =мВтСнижение =%

Решение

$P = C U^{2} f$ . При 5 В: $50 \cdot 1 0^{- 12} \cdot 25 \cdot 6 \cdot 1 0^{6} = 7, 5$ мВт. При 3,3 В: $50 \cdot 1 0^{- 12} \cdot 10, 89 \cdot 6 \cdot 1 0^{6} = 3, 27$ мВт. Отношение мощностей $(3, 3/5)^{2} = 0, 436$ — снижение на $56, 4$ %. Заметьте: процент определяется только отношением напряжений, а частота и ёмкость на него не влияют.

Упражнение 9.1.2

В старом блоке управления станком вентиль 74LS берёт в среднем 2 мВт при любой частоте. Его хотят заменить вентилем 74HC с суммарной перезаряжаемой ёмкостью 40 пФ при питании 5 В. Выше какой частоты переключений замена перестанет экономить энергию?

f =МГц

Решение

Мощности равны при $C U^{2} f = P_{L S}$ : $f = \frac{2 \cdot 1 0 ^{- 3}}{40 \cdot 1 0 ^{- 12} \cdot 25} = 2, 0$ МГц. На более низких частотах КМОП выгоднее, на более высоких — уже нет. В настоящей схеме большинство вентилей переключается намного реже тактовой частоты, поэтому суммарный выигрыш КМОП обычно велик.

9.1.2Входные и выходные характеристики

≈ 9 мин3 упр.

Главное

Чтобы получить «0» на входе ТТЛ, источник должен принять вытекающий из входа ток 0,1–1,6 мА и удержать вход ниже 0,4 В.
Вход КМОП тока не потребляет, но за пределами шин его защитные диоды открываются; больше 10 мА через них — риск защёлкивания.
Выход ТТЛ силён «вниз» и слаб «вверх» (единица около 3,5 В); выход КМОП в первом приближении — сопротивление $R_{откр}$ к одной из шин.
Пороги: ТТЛ около 1,3 В (по ТУ где угодно в 0,8–2,0 В), КМОП около $U_{пит} /2$ , HCT/ACT около 1,5 В.

Пока схема собрана из микросхем одного семейства, об этих характеристиках можно не вспоминать: каждое семейство рассчитано так, чтобы выход уверенно управлял десятком «родных» входов. Вопросы появляются на границах. Логика принимает сигнал от датчика, включает внешнее устройство, или в схему попадает микросхема другого семейства — потому что нужная функция или БИС есть только там. Тогда приходится точно знать две вещи: что требует вход и что способен дать выход.

Что требует вход

Начнём с ТТЛ, у которой вход ведёт себя непривычно. Это эмиттер транзистора, база которого через резистор подключена к +5 В. В «нуле» ток базы вытекает через эмиттер наружу — в источник сигнала. В «единице» эмиттерный переход заперт, и вход берёт лишь единицы микроампер (не больше 20 мкА). Сколько вытекает в «нуле», зависит от серии:

1,6 мА74 (стандартная)

0,6 мА74F

0,5 мА74AS

0,4 мА74LS

0,1 мА74ALS

≤ 20 мкАлюбая ТТЛ в «1»

Следствие простое, но о нём постоянно забывают: «ноль» для ТТЛ — это не «ничего не подавать», а отвести около миллиампера, оставаясь ниже 0,4 В. Ключ на землю с этим справляется, высокоомный резистор на землю — нет. За пределами рабочего диапазона вход ТТЛ ведёт себя так:

ниже земли он похож на диод к земле — это фиксирующий диод, срезающий отрицательные выбросы;
выше +5 В ток почти не течёт, пока при 10 В и выше не наступит пробой диода (у LS и F) или перехода база — эмиттер (у ALS и AS).

Типичный порог ТТЛ — около +1,3 В, но гарантирован он лишь в широком окне 0,8–2,0 В. Элементы со входом Шмитта ('13, '14, '132) имеют гистерезис около 0,4 В; на схемах их отмечают значком петли. Питание всей ТТЛ — 5,0 В ± 5 %.

Вход КМОП устроен проще: это изолированный затвор, и пока напряжение лежит между землёй и питанием, ток — только утечка порядка $1 0^{- 5}$ мкА. Но затвор так тонок, что без защиты его пробило бы первое же прикосновение пальцем. Поэтому на каждом входе стоят диоды на обе шины и внутренний резистор:

12345

Входная защита КМОП: резистор и два диода, на питание и на землю

Что здесь что (5)

Вход. в пределах шин течёт только утечка — порядка $1 0^{- 5}$ мкА
Последовательный резистор. встроенный; при выбросах ограничивает ток через диоды
Диод на шину питания. проводит, когда вход поднимается выше $U_{пит}$ на 0,6 В, — ток уходит в шину
Диод на землю. проводит, когда вход опускается ниже −0,6 В
Затвор. окисел толщиной в доли микрона — без диодов статический заряд пробил бы его

Эти диоды спасают от статики, но сами становятся источником неприятностей:

если через них течёт больше примерно 10 мА, во многих КМОП-кристаллах открывается паразитная четырёхслойная структура и замыкает питание на землю — тиристорное защёлкивание (подробнее — в разделе 8.8);
новые серии к этому стойче: входы HC и HCT без вреда выдерживают превышение питания на 1,5 В;
КМОП и с диодами остаётся чувствительной к статике, а без них погибала бы от любого касания.

Порог 4000B, 74C, 74HC и 74AC — примерно половина питания, хотя допускается разброс от 1/3 до 2/3 $U_{пит}$ . У 74HCT и 74ACT порог сдвинут к 1,5 В, чтобы понимать ТТЛ. Есть и КМОП-элементы со входами Шмитта. Сведём сказанное:

Вход ТТЛ против входа КМОП

	Вход ТТЛ	Вход КМОП
Ток в «0»	вытекает, 0,1–1,6 мА	нет (утечка ~ $1 0^{- 5}$ мкА)
Ток в «1»	≤ 20 мкА	нет
Ниже земли	фиксирующий диод к земле	защитный диод к земле
Выше питания	почти без тока до пробоя при 10 В и выше	защитный диод в шину питания; больше 10 мА — защёлкивание
Порог	около 1,3 В (по ТУ 0,8–2,0 В)	около $U_{пит} /2$ (1/3–2/3); HCT/ACT около 1,5 В
Питание	5,0 В ± 5 %	HC, AC: 2–6 В; HCT, ACT: 5 В ± 10 %; 4000B, 74C: 3–18 В

На графиках ниже то же самое в виде кривых. Слева — входной ток в зависимости от входного напряжения; ось нарочно шире питания, потому что на стыках вход часто оказывается за шинами. Справа — передаточные характеристики: видно, где переключаются LS, HCT и HC.

Ток входа от напряжения: сплошная линия — ТТЛ, пунктир — КМОП

Передаточные характеристики инверторов трёх типов

Что может выход

Вспомним схему ТТЛ-вентиля в начале раздела. Внизу — n-p-n-ключ на землю, вверху — n-p-n-повторитель (иногда пара Дарлингтона) с резистором в коллекторе; в каждый момент один из них насыщен, другой заперт. Отсюда асимметрия:

вниз выход тянет сильно: 8 мА у 74LS и 24 мА у 74F при малом остаточном напряжении;
вверх — слабо: «единица» снимается с эмиттера повторителя, это около +3,5 В (на два $U_{БЭ}$ ниже питания), и под нагрузкой напряжение быстро проседает.

Под нагрузкой из своих же входов (до 10) ТТЛ даёт «ноль» 50–200 мВ и «единицу» около +3,5 В. Если нужна полноценная «единица» в 5 В, к выходу добавляют резистор подвески к +5 В — к нему мы ещё вернёмся.

У КМОП на выходе комплементарная пара МОП-транзисторов, один открыт, другой заперт. Поведение зависит от тока:

при малом токе, пока выход не отошёл от шины больше чем на вольт, открытый канал ведёт себя как резистор $R_{откр}$ к земле или к $U_{пит}$ ;
при большом токе, когда до шины уже 1–2 В, — скорее как источник тока.

200 Ом – 1 кОм

R_{откр}

4000B/74C

≈ 50 Ом

R_{откр}

74HC(T)

≈ 10 Ом

R_{откр}

74AC(T)

Если нагрузка тока не берёт (например, другие КМОП-входы), выход КМОП размахивается точно от земли до питания. Как разные выходы держат уровень под током, показывает график (токи для простоты считаем положительными в обоих направлениях).

Как проседает выход под током (приближённо): верхняя группа кривых — «1», отдача тока; нижняя — «0», приём тока

Правило. Допустимое число нагрузок считайте для обоих уровней и берите меньшее:

N \leq min (I_{вых}^{0} / I_{вх}^{0}, I_{вых}^{1} / I_{вх}^{1})

. У ТТЛ обычно тесно в «нуле», а у экономичных входов может оказаться тесно в «единице».

Упражнение 9.1.3

В ремонтируемом пульте выход 74LS (в «0» отводит 8 мА, в «1» отдаёт 0,4 мА) уже нагружен четырьмя входами стандартной серии 74 (1,6 мА в «0», 40 мкА в «1»). Сколько входов 74ALS (0,1 мА в «0», 20 мкА в «1») можно добавить к этому выходу?

N =

Решение

Считаем остаток тока в каждом состоянии. «0»: $8 - 4 \cdot 1, 6 = 1, 6$ мА, этого хватит на $1, 6/0, 1 = 16$ входов ALS. «1»: $0, 4 - 4 \cdot 0, 04 = 0, 24$ мА, хватит на $0, 24/0, 02 = 12$ входов. Решает меньшее — 12. Для ТТЛ привычно, что тесно в «нуле» (стандартный вход берёт 1,6 мА, и $16/1, 6 = 10$ — откуда и пошло «разветвление 10»), но экономичные входы ALS переносят ограничение на «единицу».

Упражнение 9.1.4

Индикатор «питание» на плате Arduino-шилда: зелёный светодиод ( $U_{пр} = 2, 1$ В) и резистор 150 Ом включены последовательно от +5 В к выходу 74HC. Выход в «0» замените сопротивлением $R_{откр} = 45$ Ом на землю. Найдите ток светодиода и напряжение на выходе микросхемы.

I =мАU_вых =В

Решение

На последовательную цепь $150 + 45 = 195$ Ом приходится $5 - 2, 1 = 2, 9$ В, ток $I = 2, 9/195 = 14, 9$ мА. На выходе остаётся $U = I R_{откр} = 14, 9 \cdot 0, 045 = 0, 67$ В. До «чистого» КМОП-нуля далеко, но это ниже порога 1,5 В, и остальные входы на этом выходе по-прежнему увидят «0». При ещё больших токах резистивная модель неверна: выход переходит в режим источника тока, как видно на графике выходных характеристик.

Упражнение 9.1.5

Кнопка подключена между входом ТТЛ и землёй через резистор 10 кОм «для защиты». При нажатии схема не видит «0». Почему?

Решение

Ко входу подключён эмиттер транзистора, база которого через резистор (4 кОм у стандартной ТТЛ) связана с +5 В. Чтобы вход стал «нулём», внешняя цепь должна принять ток $(5 - U_{БЭ} - U_{вх}) / R_{б}$ — около миллиампера — и при этом удержать вход ниже 0,4 В. Через 10 кОм такой ток дал бы десятки вольт падения; на деле ток просто уменьшается, а напряжение на входе устанавливается около порога и выше — вход читает «1». Вывод: ТТЛ управляют ключом прямо на землю (или резистором в сотни ом), а не высокоомным резистором.

9.1.3Сопряжение логических семейств

≈ 11 мин4 упр.

Главное

Соединение двух микросхем может не заработать по трём причинам: не те уровни, не хватает тока, не совпадают напряжения питания.
Нужно, чтобы оба запаса $Δ^{1}$ и $Δ^{0}$ были положительны, а нагрузка не превышала $N \leq min (I_{вых}^{0} / I_{вх}^{0}, I_{вых}^{1} / I_{вх}^{1})$ .
ТТЛ → HC: подвеска 4,7 кОм к +5 В или буфер HCT; КМОП на 3,3 В и КМОП на 5 В напрямую не соединяются ни в какую сторону.
Медленный фронт 4000B/74C на тактовом входе HC/AC вызывает пачку ложных срабатываний — ставьте триггер Шмитта.

Почему бы не собирать всё на одном семействе? Потому что жизнь вмешивается постоянно:

нужная БИС — контроллер, память, АЦП — сделана по n-МОП-технологии, её «единица» около +3 В рассчитана на ТТЛ и не годится для входа 74HC;
для схемы на 74LS идеально подходит счётчик-дешифратор из серии 74C9xx;
основная часть прибора работает на 12-вольтовой КМОП, а с внешним миром — ТТЛ-сигналами и кабелями — удобнее общаться через 5-вольтовую логику.

Любой такой стык проверяется по трём пунктам:

уровни — дотягивает ли выход до порога входа;
ток — хватит ли выходу нагрузочной способности;
питание — не выходит ли напряжение выхода за то, что допускает вход.

Для первого пункта достаточно четырёх справочных чисел: у источника — гарантированные выходные уровни $U_{вых}^{1}$ (не ниже) и $U_{вых}^{0}$ (не выше), у приёмника — пороги $U_{вх}^{1}$ (не ниже) и $U_{вх}^{0}$ (не выше). Из них считают запасы помехоустойчивости:

Запасы помехоустойчивости

Δ^{1} = U_{вых}^{1} (мин) - U_{вх}^{1} (мин), Δ^{0} = U_{вх}^{0} (макс) - U_{вых}^{0} (макс)

Обозначения:

U_{вых}^{1}

U_{вых}^{0}

U_{вх}^{1}

U_{вх}^{0}

Оба запаса обязаны быть больше нуля; у ТТЛ каждый по 0,4 В:

2, 4 - 2, 0

и

0, 8 - 0, 4

.

Гарантированные зоны выхода должны целиком попадать в зоны, которые вход понимает однозначно

Три шага проверки стыка

Уровни $Δ^{1} > 0$ и $Δ^{0} > 0$ — по гарантированным значениям, а не по типовым
Токи $N \leq min (I_{вых}^{0} / I_{вх}^{0}, I_{вых}^{1} / I_{вх}^{1})$ — проверить оба уровня
Питаниевыход не выходит за допустимый диапазон входа (для КМОП — не выше его питания)

Ниже — итоги этой проверки для типичных пар семейств: сначала по источникам, затем общей таблицей. А в модели можно выбрать любую пару и увидеть, какой из трёх пунктов не проходит.

Модель: можно ли соединить выход одного семейства со входом другого

Пары семейств по источнику сигнала

Источник — ТТЛ. Питание 5 В, «ноль» почти на земле, «единица» около +3,5 В (гарантированно лишь 2,4–2,7 В). Всё, что имеет низкий порог, — ТТЛ, HCT, ACT, n-МОП — подключается напрямую: у них совместимость с ТТЛ заложена при проектировании.

Входам HC, AC и 4000B/74C при 5 В нужна «единица» почти до +5 В. Два способа её получить:

резистор подвески к +5 В — обычно 4,7 кОм; это компромисс: меньший резистор ускоряет фронт, но увеличивает ток, который выход отводит в «нуле»;
промежуточный буфер HCT или ACT — его выход и так размахивается на всё питание.

Подвеска не бесплатна по скорости. Примерно до 2,8 В линию поднимает сам выход ТТЛ, а оставшийся участок — как раз тот, что нужен приёмнику, — проходит по экспоненте с постоянной $R C_{нагр}$ (график ниже). Для КМОП на 10–15 В понадобится преобразователь уровней — 40109, 14504, LTC1045. Они медленные, но это неважно: и сам приёмник медленный.

Какие пары семейств соединяются напрямую и что нужно для остальных
Источник ↓ / приёмник →	ТТЛ, n-МОП	HCT, ACT	HC, AC (5 В)	HC, AC (3,3 В)	4000B (10 В)
ТТЛ, n-МОП	да	да	подвеска 4,7 кОм или буфер HCT	да	преобразователь
HCT, ACT, HC, AC (5 В)	да	да	да	нет	преобразователь
HC, AC (3,3 В)	да	да	нет	да	преобразователь
4000B/74C (5 В)	одна нагрузка LS/ALS	да	да	нет	преобразователь
4000B/74C (10 В)	через 4049/50, 74C901	через 4049/50	через 4049/50	через преобразователь	да

1234

Сверху: ТТЛ прямо на вход HCT. Снизу: ТТЛ на вход HC с резистором подвески

Что здесь что (4)

Прямое соединение. HCT/ACT переключаются около 1,4 В, гарантированных 2,4 В от ТТЛ хватает с запасом
Резистор подвески 4,7 кОм. поднимает «единицу» до +5 В; уменьшите его — фронт станет быстрее, но вырастет ток в «0»
Вход HC/AC. порог около 2,5 В, а надёжная «1» — от 3,5 В; без подвески ТТЛ туда не достаёт
Выход ТТЛ. сам доводит линию примерно до 2,8 В, остальное делает резистор

Фронт на линии с подвеской: резкий подъём до 2,8 В, дальше — медленная экспонента RC

Когда уровни совпадают, а схема всё равно сбоит

Бывает и несовместимость, которую по справочным уровням не увидишь. Подключите выход 4000B/74C к тактовому входу счётчика HC или AC — и счётчик начнёт считать лишнее. Механизм таков:

Как один медленный фронт превращается в несколько

Медленный фронт 74C

Переключение HC

Высокий

R_{вых}

74C

Лишние фронты

Бывает и наоборот: счётчик HC не считает вовсе — и «оживает», стоит прикоснуться к входу щупом осциллографа, который добавляет немного ёмкости. Такие загадки почти всегда объясняются медленным фронтом.

Ловушка. Сигналы с пологими фронтами подавайте на тактовые и другие фронтовые входы HC/AC только через триггер Шмитта (HC14) или быстрый буфер.

Пологий фронт медленной КМОП на входе быстрой: на выходе приёмника — пачка переключений

Упражнение 9.1.6 задача

Выносной датчик на плате с 74HC питается от двух батареек AA — 3,0 В, а основной блок собран на 74AC с питанием 5,0 В. Между платами — несколько сигнальных линий в обе стороны. Покажите, почему соединить их напрямую нельзя ни в одном направлении, назовите, что именно ломается в каждом случае, и предложите, как сделать стык правильно.

Решение

От 3,0 В к 5 В. «Единица» 74HC при питании 3,0 В — не выше 3,0 В. Вход 74AC при 5 В гарантированно читает «1» лишь от $0, 7 U_{пит} = 3, 5$ В, так что $Δ^{1} = 3, 0 - 3, 5 = - 0, 5$ В. Запас отрицательный: вход висит в зоне неопределённости, а его входной каскад к тому же пропускает сквозной ток. Здесь ломаются уровни.

От 5 В к 3,0 В. «Единица» 74AC — почти 5 В, на 2 В выше питания датчика. Открывается защитный диод входа на шину +3 В, и мощный выход AC ( $R_{откр} \approx 10$ Ом) загоняет ток в чужую шину питания. Он может приподнять её напряжение, питать через вход всю плату датчика при вынутых батарейках и вызвать защёлкивание. Это уже не просто неверный уровень, а превышение допустимого входного напряжения — случай более опасный.

Правильный стык. В сторону 3 → 5 В — приёмник с ТТЛ-порогом (74HCT/ACT при 5 В: порог 1,4 В, надёжная «1» от 2,0 В) или преобразователь уровней. В сторону 5 → 3 В — буфер, вход которого допускает напряжение выше своего питания (4049/4050, 74C901/902, 14504, LTC1045; из современных — семейства LVC с 5-вольтовой толерантностью), либо, для медленных сигналов, последовательный резистор, ограничивающий ток диода долями миллиампера.

Упражнение 9.1.7

Продолжим предыдущую задачу. Оцените ток через защитный диод входа 74HC на плате датчика (питание 3,0 В), если к нему всё-таки подключили выход 74AC в «единице». Выход AC представьте сопротивлением 15 Ом от +5 В, прямое падение диода — 0,7 В, шина 3,0 В жёсткая.

I =мА

Решение

$I = \frac{5 - 3 , 0 - 0 , 7}{15} = 0, 0867$ А $\approx 87$ мА. Это почти в девять раз выше порога защёлкивания (около 10 мА). В реальности ток будет меньше — выход нелинеен, у шины есть сопротивление, — но порядок величины не оставляет сомнений: так соединять нельзя.

Упражнение 9.1.8

Старый датчик с выходом 74LS подключают ко входу микросхемы 74HC и добавляют подвеску 2,7 кОм к +5 В; ёмкость линии вместе со входом — 50 пФ. До 2,8 В выход ТТЛ поднимает линию сам, дальше — только резистор. Сколько времени пройдёт от этого момента, пока на входе не будет 3,5 В (надёжная «1» для HC)? Какой дополнительный ток придётся отводить выходу LS в «нуле»?

t =нсI =мА

Решение

Линия заряжается к 5 В с постоянной $τ = RC = 2, 7 \cdot 1 0^{3} \cdot 50 \cdot 1 0^{- 12} = 135$ нс: $U (t) = 5 - 2, 2 e^{- t / τ}$ . Из $5 - 2, 2 e^{- t / τ} = 3, 5$ получаем $t = τ ln (2, 2/1, 5) = 135 \cdot 0, 383 = 51, 7$ нс — добавка того же порядка, что задержка самого вентиля. В «нуле» через резистор течёт $5/2, 7 кОм \approx 1, 85$ мА, и это вычитается из 8 мА, которые способен принять выход LS.

Упражнение 9.1.9

Выход 74LS ( $I_{вых}^{0} = 8$ мА при 0,5 В) с резистором подвески к +5 В управляет четырьмя входами 74LS (по 0,4 мА в «0») и двумя входами стандартной серии 74 (по 1,6 мА в «0»). Каким наименьшим может быть сопротивление подвески?

R мин =Ом

Решение

В «нуле» выход принимает ток резистора и токи всех входов: $\frac{5 - 0 , 5}{R} + 4 \cdot 0, 4 + 2 \cdot 1, 6 \leq 8$ мА. Входы забирают $4, 8$ мА, на резистор остаётся $3, 2$ мА, откуда $R \geq 4, 5/3, 2 = 1, 41$ кОм. Верхний предел задаёт скорость фронта (см. предыдущее упражнение), так что берут номинал между пределами — например, 2,2–4,7 кОм.

9.1.4Управление КМОП- и ТТЛ-входами

≈ 11 мин3 упр.

Главное

ТТЛ лучше всего читает ключ на землю с резистором подвески к +5 В: ключ без труда принимает входной ток, а разомкнутое состояние имеет запас не меньше 3 В.
КМОП устраивает любая схема — ключ на землю или на питание — с резистором 10–100 кОм.
Дребезг (от 1 до 50 мс) убирают триггером-защёлкой, RC-фильтром со Шмиттом, цифровым фильтром 4490 или буфером с обратной связью.
Через контакты должно течь хотя бы несколько миллиампер, иначе окисная плёнка даст «сухое переключение».

Кнопка — самый простой датчик

Механический контакт — тумблер, кнопка, концевик, клавиша — даёт всего два состояния: замкнуто и разомкнуто. Превратить их в логические уровни нужно резистором, и вопрос лишь в том, куда его подключить. Посмотрим на варианты на схеме ниже.

Для ТТЛ правильный ответ один: резистор к питанию, ключ на землю. Здесь всё работает на вход: замкнутый ключ легко принимает вытекающий из входа ток, разомкнутый оставляет вход на резисторе, который поднимает его почти до +5 В, — запас по помехам больше 3 В. К тому же один вывод ключа удобно сделать общим проводом.

Зеркальная схема — резистор на землю, ключ на +5 В — для ТТЛ плоха. Резистор пришлось бы взять маленьким, около 220 Ом, чтобы вытекающий ток поднимал на нём «ноль» лишь на несколько десятых вольта, а при замкнутом ключе через этот резистор впустую идут десятки миллиампер.

Два способа подключить ключ ко входу ТТЛ

	Подвеска к +5 В, ключ на землю	Резистор на землю, ключ на +5 В
Резистор для ТТЛ	единицы килоом (например, 4,7 кОм)	около 220 Ом, иначе входной ток поднимет «0»
Ток при замкнутом ключе	около 1 мА	около 23 мА впустую
Запас, ключ разомкнут	3 В и больше	около 0,6 В (у 74F порог 0,8 В при вытекающем токе 0,6 мА)
Итог	правильный выбор для ТТЛ	для ТТЛ не годится

Заметьте, что наиболее уязвимо к наводкам как раз разомкнутое состояние: вход тогда связан с шиной только через резистор. У КМОП об этом можно беспокоиться меньше: тока вход не берёт, порог — в середине питания, и резистор допустим от 10 до 100 кОм. Годятся обе схемы. Обычно удобнее заземлённый ключ, но если по логике устройства проще, чтобы нажатие давало «единицу», резистор на землю ничем не хуже.

123456

Три способа подключить ключ: 1 — к ТТЛ, 2 и 3 — к КМОП (дребезг здесь ещё не подавлен)

Что здесь что (6)

Подвеска 4,7 кОм к +5 В. пока ключ разомкнут, держит «1» с запасом больше 3 В
Ключ на землю. без труда принимает входной ток ТТЛ (около 1 мА) — «0» получается чистым
Вход ТТЛ. у элемента НЕ-И входы объединены — он работает инвертором
47 кОм к питанию. КМОП-вход тока не берёт, подходит любое значение 10–100 кОм
Ключ на питание. для КМОП допустимо: нажатие даёт «1»
47 кОм на землю. держит «0», пока ключ разомкнут; для ТТЛ такой резистор слишком велик — нужен около 220 Ом

Дребезг: один щелчок — много импульсов

Нажмите кнопку на макетной плате, подключённой к счётчику, — и вместо единицы на индикаторе окажется три, пять, семь. Контакт при замыкании не встаёт на место сразу, а несколько раз отскакивает: у мелких кнопок около миллисекунды, у крупных переключателей до 50 мс (подробно явление разобрано в главе 8). Схеме, которая реагирует на уровень, это почти безразлично, а вот всё, что срабатывает по фронту, — триггеры, счётчики, прерывания микроконтроллера, — сосчитает каждый отскок.

Сигнал с контакта и после подавления дребезга: пачка перепадов превращается в один, слегка запоздавший

Все способы борьбы с дребезгом опираются на одну из двух идей. Первая — память: схема запоминает первое касание и не замечает последующих. Вторая — фильтр во времени: выход меняется, только когда вход достаточно долго пробыл в новом состоянии. К ним добавляются готовые решения.

Подавители с памятью (нужен переключатель на два направления)

Защёлка из двух вентилей. Два элемента НЕ-И с перекрёстными связями образуют RS-триггер, каждый вход подтянут резистором к питанию, а подвижный контакт переключателя заземлён. Пока контакт летит между неподвижными или прыгает на одном из них, триггер хранит состояние: первое касание его переключает, а повторные касания того же контакта ничего не меняют. Подойдёт и обычный триггер с входами установки и сброса — например, '74, у которого тактовый вход заземлён.
Готовые сборки защёлок: '279, 4043, 4044 — четыре RS-триггера в одном корпусе.
Буфер с обратной связью. Выход неинвертирующего КМОП-элемента соединён с его же входом, а переключатель на два направления в момент касания замыкает эту точку на $U_{пит}$ или на землю, на мгновение «пересиливая» выход. Закоротить логический выход допустимо, потому что это длится лишь время задержки вентиля: как только вентиль переключился, он сам держит новый уровень. Пока контакт в полёте, обратная связь сохраняет прежнее состояние.

Подавители-фильтры (годятся для простой кнопки)

RC-цепочка и триггер Шмитта. Фильтр нижних частот $R_{2} C_{1}$ сглаживает отскоки, а гистерезис КМОП-триггера Шмитта превращает медленно меняющееся напряжение на конденсаторе в один чистый перепад. Обычно хватает постоянной времени 10–25 мс. С ТТЛ этот способ не работает: ей нужен низкоомный источник сигнала, а не конденсатор за сотней килоом.
Цифровой фильтр 4490 — «шестиканальный» подавитель дребезга. На каждый канал в нём есть 5-разрядный сдвиговый регистр: выход меняется, только если вход продержался в новом состоянии все пять тактов. Внутри уже есть резисторы подвески и генератор; снаружи ставят лишь конденсатор, который задаёт частоту генератора, а значит, и время задержки.

Готовые и бесконтактные решения

Микросхемы со встроенным подавителем. Шифраторы клавиатуры изначально рассчитаны на механические клавиши и, как правило, сами справляются с дребезгом.
Ключи на эффекте Холла. Клавиша или кнопка с магнитом и датчиком Холла внутри питается от +5 В и выдаёт чистый сигнал для ТТЛ или 5-вольтовой КМОП: контактов нет, дребезжать нечему, изнашиваться тоже нечему. Единственная их слабость — магниты со временем могут ослабевать.

Подбираем способ к ключу

Какой подавитель дребезга выбрать

	Кнопка на одно направление (замыкающая)	Переключатель на два направления
Какие способы подходят	RC + Шмитт, 4490 и обычно шифраторы клавиатуры	все, включая защёлку из вентилей, сборки '279/4043/4044 и буфер с обратной связью
Почему так	фильтру во времени достаточно одного контакта	схемам с памятью нужны два контакта: один ставит, другой сбрасывает

Два замечания напоследок:

Подавлять дребезг нужно не всегда. Если кнопка, скажем, просто разрешает работу узла и схема не реагирует на фронты, отскоки никому не мешают.
Хорошие контакты при каждом переключении слегка трутся и самоочищаются, но для этого через них должен течь ток хотя бы в несколько миллиампер.

Ловушка. Если ток через контакты ничтожен, на окисленной поверхности возникает «сухое переключение» — контакт то проводит, то нет. Помогает позолоченный контакт специальной конструкции: такие работают и при нулевом токе.

123456

Защёлка из двух элементов НЕ-И гасит дребезг переключателя на два направления

Что здесь что (6)

Переключатель на два направления. подвижный контакт заземлён и перелетает от одного неподвижного контакта к другому
Резисторы подвески 2,2 кОм. держат на входах «1», пока контакт их не касается
Элемент НЕ-И (установка). первое же касание даёт на его входе «0», и триггер переключается
Элемент НЕ-И (сброс). отскоки того же контакта состояние уже не меняют
Перекрёстные связи. выход одного элемента заведён на вход другого — так хранится состояние, пока контакт в полёте
Выход Q. ровно один перепад на каждое переключение

12345

Фильтр R_2C_1 и триггер Шмитта: подавитель дребезга для простой кнопки

Что здесь что (5)

$R_{1}$ . подвеска: при разомкнутой кнопке $C_{1}$ заряжается через $R_{1} + R_{2}$
Кнопка. нажатие разряжает $C_{1}$ через $R_{2}$
$R_{2}$ . вместе с $C_{1}$ образует ФНЧ; постоянная времени обычно 10–25 мс
$C_{1}$ . отскоки длятся слишком мало, чтобы заметно сдвинуть его напряжение
Триггер Шмитта 74HC14. благодаря гистерезису медленное напряжение конденсатора даёт один чистый перепад

123

Буфер, замкнутый сам на себя: переключатель лишь «перебрасывает» его состояние

Что здесь что (3)

Переключатель на два направления. в момент касания на мгновение пересиливает выход, замыкая точку на $U_{пит}$ или на землю
Неинвертирующий КМОП-буфер. закорочен лишь на время своей задержки; переключившись, сам удерживает новый уровень
Обратная связь. выход соединён с собственным входом: пока контакт в полёте, состояние сохраняется

Упражнение 9.1.10

В старом блоке управления микроволновкой на ТТЛ серии 74 концевик дверцы включён между +5 В и входом, а резистор на землю держит «0», пока концевик разомкнут. Вход в «0» отдаёт 1,6 мА, порог $U_{вх}^{0}$ — не выше 0,8 В. Каким наибольшим может быть этот резистор, чтобы запас по «нулю» остался 0,4 В? Какой ток бесполезно течёт через резистор, пока дверца закрыта (концевик замкнут)?

R =ОмI =мА

Решение

Концевик разомкнут: вытекающие из входа 1,6 мА идут через резистор на землю, и падение на нём не должно превысить $0, 8 - 0, 4 = 0, 4$ В. Значит, $R \leq 0, 4/1, 6 \cdot 1 0^{- 3} = 250$ Ом. Концевик замкнут: резистор стоит прямо между +5 В и землёй, $I = 5/250 = 20$ мА — и так всё время, пока дверца закрыта. Перевернув схему (концевик на землю, подвеска 4,7 кОм к +5 В), мы получим ток около 1 мА и запас больше 3 В.

Упражнение 9.1.11

Кнопка «Старт» кофемашины подключена через RC-подавитель со Шмиттом (схема выше) с $R_{1} = 10$ кОм, $R_{2} = 150$ кОм, $C_{1} = 0, 1$ мкФ при питании 5 В. У взятого экземпляра 74HC14 пороги $U_{пор}^{+} = 3, 0$ В и $U_{пор}^{-} = 1, 5$ В. Через какое время после отпускания кнопки (конденсатор заряжается с нуля) и после нажатия (разряжается с 5 В) переключится выход? Хватит ли этого при дребезге до 10 мс?

t отпуск. =мсt нажат. =мс

Решение

Отпускание: $C_{1}$ заряжается через $R_{1} + R_{2} = 160$ кОм, $τ_{1} = 160 \cdot 1 0^{3} \cdot 0, 1 \cdot 1 0^{- 6} = 16$ мс. Напряжение $U (t) = 5 (1 - e^{- t / τ_{1}})$ дойдёт до 3,0 В при $t = τ_{1} ln \frac{5}{5 - 3 , 0} = 16 \cdot 0, 916 = 14, 7$ мс. Нажатие: кнопка заземляет точку между $R_{1}$ и $R_{2}$ , конденсатор разряжается через $R_{2}$ , $τ_{2} = 15$ мс; $5 e^{- t / τ_{2}} = 1, 5$ при $t = τ_{2} ln (5/1, 5) = 15 \cdot 1, 204 = 18, 1$ мс. Обе задержки больше 10 мс, а за время отскоков напряжение на $C_{1}$ успевает измениться совсем немного — меньше гистерезиса. Ложных переключений не будет, а задержка 15–18 мс для кнопки незаметна.

Упражнение 9.1.12

На передней панели прибора стоит тумблер на два направления. Какой из перечисленных подавителей дребезга можно применить только с таким переключателем, а с обычной замыкающей кнопкой — нельзя?

Решение

Буфер с обратной связью (как и защёлка из двух вентилей) — схема с памятью: она переключается касанием одного неподвижного контакта и возвращается касанием другого. У замыкающей кнопки второго контакта нет, вернуть такую схему в исходное состояние было бы нечем. RC + Шмитт, 4490 и шифраторы фильтруют сигнал во времени и работают с одним контактом.

9.1.5Управление цифровой логикой от компараторов и операционных усилителей

≈ 8 мин3 упр.

Главное

Компаратор с открытым коллектором подключают к логике напрямую, добавив резистор к +5 В (или к питанию КМОП).
Выход ОУ с размахом ±13 В подают на КМОП через резистор в десятки килоом (защитные диоды ограничат уровень) либо на ТТЛ через транзисторный ключ.
Сигналы с пологим фронтом не годятся для тактовых входов — нужен гистерезис.
Гистерезис компаратора с положительной ОС: $Δ U_{гист} \approx Δ U_{вых} R_{1} / (R_{1} + R_{2})$ .

Аналоговый мир входит в цифровую схему через три двери: компаратор, операционный усилитель и АЦП. Последний — тема отдельная, а первые два подключаются к логике несколькими типовыми способами. Все они решают одну и ту же задачу: перевести выход, который может качаться между ±15 В, в уровни, понятные логике, и ничего при этом не сжечь.

Компаратор напрямую. Почти у всех компараторов выход — n-p-n-транзистор с заземлённым эмиттером и открытым коллектором. Значит, уровни выбирает потребитель: подтяните коллектор резистором к +5 В — получите ТТЛ-сигнал, к питанию КМОП — КМОП-сигнал.

Двуполярное питание самому компаратору тоже не обязательно. Многие работают от одного источника, когда $U_{-}$ соединён с землёй, а 311, 339, 393, TLC372/4 — даже от одного +5 В.

Компаратор с открытым коллектором (LM311, 393…) и подвеска к +5 В

Тактовые входы и гистерезис

Ловушка. Не заводите сигнал от этих схем на тактовые входы — триггеров, сдвиговых регистров, счётчиков, одновибраторов. Выход ОУ меняется медленно, и пока он проходит порог, могут проскочить лишние фронты.

Когда нужен фронт, ставят компаратор с гистерезисом или пропускают сигнал через вентиль с триггером Шмитта. Это правило распространяется и на сигналы от любых транзисторных аналоговых схем.

Как устроен гистерезис, видно на пороговом детекторе ниже. Часть выходного перепада через делитель $R_{2} R_{1}$ возвращается на неинвертирующий вход — положительная обратная связь. Стоило выходу переключиться, как порог отскочил в сторону, и чтобы переключить выход обратно, входу придётся пройти лишний путь:

Гистерезис порогового детектора

Δ U_{гист} \approx Δ U_{вых} \frac{R _{1}}{R _{1} + R _{2}} = 5 В \cdot \frac{2 кОм}{332 кОм} \approx 30 мВ

Обозначения:

Δ U_{гист}

Δ U_{вых}

R_{1}

R_{2}

123456

Пороговый детектор с гистерезисом около 30 мВ и выходом на ТТЛ

Что здесь что (6)

Компаратор 311. открытый коллектор; на медленном входе без гистерезиса охотно выдаёт пачку импульсов
$R_{3}$ — подвеска 2,2 кОм. создаёт «1» для ТТЛ
$R_{2}$ = 330 кОм. положительная ОС: при перепаде выхода порог сдвигается примерно на 30 мВ
$C_{2}$ = 47 пФ. на время фронта резко усиливает положительную ОС — переключение получается быстрым и однократным
$R_{1}$ = 2 кОм. нижнее плечо делителя, вместе с $R_{2}$ задаёт гистерезис
$C_{1}$ . держит опорное напряжение чистым от выбросов; если порог — земля, его можно не ставить

Обратите внимание на два конденсатора — без них схема работает хуже, чем обещает формула:

$C_{2}$ параллельно $R_{2}$ на время фронта передаёт на вход почти весь перепад выхода. Обратная связь кратковременно становится очень сильной, переключение — резким, а повторные импульсы на пороге (311 особенно этим грешит) не успевают возникнуть.
$C_{1}$ блокирует вход опорного напряжения: выбросы с выхода не должны попадать на опору. Если порог нулевой и вход просто заземлён, $C_{1}$ не нужен.

Упражнение 9.1.13

Термостат аквариума: напряжение с термодатчика сравнивается с уставкой на таком же пороговом детекторе. Сигнал датчика шумит с размахом около 50 мВ, поэтому гистерезис хотят сделать 75 мВ, оставив $R_{2} = 330$ кОм (перепад выхода 0…5 В). Каким должно быть $R_{1}$ ?

R₁ =кОм

Решение

Нужно $5 \frac{R _{1}}{R _{1} + R _{2}} = 0, 075$ В, то есть $\frac{R _{1}}{R _{1} + R _{2}} = 0, 015$ . Отсюда $R_{1} = \frac{0 , 015}{0 , 985} R_{2} = 0, 01523 \cdot 330 = 5, 03$ кОм — подойдёт стандартный 5,1 кОм. Нагрузка выхода резистором $R_{3}$ меняет «единицу» на доли процента, этим можно пренебречь. Шум 50 мВ меньше гистерезиса 75 мВ, и реле обогревателя не будет «трещать» у уставки.

Упражнение 9.1.14

ОУ с питанием ±15 В управляет двумя входами 74LS (по 0,4 мА в «0») через n-p-n-ключ, как на вкладке «ОУ → ключ → ТТЛ»: в «единице» выход ОУ +13 В, $R_{1} = 15$ кОм, $R_{2} = 2, 2$ кОм. Найдите ток базы, ток коллектора в насыщении и наименьший $h_{21 Э}$ , при котором ключ ещё насыщен.

I_Б =мАI_К =мАh_21Э мин =

Решение

$I_{Б} = (13 - 0, 7) /15 кОм = 0, 82$ мА. Коллектор насыщенного ключа принимает ток подвески $5/2, 2 = 2, 27$ мА и токи двух входов $2 \cdot 0, 4 = 0, 8$ мА: $I_{К} = 3, 07$ мА. Для насыщения нужно $h_{21 Э} \geq I_{К} / I_{Б} = 3, 75$ . У маломощных транзисторов $h_{21 Э}$ порядка 100, так что ключ насыщен с многократным запасом — правда, из глубокого насыщения он и выходит медленнее.

Упражнение 9.1.15

Сигнал с выхода ОУ, питаемого от ±12 В (размах ±11 В), заводят на вход 74HC с питанием 3,3 В через последовательный резистор, как на вкладке «ОУ → КМОП». Ток через любой защитный диод не должен превышать 0,5 мА, падение на открытом диоде — 0,6 В. Найдите наименьшее сопротивление резистора и его постоянную времени с входной ёмкостью 10 пФ. Годится ли такой сигнал для тактового входа?

R =кОмτ =нс

Решение

Проверим обе полярности. При +11 В вход упирается в $3, 3 + 0, 6 = 3, 9$ В, и $R \geq (11 - 3, 9) /0, 5 мА = 14, 2$ кОм. При −11 В вход фиксирован на −0,6 В, и $R \geq (11 - 0, 6) /0, 5 мА = 20, 8$ кОм — это условие строже, его и берём (стандартный номинал 22 кОм). Постоянная времени $RC = 20, 8 \cdot 1 0^{3} \cdot 1 0^{- 11} = 208$ нс. Но главное ограничение — сам ОУ: при скорости нарастания около 1 В/мкс он проходит порог за микросекунды, и для HC такой фронт бесконечно пологий. На тактовый вход — только через компаратор с гистерезисом или триггер Шмитта.

9.1.6Некоторые замечания, касающиеся логических входов

≈ 6 мин3 упр.

Главное

У ТТЛ (а вслед за ней у HC и AC) входы обычно активны низким уровнем: в покое линия подтянута к питанию, сигнал — замыкание на землю.
В «единице» у ТТЛ запас около 3 В, в «нуле» — всего 0,8 В; выброс на земле в полвольта уже опасен.
Неподключённый вход ТТЛ — «единица» без всякого запаса; входы, от которых что-то зависит, так оставлять нельзя.
Все неиспользуемые входы КМОП подключают к земле или питанию — иначе сквозной ток, а то и генерация.

Почему активным делают «ноль»

Загляните в справочник на любой ТТЛ-триггер: входы установки и сброса помечены чертой — они срабатывают от «нуля». Это не случайность, а сложившаяся в ТТЛ традиция, которую потом унаследовали HC и AC. Внешние входы устройства по той же причине почти всегда делают так: резистор подвески держит линию в «единице», а действие — это замыкание на землю, то есть приём тока. Выгода двойная:

механический ключ проще всего возвращать на общий провод;
линия, которая большую часть времени стоит в «единице», лучше защищена от помех.

Второе требует пояснения. Сравним запасы помехоустойчивости ТТЛ в двух состояниях:

≈ 3 Влиния в покое около +5 В

0,8 Влиния в покое около 0 В

0,5 Вобычный выброс на земле

Выброс в полвольта на земле — дело обычное: каждый перепад гонит через индуктивность земляного провода короткий импульс тока (подробно — в пункте о внутриплатных соединениях раздела 9.2). Если линия стоит в «нуле», такой выброс вполне может показаться приёмнику «единицей». Линию в «единице» он не потревожит.

У КМОП запасы в обоих состояниях одинаковые, поэтому для источников, у которых одно из состояний «пустое» (ключ, открытый коллектор), резистор можно ставить и к питанию, и к земле. Чаще выбирают землю; к питанию — когда источник сам похож на ключ, замыкающий на общий провод.

Неподключённый вход ТТЛ

Что «видит» ТТЛ на свободном входе? Тока нет, входной переход не открыт, и вход воспринимается как «единица». Но напряжение на нём — около 1,3 В, то есть ровно на пороге. Отсюда соблазн, которому поддаются и в серийных схемах: вход, который должен быть в «1», просто никуда не подключают.

Ловушка. Не делайте так: запас помехоустойчивости такого входа равен нулю. Любая ёмкостная связь с соседней дорожкой даёт на нём короткие провалы к «нулю».

1234

Висящий вход сброса: перепады соседней дорожки через паразитную ёмкость сбрасывают триггер

Что здесь что (4)

Соседний сигнал. каждый его перепад через паразитную ёмкость передаётся на свободный вход
Паразитная ёмкость. между дорожками — доли пикофарады; щуп прибора добавит ещё
Свободный вход. висит около 1,3 В, прямо на пороге, — запаса нет
Триггер / регистр. неподключённый СБРОС сработает когда ему вздумается

Последствия неприятны и плохо уловимы:

у простых вентилей на выходе появятся ложные выбросы, а у триггеров и регистров это уже неисправность — висящий вход СБРОС сбросит их в случайный момент;
сами выбросы — одиночные иголки шириной около 20 нс, и осциллографом их легко прозевать;
хуже всего при наладке: стоит подключить к выводам логический анализатор или клипсу, и ёмкость щупов начнёт вызывать провалы на свободных входах — вы отлаживаете уже не ту схему, что была.

Надёжность здесь стоит одного проводника — экономить на нём бессмысленно.

Что делать с лишними входами

Входы, от которых зависит логическое состояние (сброс, установка, разрешение), всегда подключают к нужному уровню. С остальными ТТЛ и КМОП ведут себя по-разному:

Свободные входы у ТТЛ и у КМОП

	ТТЛ	КМОП
Входы, которые ни на что не влияют (например, у свободного вентиля в корпусе)	можно не подключать	подключать обязательно: вход уплывёт к порогу
Что происходит со свободным входом	«единица» без запаса	выход повисает посередине питания, оба выходных транзистора приоткрыты и работают в классе A
Чем это грозит	ничем, если от входа ничего не зависит	лишним током, а у микросхем со многими выходными каскадами — и отказом
Как поступить	можно не трогать: например, входы параллельной загрузки счётчика, если загрузка никогда не включается	соединить с землёй все входы неиспользуемых частей каждой КМОП-микросхемы

Упражнение 9.1.16

На плате с 74F несколько неиспользуемых входов должны стоять в «единице». Их подключают к +5 В через общий резистор 2,2 кОм, который защищает входы от выбросов питания. Каждый вход в «1» потребляет до 20 мкА. Сколько входов можно посадить на этот резистор, если напряжение на них не должно опускаться ниже 4,5 В?

N =

Решение

На резисторе допустимо потерять $5 - 4, 5 = 0, 5$ В, то есть ток не больше $0, 5/2, 2 кОм = 227$ мкА. Это $227/20 = 11, 4$ входа — округляем вниз, получаем 11. До порога ТТЛ (2,0 В) ещё очень далеко; планку 4,5 В выбрали, чтобы не терять запас помехоустойчивости «единицы».

Упражнение 9.1.17

В автоматической кормушке для кошки стоит CD4011 — четыре вентиля НЕ-И, и задействованы только два. Как правильно поступить со входами двух оставшихся вентилей?

Решение

Свободный КМОП-вход медленно уплывает к порогу около $U_{пит} /2$ . Тогда выходной каскад вентиля оказывается в линейном режиме: через оба транзистора идёт сквозной ток, а вентиль может ещё и генерировать, создавая помехи соседям. Для кормушки на батарейках это ещё и разряд батареи. Поэтому входы лишних частей КМОП-микросхем соединяют с землёй или питанием. Конденсатор не задаёт постоянного уровня, а соединение входа с выходом НЕ-И образует инвертор с обратной связью, работающий в линейном режиме. У ТТЛ свободный вход неиспользуемого вентиля допустим, у КМОП — нет.

Упражнение 9.1.18

ТТЛ-вход стоит в «нуле»: выход другой ТТЛ-микросхемы держит на нём 0,3 В. В момент переключения соседних выходов земля передающей микросхемы подпрыгивает на +0,6 В. Чего ожидать?

Решение

Порог «нуля» ТТЛ — не выше 0,8 В. При уровне 0,3 В фактический запас 0,5 В, а гарантированный (при $U_{вых}^{0} = 0, 4$ В) — и вовсе 0,4 В. Выброс 0,6 В перекрывает и то и другое, и на входе может проскочить короткая ложная «единица». Фиксирующий диод работает только на отрицательных выбросах, а 3 В — это запас «единицы», а не «нуля». Вот почему в ТТЛ неактивные линии держат в «1» и делают активным низкий уровень.

9.1.7Компараторы

≈ 11 мин3 упр.

Главное

Компаратор — не операционный усилитель: частотной коррекции нет, он быстр и стоек к перегрузкам, но линейным усилителем работать не может.
Выход обычно — открытый коллектор со своим выводом земли (у 311 — до 40 В и 50 мА); быстрые типы имеют выход с активной нагрузкой под 5-вольтовую логику.
Почти всегда нужны гистерезис, аккуратная разводка, блокировка питания и низкоомный источник сигнала.
Входной ток смещения скачком меняется в окне около 100 мВ вокруг порога; при малой перегрузке по входу задержка сильно растёт.

С компаратором мы уже встречались в разделе 4.8: там ОУ, охваченный положительной обратной связью, превращался в триггер Шмитта, и уже тогда было сказано, что специальная микросхема-компаратор справляется с этой работой гораздо лучше. Разберёмся, чем именно она отличается и о чём нужно помнить, ставя её в схему.

За скорость компаратор платит тем, что нужно ОУ

	Компаратор	ОУ в роли компаратора
Задержка	малая	большая: ОУ долго выходит из насыщения
Скорость нарастания выхода	высокая	ограничена цепью коррекции
Стойкость к перегрузке по входу	высокая	ниже
Частотная коррекция	отсутствует — с отрицательной ОС компаратор возбудится	есть — ОУ устойчив с ОС (раздел 4.11)

Дальше по порядку: выходы и питание, входы, быстродействие.

Выход и питание

Самая частая конструкция выхода — открытый коллектор. Он удобен и для логики (достаточно резистора подвески к нужному питанию), и для мощных или высоковольтных нагрузок: 311, например, прямо коммутирует нагрузку до 50 мА, подключённую к источнику до 40 В, а 306 — ещё больший ток.

1234

Выходной каскад 311: открытый коллектор и отдельный вывод эмиттера («земля»)

Что здесь что (4)

Компаратор. без коррекции: разность входов 2 мВ переключает выход за десятки наносекунд
Выходной транзистор. коллектор свободен: нагрузка до 40 В и 50 мА
Резистор подвески или нагрузка. к любому напряжению: +5 В для ТТЛ, питание КМОП, обмотка реле
Отдельная «земля». эмиттер выведен отдельно, поэтому выход опускается до земли при любых $U_{+}$ и $U_{-}$

Вывод эмиттера у таких компараторов отдельный — «земля» — и не зависит от выводов $U_{+}$ и $U_{-}$ ; поэтому выход опускается до земли, как бы ни было устроено питание. Быстрые компараторы (521, 527, 529, 360, 361, 686, CMP-05, LT1016, VC7695/7) обычно устроены иначе: выход с активной нагрузкой, сразу под 5-вольтовую логику, и четыре вывода питания — $U_{+}$ , $U_{-}$ , $U_{КК}$ (+5 В) и земля.

Неприятный сюрприз многих компараторов — им нужно двуполярное питание, даже если вход никогда не становится отрицательным: таковы 306, 710, 711 и быстрые типы с активной нагрузкой. В приборе с одной положительной шиной это неудобно, поэтому стоит держать в голове три списка:

питаются от одного источника, в том числе от +5 В: 311, 319, 339, 393, 365, CA3290, HA4905, CMP-01/02, LT1016, AD790, TLC372/4;
принимают на вход напряжение вплоть до земли при однополярном питании: 339, 393, 365, CA3290, HA4905, LT1017/18, AD790, TLC372/4. Они рассчитаны на один источник, и у большинства (кроме 4905 и 790) выводов питания только два — при двуполярном питании выход такого компаратора опускается до $U_{-}$ , а не до земли. Некоторым хватает +2 В;
микромощные, с током питания меньше 0,5 мА: LP311, LP339, TLC373/4, TLC339/393, TLC3702/4, CMP-04, LT1017/18, MC14574, LP365 (у двух последних ток задаётся внешним резистором). За экономию платят скоростью — реакция в микросекундах.

Входы: гистерезис прежде всего

Самая частая жалоба на компаратор — «звенит»: при медленном сигнале выход выдаёт пачку импульсов вместо одного перепада. Проследим, как это получается у компаратора без гистерезиса:

Откуда берётся «звон» компаратора

Разность 2 мВ

Перепад за < 50 нс

Импульсы тока по питанию

Повторные переключения

Компаратору нужно всего 2 мВ, а его собственный выходной перепад — тысячи милливольт. Чтобы ни малейшая доля этого перепада не вернулась на вход через питание, землю или ёмкость между выводами, нужна почти невозможная аккуратность. Поэтому практические рецепты такие:

Как заставить чувствительный компаратор работать чисто

Гистерезисположительная ОС с небольшим конденсатором параллельно резистору
Разводкавходные цепи — подальше от выхода и шин питания
Блокировка питанияконденсаторы прямо у выводов питания компаратора
Низкоомный источниквысокоомный датчик подключайте через повторитель на ОУ
Без лишней скоростичем быстрее компаратор, тем острее все перечисленные проблемы

Даже вполне добротный 311 без этих мер способен изрядно потрепать нервы. Попробуйте в модели: подайте медленный сигнал с шумом и посмотрите, сколько лишних переключений даёт компаратор без гистерезиса и что меняется, когда гистерезис становится больше шума.

Модель: компаратор на медленном шумящем сигнале

Предельная разность входов

Второе, что легко упустить, — допустимое дифференциальное входное напряжение. Универсальные компараторы (311, 393, LT1011) спокойно переносят разность около ±30 В, но у некоторых быстрых типов (CMP-05, 685-7, VT9687) предел всего 5 В.

Ловушка. Если разность входов может превысить допустимую, поставьте между входами встречно-параллельные фиксирующие диоды. Иначе обратный пробой перехода база — эмиттер входного транзистора снизит его

h_{21 Э}

, сдвинет напряжение смещения, а то и выведет переход из строя.

Ток смещения меняется на пороге

Входной каскад компаратора — обычно дифференциальная пара на биполярных транзисторах, и входные токи у разных типов — от десятков наноампер до десятков микроампер. Важно не только их значение, но и то, что они зависят от разности входов:

когда сигнал проходит порог, ток эмиттеров перебрасывается из одного плеча пары в другое — вместе с ним скачком меняются и токи баз;
в нескольких вольтах от порога включаются внутренние цепи защиты, и токи меняются ещё сильнее.

График ниже показывает типичный вид зависимости. «Ступенька» при нуле на самом деле не мгновенная — это переход шириной около 100 мВ: столько нужно, чтобы дифкаскад переключился полностью (без эмиттерных резисторов хватило бы нескольких $U_{T}$ , с ними окно шире). Когда источник сигнала высокоомный, ступенька тока превращается на нём в ступеньку напряжения — получается паразитный гистерезис, которого никто не закладывал.

Входные токи биполярного компаратора в зависимости от разности входов (качественно, по типу CMP-02)

Если входной ток должен быть совсем малым, выбирают компараторы с полевыми транзисторами на входе:

сдвоенные с МОП-входом — CA3290, TLC372, TLC3702, TLC393;
LF311 — тот же 311, но с входом на полевых транзисторах с p-n-переходом: входной ток не больше 50 пА вместо 250 нА при почти тех же смещении и скорости.

Когда же нужен именно определённый компаратор, а его входной ток велик, перед ним ставят повторители на согласованной паре полевых транзисторов.

250 нАвходной ток 311

50 пАвходной ток LF311

≈ 100 мВокно скачка тока

Есть и тепловая ловушка. Выходной каскад рассеивает разную мощность в «нуле» и в «единице», и неравномерный нагрев кристалла меняет смещение входной пары. Так тепло выхода может само переключать вход: при сигнале около порога выход начинает медленно колебаться, будто где-то рядом «урчит мотор».

Быстродействие и перегрузка

Привычная модель компаратора — идеальный переключатель, который мгновенно реагирует на сколь угодно малую смену знака разности входов. Для малых сигналов это неверно: компаратор — усилитель, и скорость его переключения определяется тем, какое усиление у него остаётся на высоких частотах.

Отсюда понятие перегрузки по входу — на сколько входной сигнал превышает минимальный, нужный для насыщения выхода на постоянном токе. Чем перегрузка меньше, тем больше задержка и тем медленнее фронты. Поэтому в справочных данных приводят семейство кривых «время отклика при разных перегрузках» — пример для компаратора типа 311 на графике ниже.

С ростом перегрузки компаратор ускоряется: больший сигнал компенсирует спад усиления на ВЧ, а выросшие внутренние токи быстрее перезаряжают внутренние ёмкости.
Заметно медленнее компаратор, у которого выходной транзистор включён повторителем, то есть без собственного усиления.

Ориентиры по нескольким распространённым типам собраны в таблице после графика.

Отклик компаратора типа LM311 при разной перегрузке по входу (качественно; открытый коллектор с подвеской 500 Ом к 5 В)

Распространённые компараторы: на что ориентироваться при выборе
Тип	Выход	Питание	Скорость	Особенность
LM311	открытый коллектор + отдельная земля	±15 В или +5 В	≈ 200 нс	нагрузка до 40 В / 50 мА; склонен к генерации
LF311	то же	то же	≈ 200 нс	вход на ПТ: ток 50 пА
LM339 / LM393	открытый коллектор	от +2 до +36 В	≈ 1 мкс	вход включает землю; 4 / 2 в корпусе
LP339, TLC3702	откр. коллектор / двухтактный	одно +5 В	≈ 1–10 мкс	микромощные
LM319	открытый коллектор	±15 В или +5 В	≈ 80 нс	сдвоенный, быстрый
LT1016	комплементарные ТТЛ-выходы	±5 В или +5 В	≈ 10 нс	сверхбыстрый, со строб-защёлкой

Упражнение 9.1.19

Датчик освещённости — делитель с фоторезистором, выходное сопротивление которого в сумерках около 330 кОм, — подключён прямо ко входу компаратора. Оцените сдвиг порога из-за входного тока для 311 (250 нА) и для LF311 (50 пА).

ΔU (311) =мВΔU (LF311) =мкВ

Решение

Сдвиг $Δ U = I_{вх} R_{и}$ . Для 311: $250 \cdot 1 0^{- 9} \cdot 330 \cdot 1 0^{3} = 0, 0825$ В $= 82, 5$ мВ — сумеречный выключатель сработает заметно не там, где задумано. Для LF311: $50 \cdot 1 0^{- 12} \cdot 330 \cdot 1 0^{3} = 16, 5$ мкВ — меньше собственного смещения. К тому же ток биполярного входа скачет в окне около 100 мВ возле порога (график выше), и на 330 кОм это даст паразитный гистерезис. Выход — компаратор с полевым входом или повторитель на ОУ перед 311.

Упражнение 9.1.20

Компаратор с усилением на постоянном токе 100 000 и выходным перепадом 5 В получает синус амплитудой 20 мВ частотой 500 Гц. Какое входное окно соответствует линейному участку его переключения и за сколько времени сигнал это окно проходит? Сравните с паспортной задержкой 200 нс.

ΔU_вх =мкВt =мкс

Решение

Линейный участок: $Δ U_{вх} = 5 В /1 0^{5} = 50$ мкВ. Крутизна синуса у нуля $d U / d t = 2 π f A = 2 π \cdot 500 \cdot 0, 02 = 62, 8$ В/с, то есть 62,8 мкВ/мкс; окно проходится за $50/62, 8 = 0, 80$ мкс — вчетверо дольше паспортной задержки. Значит, фронт на выходе определит медленность сигнала, а не компаратор, и всю эту почти микросекунду любая наводка в десятки микровольт будет дёргать выход туда-обратно. Лекарство — гистерезис.

Упражнение 9.1.21

Детектор перехода сетевого напряжения через ноль для диммера получает с делителя синус амплитудой 2 В частотой 50 Гц, на котором лежит шум размахом 5 мВ. Гистерезиса нет. Как долго сигнал находится в полосе шума около нуля и сколько раз за это время может переключиться компаратор, которому на одно переключение нужно 100 нс?

t =мксN ≈ =

Решение

Крутизна у нуля $2 π f A = 2 π \cdot 50 \cdot 2 = 628$ В/с $= 0, 628$ мВ/мкс. Полоса ±2,5 мВ проходится за $5/0, 628 = 7, 96$ мкс, и за это время компаратор успеет переключиться до $7, 96/0, 1 \approx 80$ раз. Вместо одной метки нуля — пачка импульсов, а каждое переключение ещё и добавляет собственную помеху. Гистерезис больше размаха шума (например, 20 мВ) оставит одно чистое переключение — это легко проверить в модели.

9.1.8Управление внешней цифровой нагрузкой от КМОП- и ТТЛ-элементов

≈ 12 мин5 упр.

Главное

ТТЛ сильнее «вниз», поэтому светодиод и реле включают между +5 В и выходом: нагрузка работает, когда выход в «0».
Выход HC принимает лишь около 5 мА, LS — 8 мА, 74C — 3,5 мА; всё, что больше, — через транзистор, МОП-ключ или специальный формирователь.
Обмотку реле и любую другую индуктивность всегда шунтируйте диодом.
Сетевую нагрузку 230 В подключают через оптрон или твердотельное реле, переключающееся в нуле.

До сих пор сигнал шёл в логику. Теперь развернём его: логика должна что-то включить — светодиод на панели, реле насоса, индикатор, нагреватель на 230 В. Задача всегда одна и та же: выход микросхемы умеет отдать или принять несколько миллиампер при нескольких вольтах, а нагрузке может понадобиться гораздо больше. Каким способом закрыть этот разрыв, зависит от нагрузки — выберите вкладку.

Светодиод. Помня, что ТТЛ принимает ток охотнее, чем отдаёт, светодиод ставят между +5 В и выходом — он горит, когда на выходе «0». У КМОП выход симметричен, и светодиод можно подключить как к $U_{пит}$ , так и к земле.

Электрически светодиод — это диод с прямым падением 1,5–2,5 В при рабочем токе 5–20 мА.
Современным ярким светодиодам хватает и нескольких миллиампер.
Продаются светодиоды со встроенным резистором или стабилизатором тока — их включают прямо на питание.

Маленькое реле. Слаботочное 5-вольтовое реле в корпусе DIP (обмотка около 500 Ом, ток 10 мА) большинству 5-вольтовых логических выходов по силам; включают его так же, на приём тока. Диод параллельно обмотке обязателен: он гасит выброс напряжения при выключении.

123

Светодиод на приём тока: горит при «0»

Что здесь что (3)

Светодиод. падение 1,5–2,5 В при токе 5–20 мА
Резистор 270 Ом. задаёт ток: $(5 - U_{пр} - U_{вых}^{0}) / R$
Выход логики. в «0» принимает ток светодиода — у ТТЛ это сильная сторона

123

Реле 5 В и диод, гасящий выброс

Что здесь что (3)

Обмотка реле 5 В. около 500 Ом и 10 мА — выход логики справится
Диод 1N4148. в момент выключения замыкает ток обмотки на себя, и выброса нет
Выход логики. в «0» принимает ток обмотки

Нагрузка на отрицательной шине. Иногда нагрузка подключена к $U_{-}$ — например, газоразрядный индикатор или старая аппаратура. «Единица» на выходе через n-p-n-повторитель открывает p-n-p-транзистор, база которого заземлена, и его коллектор насыщается на одно диодное падение выше земли.

Резистор между эмиттерами задаёт ток эмиттера p-n-p, а значит, и наибольший ток нагрузки; в упрощённом варианте без повторителя этот ток ограничивает сам выход вентиля.
Диод последовательно с выходом не даёт нагрузке подняться выше земли.

Ток нагрузки в обоих вариантах равен току эмиттера p-n-p: $I = (U_{КК} - 2 U_{БЭ}) / R$ . Попутно схема сама ограничивает ток при замыкании нагрузки. Готовые интегральные формирователи с логическим входом и высоковольтным выходом на сотни миллиампер тоже существуют (DS3687 — 300 мА при −56 В; серия UDN).

12345

Ключ для нагрузки, подключённой к отрицательной шине

Что здесь что (5)

n-p-n-повторитель 2N4401. буфер: его эмиттер на $U_{БЭ}$ ниже «единицы» выхода
Резистор R. на нём $U_{КК} - 2 U_{БЭ}$ , он и задаёт ток эмиттера p-n-p, то есть ток нагрузки
p-n-p 2N4403. база заземлена: коллектор насыщается на диодное падение выше земли
Диод. не пускает нагрузку выше земли
Нагрузка. вторым выводом — на отрицательную шину U−

Оптрон. Если нагрузка далеко или у неё своя, независимая земля, лучший посредник — оптрон: светодиод на стороне логики светит на фотоприёмник на стороне нагрузки, и никакой электрической связи между ними нет.

Выбор широк: на входе — просто светодиод или логический вход; на выходе — логический уровень, насыщающийся транзистор, пара Дарлингтона, МОП-транзистор, тиристор или симистор (обзор — в пункте об оптоэлектронике).
Популярный 4N36 — светодиод и n-p-n-фототранзистор, изоляция 2500 В, переключение около 4 мкс, коэффициент передачи тока не меньше 1,0: через светодиод достаточно пропустить тот же ток, что нужен на выходе.
Есть и полностью «логические» оптроны: 740L6000 — уровни LS на входе и выходе, задержка 60 нс (до 15 МГц), изоляция 2500 В.

12345

Оптрон 4N36 между логикой и удалённой нагрузкой

Что здесь что (5)

Светодиод оптрона. ток задаёт резистор 390 Ом; светит, когда выход вентиля в «0»
Свет. единственная связь между сторонами, изоляция 2500 В
Фототранзистор. ток коллектора примерно равен CTR × ток светодиода
Резистор 4,7 кОм. превращает ток фототранзистора в логический уровень
Вентиль. HC(T) или ТТЛ, принимает ток светодиода

Сетевая нагрузка. Удобнее всего — твердотельное реле: симистор, оптическая развязка и логический вход в одном корпусе. Коммутируемый ток — от 1 до 40 А при сетевом напряжении; маломощные реле выпускают в корпусах DIP, мощные — блоками размером с коробок, которые привинчивают к шасси.

Обычное электромагнитное реле от логики тоже годится, но прочитайте паспорт: «логические» реле, как правило, не рассчитаны на мощную сетевую нагрузку, и тогда маленькое реле включает большое.

Совет. Почти все твердотельные реле переключаются в нуле: включаются, когда сетевое напряжение проходит через ноль, и выключаются, когда через ноль проходит ток. Поэтому они не создают ни бросков тока, ни помех в сети.

Главные источники сетевых помех — симисторные регуляторы, которые включаются не в нуле: диммеры с фазовым управлением, термостаты, регуляторы оборотов. Кстати, для запуска симистора или тиристора вместо оптической развязки иногда применяют импульсный трансформатор.

1234

Твердотельное реле включает сетевую нагрузку

Что здесь что (4)

Вход реле. светодиод, не больше 4 мА при 5 В — выход логики справится
Оптическая развязка. сетевая часть электрически не связана с логикой
Симисторный ключ. включается в нуле напряжения, выключается в нуле тока
Нагрузка. лампа, нагреватель, двигатель на 230 В

Правило. Если логическая микросхема сама коммутирует большой ток, обеспечьте ей толстую земляную шину: ток нагрузки возвращается к источнику через её вывод земли. Нередко лучше дать нагрузке отдельный обратный провод.

≈ 5 мАприём тока выходом HC

≈ 8 мАприём тока выходом LS

≈ 3,5 мАприём тока выходом 74C

48 мАбуфер 74AS1004

Для 7-сегментных индикаторов незачем собирать формирователи из транзисторов: есть множество микросхем, объединяющих дешифратор и мощные выходы, — для светодиодных и жидкокристаллических индикаторов, с приёмом и с отдачей тока. Типичные представители — 74HC4511 (регистр, дешифратор и формирователь для светодиодов с общим катодом) и 74HC4543 (то же для ЖКИ). О самих индикаторах — в пункте об оптоэлектронике.

Сетевое напряжение 230 В смертельно опасно. Всё, что гальванически связано с сетью, — симистор, нагрузка, выход твердотельного реле — должно быть закрыто от прикосновения и отделено от низковольтной части изоляцией, на которую рассчитаны оптрон или реле.

Упражнение 9.1.22

На панели охранной сигнализации жёлтый светодиод ( $U_{пр} = 2, 0$ В) должен гореть током 8 мА от выхода 74ALS, включённый на приём тока ( $U_{вых}^{0} = 0, 4$ В). Каким выбрать резистор? Справится ли выход, если к нему же подключены три входа стандартной ТТЛ серии 74 (по 1,6 мА в «0»), а гарантированный приём тока у ALS — 8 мА?

R =Ом

Решение

$R = (5 - 2, 0 - 0, 4) /8 мА = 325$ Ом — ставим 330 Ом. Но выходу пришлось бы принять $8 + 3 \cdot 1, 6 = 12, 8$ мА при допустимых 8 мА: «ноль» приподнимется и для трёх входов может перестать быть «нулём». Варианты: уменьшить ток светодиода (яркому хватит 3 мА), развязать светодиод буфером или включить его через n-p-n- или МОП-ключ.

Упражнение 9.1.23

Выход HC даёт в «единице» 4,9 В и через n-p-n-ключ (схема на вкладке «Сильный ток»: резистор базы 1 кОм, резистор база — эмиттер 2,2 кОм) включает вентилятор охлаждения. $U_{БЭ} = 0, 7$ В. Какой наибольший ток вентилятора допустим, если для надёжного насыщения держат $I_{К} / I_{Б} = 10$ ?

I_н =мА

Решение

Через резистор базы течёт $(4, 9 - 0, 7) /1 кОм = 4, 2$ мА. Часть его, $0, 7/2, 2 кОм = 0, 32$ мА, уходит в резистор база — эмиттер (он нужен, чтобы ключ быстрее запирался и не открывался от утечек). В базу попадает $I_{Б} = 3, 88$ мА, и нагрузка может быть до $10 \cdot 3, 88 = 38, 8$ мА. Вентилятору побольше понадобится составной ключ или МОП-транзистор.

Упражнение 9.1.24

Нагрузку на отрицательной шине нужно включать током 25 мА по схеме с n-p-n-повторителем и p-n-p-ключом (вкладка «Отрицательное питание»), $U_{КК} = 5$ В, $U_{БЭ} = 0, 7$ В у обоих транзисторов. Каким должен быть резистор $R$ ?

R =Ом

Решение

В «единице» эмиттер n-p-n стоит на $U_{КК} - U_{БЭ}$ , а эмиттер p-n-p (база которого на земле) — на $+ U_{БЭ}$ . Между ними на резисторе $U_{КК} - 2 U_{БЭ} = 3, 6$ В, ток эмиттера p-n-p $I = 3, 6/ R$ , и почти весь он уходит в коллектор, то есть в нагрузку. $R = 3, 6/0, 025 = 144$ Ом — ближайший стандартный 150 Ом. Если нагрузку закоротить, ток всё равно не превысит этого значения.

Упражнение 9.1.25

Реле насоса полива на 24 В имеет обмотку 1,2 кОм с индуктивностью 0,9 Гн, параллельно ей стоит диод. Найдите ток обмотки, запасённую в ней энергию и время, за которое после выключения ток уменьшится в $e$ раз. Что произошло бы без диода?

I =мАW =мкДжτ =мс

Решение

$I = 24/1200 = 20$ мА; $W = L I^{2} /2 = 0, 5 \cdot 0, 9 \cdot 0, 0 2^{2} = 180$ мкДж. С диодом ток после выключения продолжает циркулировать по контуру «обмотка — диод» и затухает с $τ = L / R = 0, 9/1200 = 0, 75$ мс; реле отпустит с небольшой задержкой — такова цена защиты. Без диода транзистор попытался бы оборвать ток за доли микросекунды: $U = L d I / d t \sim 0, 9 \cdot 0, 02/1 0^{- 7} = 180$ кВ. Столько, конечно, не получится — раньше пробьётся выходной транзистор, и пробьётся насовсем.

Упражнение 9.1.26

Сигнал от платы на 74HC (питание 5 В) передаётся в микроконтроллер на 3,3 В через оптрон с минимальным коэффициентом передачи тока 0,3. Фототранзистор нагружен резистором 4,7 кОм к +3,3 В, $U_{КЭ нас} = 0, 2$ В. Какой наименьший ток светодиода нужен для насыщения? Какой резистор поставить последовательно со светодиодом ( $U_{пр} = 1, 2$ В), если «ноль» вентиля — 0,2 В, а ток берут с двукратным запасом?

I_F мин =мАR =Ом

Решение

Ток коллектора в насыщении $(3, 3 - 0, 2) /4, 7 кОм = 0, 66$ мА, значит, $I_{F} \geq 0, 66/0, 3 = 2, 2$ мА. С двукратным запасом $I_{F} = 4, 4$ мА и $R = (5 - 1, 2 - 0, 2) /4, 4 мА = 819$ Ом — ставим 820 Ом. Запас не прихоть: коэффициент передачи оптрона уменьшается при нагреве и по мере старения светодиода.

9.1.9Сопряжение n-МОП БИС

≈ 7 мин2 упр.

Главное

Вход n-МОП с кремниевым затвором переключается при 1–1,5 В — ТТЛ и КМОП подключаются к нему без посредников.
Выход n-МОП в «0» силён (2 мА при 0,5 В), в «1» очень слаб — около 0,2 мА при 2,4 В; для 5-вольтовой КМОП нужна подвеска или вход HCT/ACT.
Светодиоды и мощные нагрузки подключают через p-n-p-ключ, работающий от «нуля», через матрицу Дарлингтона (ULN) или через буфер HCT/ACT.

Сегодня почти все большие микросхемы — процессоры, память, контроллеры периферии — делают на КМОП, и стыковать их не сложнее, чем 5-вольтовые КМОП-вентили. Но долгие годы большие схемы выпускались только на n-канальных МОП-транзисторах с индуцированным каналом: такая технология проще и плотнее. Этих микросхем очень много в старой технике, и почти все они объявлены «совместимыми с ТТЛ». Совместимость эта, однако, с оговорками — особенно на выходе.

Как устроен вход

Во входной цепи n-МОП-схемы, рассчитанной на ТТЛ-уровни (схема ниже), $T_{1}$ — инвертор, а $T_{2}$ — маленький нагрузочный МОП-транзистор, включённый истоковым повторителем к шине питания. Почему не резистор? Резистор нужного номинала занял бы на кристалле слишком много места, поэтому нагрузкой здесь всегда служит транзистор.

У современных схем с кремниевым затвором порог входного транзистора 1–1,5 В, и вход подключают к ТТЛ или КМОП напрямую.
Встречаются старые схемы с порогом 2–3 В. При управлении от ТТЛ им нужен резистор 1–10 кОм к питанию; КМОП обычно справляется и так.

Как устроен выход

Выходной каскад 5-вольтовой n-МОП-логики — тоже два n-МОП-транзистора: $T_{1}$ — ключ на землю, $T_{2}$ — истоковый повторитель к питанию.

В «нуле» на затвор $T_{1}$ подано +5 В, и выход остаётся ниже 0,5 В, даже принимая несколько миллиампер.
В «единице» всё хуже. Когда выход поднялся до ТТЛ-минимума +2,4 В, у повторителя $T_{2}$ между затвором и истоком остаётся лишь $5 - 2, 4 = 2, 6$ В. Канал уже плохо проводит, а с дальнейшим ростом выходного напряжения ток падает очень быстро (график ниже).

Итог: в «единице» n-МОП-выход отдаёт всего около 0,2 мА при +2,4 В. Входу ТТЛ этого хватает, а входу 5-вольтовой КМОП — нет: понадобится резистор к питанию или вентиль HCT/ACT.

1234

Входной инвертор n-МОП-микросхемы

Что здесь что (4)

$T_{2}$ — нагрузочный транзистор. работает вместо резистора, который занял бы на кристалле слишком много места
$T_{1}$ — входной инвертор. у кремниевого затвора порог 1–1,5 В, поэтому ТТЛ и КМОП подключаются напрямую
Вход. изолированный затвор, ток не течёт
К внутренней логике. сюда идёт проинвертированный сигнал

1234

Выходной каскад n-МОП-микросхемы

Что здесь что (4)

$T_{2}$ — истоковый повторитель. при выходе 2,4 В его $U_{ЗИ}$ всего 2,6 В — ток лишь около 0,2 мА
$T_{1}$ — ключ. в «0» уверенно принимает 2 мА при 0,5 В
Инвертор. раскачивает затворы в противофазе: открыт то $T_{1}$ , то $T_{2}$
Выход. для 5-вольтовой КМОП — подвеска к питанию или вход HCT/ACT

Выход n-МОП под нагрузкой (качественно): «единица» быстро проседает с ростом тока

Светодиоды и мощные нагрузки

Первое, что приходит в голову, — поставить на выход n-МОП эмиттерный повторитель и питать от него светодиод (схема ниже). Посчитаем. Светодиод с резистором берёт около 40 мА, транзистору с $β = 60$ нужен базовый ток около 0,65 мА, а база должна стоять примерно на +4 В. Не выйдет:

у выходного повторителя $T_{2}$ между затвором и истоком останется около 1 В — это может быть даже меньше его порога;
к тому же 5-вольтовая логика обязана работать при питании, сниженном на 10 %, то есть при 4,5 В, и тогда запаса не остаётся совсем.

Правильный путь — опираться на сильную сторону n-МОП-выхода или поставить посредника. Три рабочих варианта сравнены в таблице:

Три способа включить мощную нагрузку от выхода n-МОП

	p-n-p-ключ	пара Дарлингтона	буфер
Чем включается	«нулём»: n-МОП забирает около 2 мА из базы p-n-p и открывает его полностью — в «0» выход силён	небольшим током «единицы»	чем угодно — буфер HCT/ACT/ТТЛ стоит между n-МОП и светодиодом
Особенность	использует сильную сторону выхода n-МОП	база фиксирует «единицу» на двух диодных падениях над землёй; n-МОП-выходы такой режим допускают и отдают в базу около 2 мА при +1,5 В	лишний корпус, зато ничего не надо считать
Ток нагрузки	десятки миллиампер	матрица (например, на шесть каналов) принимает до 250 мА при 1 В; шести- и восьмиканальные сборки серии ULN в корпусе DIP	сколько позволяет буфер

Ошибка: выход n-МОП не способен держать около 4 В под током базы

123

Вариант 1: p-n-p-ключ, работающий от «нуля»

Что здесь что (3)

Резистор базы 3,3 кОм. в «0» выход n-МОП вытягивает через него чуть больше миллиампера из базы
p-n-p-ключ. эмиттер на +5 В; полностью открыт, пока выход n-МОП в «0»
Светодиод и 82 Ом. резистор задаёт ток около 30 мА

123

Вариант 2: пара Дарлингтона (одна ячейка матрицы ULN)

Что здесь что (3)

Первый транзистор. его база и есть нагрузка выхода n-МОП: около 2 мА при +1,5 В
Второй транзистор. принимает ток нагрузки — у матриц до 250 мА при 1 В
Нагрузка. светодиоды, реле или лампы между +U и коллекторами

Упражнение 9.1.27

Светодиод «запись» на старом дисководе включается от n-МОП-контроллера через p-n-p-ключ (вариант 1): $R_{б} = 3, 3$ кОм, «ноль» выхода — 0,4 В, $U_{ЭБ} = 0, 7$ В, красный светодиод на 2,2 В последовательно с 82 Ом, $U_{КЭ нас} = 0, 2$ В. Найдите ток базы, ток светодиода и отношение $I_{К} / I_{Б}$ .

I_Б =мАI_СД =мАI_К/I_Б =

Решение

$I_{Б} = (5 - 0, 7 - 0, 4) /3, 3 кОм = 1, 18$ мА — меньше 2 мА, которые выход n-МОП уверенно принимает в «нуле». $I_{СД} = (5 - 0, 2 - 2, 2) /82 = 31, 7$ мА. Отношение $I_{К} / I_{Б} = 26, 8$ ; для маломощного p-n-p с $h_{21 Э} \geq 50$ насыщение надёжное, хотя запас вдвое меньше, чем хотелось бы при $h_{21 Э} = 50$ в худшем экземпляре.

Упражнение 9.1.28

Проверим расчётом, почему не работает эмиттерный повторитель на выходе n-МОП. Через светодиод ( $U_{пр} = 2, 0$ В) и резистор 33 Ом нужно пропустить 40 мА; у транзистора $β = 60$ , $U_{БЭ} = 0, 7$ В. Какое напряжение и какой ток должен дать выход n-МОП в базу?

U_Б =ВI_Б =мА

Решение

На эмиттере $2, 0 + 0, 04 \cdot 33 = 3, 32$ В, на базе $3, 32 + 0, 7 = 4, 02$ В; базовый ток $I_{Б} = I_{Э} / (β + 1) = 40/61 = 0, 656$ мА. А n-МОП-выход даже при 2,4 В отдаёт лишь 0,2 мА, при 4 В — практически ничего, при питании 4,5 В — и того хуже (график выходной характеристики выше). Светодиод будет еле светиться, причём у разных экземпляров по-разному. Выход — p-n-p-ключ, матрица Дарлингтона или буфер.

9.1.10Оптоэлектроника

≈ 19 мин6 упр.

Главное

Светодиод — диод с падением около 2 В. ТТЛ зажигает его «нулём», слабая КМОП — через транзистор; резистор $R = (U_{+} - 2 В) / I_{СД}$ .
Многоразрядные индикаторы мультиплексируют; ЖКИ питают только переменным напряжением — сегмент в противофазе с общим электродом.
Оптрон развязывает цепи до 2500 В, но его выход медленный: после фототранзистора нужен триггер Шмитта.
Сетевую нагрузку включают оптосимисторами и твердотельными реле, срабатывающими в нуле напряжения.

Оптоэлектроника — всё, где электрический сигнал превращается в свет или свет в сигнал. Светодиоды уже не раз встречались нам по ходу курса, но область гораздо шире:

индикаторы и дисплеи — светодиодные, жидкокристаллические, люминесцентные, газоразрядные;
приборы, которые ничего не показывают, а работают внутри схемы: оптроны, твердотельные реле, оптические датчики положения, диодные лазеры, матричные фотоприёмники (ПЗС), электронно-оптические преобразователи, элементы волоконной оптики.

Нас здесь интересует то, что касается сопряжения с логикой: как зажечь индикатор, как вывести число, как передать сигнал через световой «зазор».

Светодиод как индикатор

Цветной огонёк на панели делает прибор понятнее: горит — работает, мигает — ждёт, красный — беда. В этой роли светодиоды давно вытеснили лампочки. Выбор огромен — красные, жёлтые, зелёные, для панели и для платы, разной яркости и разного угла излучения. Диффузные («матовые») светодиоды содержат рассеивающее вещество и светятся одинаково под любым углом, но за равномерность платят яркостью.

Для схемы светодиод — обычный диод, только с прямым падением около 2 В: у арсенида-фосфида галлия запрещённая зона шире, чем у кремния.

≈ 2 Впадение на светодиоде

10 мАдиффузный панельный

2–5 мАутопленный в панель

Как подключать светодиод к разным семействам, мы уже видели. Повторим кратко:

ТТЛ отдаёт ток плохо — светодиод ставят к +5 В и зажигают «нулём»;
выход КМОП симметричен — светодиод можно подключить и к питанию, и к земле;
выход n-МОП, как и ТТЛ, слаб в «единице», да и в «нуле» не силён — ставят буфер HCT или полевой транзистор;
4000B/74C дают едва миллиампер — светодиод включают через МОП-ключ или через биполярный транзистор с резистором в базе (обе схемы ниже), а ток задают резистором $R = (U_{+} - 2 В) / I_{СД}$ .

Есть индикаторы со встроенным резистором (и даже со стабилизатором тока) — внешний резистор им не нужен. Удобны линейки из 2, 4 или 10 светодиодов для платы (из них получаются шкалы-гистограммы) и двухцветные панельные индикаторы, красный плюс зелёный, — «норма» и «авария» различаются цветом.

1234

Через n-МОП-ключ

Что здесь что (4)

Слабый выход 4000B/74C. даёт едва миллиампер — светодиод напрямую не зажечь
n-МОП-ключ. затвору нужен лишь уровень, а не ток — идеальная пара для слабой КМОП
Резистор R. $R = (U_{+} - 2 В) / I_{СД}$
Светодиод. около 2 В при 2–10 мА

123

Через n-p-n-ключ

Что здесь что (3)

Резистор базы 22 кОм. ток базы — доли миллиампера, 4000B справится
n-p-n-ключ. умножает ток в $h_{21 Э}$ раз
Резистор R. задаёт ток светодиода

Дисплеи

Когда одного огонька мало, нужен дисплей: цифровой (0–9), шестнадцатеричный (0–9, A–F) или буквенно-цифровой, показывающий любые знаки. Главные технологии — светодиоды и жидкие кристаллы; газоразрядные панели встречаются реже.

Сравнение дисплеев

	Светодиодные	ЖКИ	Газоразрядные (плазменные)
Потребление	заметное	очень малое	большое
Сильные стороны	хороши, когда цифр немного; отлично видны в полутьме, где ЖКИ хуже; бывают трёх цветов	приборы на батарейках, улица и яркий свет, нестандартные символы, экраны на много знаков	одна-две строки чёткого контрастного текста
Сложность подключения	чуть проще, если цифр мало	нужно переменное возбуждение	нужны высоковольтные формирователи

Светодиодные дисплеи. Самый простой — 7-сегментный: он рисует цифры 0–9 и, не слишком изящно, буквы A–F («AbcdEF»). Бывают одиночные индикаторы и сборки на 2, 3, 4 или 8 знаков; сборки почти всегда рассчитаны на мультиплексирование — знаки зажигаются по очереди, так быстро, что глаз видит их горящими одновременно.

У одиночного индикатора выведены семь сегментов и общий электрод; отсюда два варианта — с общим катодом и с общим анодом.
У многоразрядной сборки выведен общий электрод каждого знака, а одноимённые сегменты всех знаков соединены между собой — именно это и нужно для мультиплексирования.
16-сегментные и точечные (5 × 7) индикаторы бывают «простыми», с выведенными сегментами и общим электродом, и «умными» — с собственным дешифратором и формирователями тока.

Три вида светодиодных знаков: 7 сегментов, 16 сегментов, матрица точек

Два способа вывести число — статический и мультиплексный.

Статически, одна цифра — один формирователь. Одиночный индикатор с общим катодом подключают к 74HC4511: в одной микросхеме — регистр, дешифратор двоично-десятичного кода в 7-сегментный и формирователи, которые в активном состоянии дают около +4,5 В и отдают примерно 15 мА. Ток каждого сегмента ограничивает свой резистор (удобна резисторная сборка в корпусе с однорядными выводами).
Мультиплексно, один формирователь на все цифры. Сегментные линии всех цифр соединены, а общие катоды через транзисторы подключаются к земле по очереди. Схема, будь то специализированный счётчик-формирователь или микроконтроллер, выводит код первой цифры и открывает её транзистор, затем второй — и так по кругу, сотни раз в секунду.

При мультиплексировании выходы, управляющие базами транзисторов, оказываются прижаты на одно диодное падение над землёй. Специализированные микросхемы-формирователи это допускают (их выходы буферированы и ограничены по току); от микроконтроллера транзисторы включают через резисторы в базе.

Мультиплексирование четырёх цифр: импульс означает, что катод этой цифры заземлён; цикл повторяется сотни раз в секунду

1234

Статическое включение: 74HC4511 и индикатор с общим катодом

Что здесь что (4)

Двоично-десятичный код. четыре разряда D, C, B, A — число от 0 до 9
'HC4511. регистр, дешифратор и формирователь: около 15 мА при +4,5 В
7 резисторов 240 Ом. по одному на сегмент, задают ток при падении около 2 В
Индикатор с общим катодом. катод заземлён, сегменты зажигаются «единицей»

Мультиплексное включение: общие сегментные линии и ключ на каждую цифру

«Умные» дисплеи избавляют от всей этой кухни — они сами хранят, дешифруют и подсвечивают.

5082-7340 — шестнадцатеричная цифра из матрицы точек 5 × 7, внутри которой уже есть регистр, дешифратор и формирователь. Запись предельно проста:

Как записать цифру

Данныевыставьте 4-разрядный код цифры
Паузавыдержите не меньше 50 нс
Фиксацияподайте «единицу» на вход фиксации

ЖКИ и газоразрядные дисплеи

Жидкокристаллический индикатор подключается во многом так же, но с одним принципиальным отличием: ему нужно переменное напряжение. Постоянная составляющая, даже небольшая, электрохимически разрушает жидкий кристалл.

Поэтому формирователи ЖКИ работают прямоугольными сигналами, синхронными с сигналом общего электрода (подложки). Если сегмент получает сигнал в противофазе с подложкой, на нём переменное напряжение — он виден; если в фазе — разность нулевая, сегмента не видно. Пример такого формирователя — 74HC4543, «жидкокристаллический» вариант 74HC4511.

Сигналы ЖКИ сверху вниз: подложка, видимый сегмент, невидимый сегмент, напряжение на видимом сегменте. Видимый сегмент — в противофазе с подложкой (на нём ±U без постоянной составляющей), невидимый — в фазе (разность 0)

Отдельные ЖК-цифры почти не встречаются: ЖКИ выпускают модулями на одну, две и больше строк текста, причём весьма «умными» — процессор пишет в них как в память, а некоторые модули хранят несколько сообщений и подключаются по последовательному порту.
Газоразрядные дисплеи светятся красивым красно-оранжевым светом. Им нужны высоковольтные формирователи, но производители обычно встраивают их сами; есть многострочные панели с памятью и удобным интерфейсом.

Ловушка. Не допускайте на ЖКИ постоянного напряжения: даже малая постоянная составляющая со временем разрушает жидкий кристалл.

Оптроны: сигнал через световой зазор

Поставьте светодиод напротив фотоприёмника и закройте их в один корпус — получится оптопара, или оптрон. Он передаёт цифровой (а иногда и аналоговый) сигнал между цепями, у которых нет общей земли. Такая гальваническая развязка убирает земляные петли при работе с удалённой нагрузкой и незаменима везде, где рядом сеть. Несколько типичных применений:

микроконтроллер включает нагреватель — через твердотельное реле, то есть светодиод и мощный симистор;
сетевой импульсный блок питания передаёт сигнал обратной связи с низковольтного выхода на первичную сторону через оптрон (см. раздел 6.6); так же передают сигналы в схемы, находящиеся под высоким напряжением;
оптический полевой транзистор коммутирует аналоговый сигнал, не впрыскивая в него заряд, — это ценно в устройствах выборки-хранения и интеграторах;
развязка цифровой части помогает и прецизионным схемам: 16-разрядный АЦП не покажет своей точности, если шум его цифровых выходов и цифровой земли возвращается во входную аналоговую часть.

2500 Втипичная изоляция

$1 0^{12}$ Омсопротивление изоляции

< 1 пФпроходная ёмкость

Фотодиод и фототранзистор

Свет, попавший в базу транзистора, рождает там пары носителей, и это действует точно так же, как базовый ток, поданный снаружи. Поэтому фототранзистор можно использовать двумя способами:

Два режима фототранзистора

	Как фотодиод (переход база — коллектор)	Как транзистор
Ток	фототок — несколько процентов от тока светодиода	фототок играет роль базового, ток коллектора в $h_{21 Э}$ (около 100) раз больше
Включение	даёт ток при любом смещении: прямо на виртуальную землю ОУ или с обратным смещением — так быстрее	на нагрузочный резистор
Скорость	высокая	низкая: база ничем не разряжается

Фототранзистор можно ускорить, поставив резистор между базой и эмиттером: он быстрее рассасывает заряд базы. Но вместе с ускорением появляется порог — транзистор не откроется, пока фототок не создаст на этом резисторе $U_{БЭ}$ . Для цифровой схемы это даже полезно (слабая засветка отсекается), для аналоговой — вредная нелинейность.

123

Фотодиод нагружен на виртуальную землю ОУ

Что здесь что (3)

Фотодиод. напряжение на нём остаётся нулевым, ёмкость не перезаряжается — отклик быстрый
Резистор ОС R. превращает фототок в напряжение $U = I_{ф} R$
ОУ. держит инвертирующий вход на потенциале земли

Фототранзистор с нагрузкой в эмиттере

12345

Простой оптронный канал на 4N35 с триггером Шмитта на выходе

Что здесь что (5)

Вентиль 'HC00. вместе с резистором 330 Ом — источник тока около 10 мА
Светодиод оптрона. светит, когда выход вентиля в «0»
Фототранзистор 4N35. коэффициент передачи не меньше 40 %, выключение около 5 мкс
Коллекторный резистор 4,7 кОм. достаточно велик, чтобы транзистор насыщался и перепад был полным
Триггер Шмитта HC14. без него не обойтись: фронт фототранзистора пологий

От простого оптрона к логическому

Классический простой оптрон — 4N35: светодиод и фототранзистор, коэффициент передачи тока не меньше 40 %, время выключения около 5 мкс (при нагрузке 100 Ом). На схеме выше показано, как его обычно включают:

вентиль с последовательным резистором работает источником тока для светодиода;
коллекторный резистор берут достаточно большим, чтобы транзистор гарантированно насыщался и давал полный логический перепад;
на выходе обязателен инвертор с триггером Шмитта — фронт слишком медленный для обычного входа.

Есть оптроны с коэффициентом передачи 100 % и больше (MCT2201 — не меньше 100 %) и пары «светодиод — составной фототранзистор», ещё более медленные. Когда нужна скорость, фотодиод и транзистор разделяют (6N136, 6N139): база выведена наружу, и фотодиод питает транзистор как источник тока.

Работать с простыми оптронами неудобно: на входе и выходе нужны внешние детали, вход нагружает обычный вентиль до предела, а выход с резистивной нагрузкой медленный и плохо защищён от помех. Поэтому появились оптроны с логическими входом и выходом:

Три поколения оптронов

	4N35	6N137	740L6000
Вход	светодиод	диодный, для гарантированного переключения не меньше 6,3 мА	логический
Выход	фототранзистор и внешние детали	логический, открытый коллектор	логический: двухтактный или открытый коллектор на выбор
Скорость	выключение около 5 мкс	10 Мбит/с	15 Мбит/с
Питание	—	+5 В для выходной части	нужно обеим сторонам

Другие оптроны

IL252 — два встречно-параллельных светодиода, вход можно питать переменным током.
IL11 — увеличенные зазор и корпус, изоляция 10 кВ вместо обычных 2,5 кВ.
H11C4 — оптотиристор для больших напряжений и токов.
MCP3023 — оптосимистор, способный сам включать сетевую нагрузку (как в твердотельном реле на вкладке «Сеть 230 В» выше).

Совет. Чтобы не засорять сеть помехами, сетевую нагрузку включают в нуле напряжения. Оптосимисторы со схемой контроля нуля (MCP3043, твердотельные реле DP6110 в корпусе DIP-16, модули D2410 и D2475 на 10 и 75 А с радиатором) не дают симистору открыться до ближайшего перехода через ноль.

Для аналоговых сигналов тоже есть оптические приборы:

H11F — полевые оптотранзисторы: изолированный переменный резистор или аналоговый ключ без проблем с уровнями, защёлкиванием и впрыском заряда (подходят для выборки-хранения и интеграторов);
PVR («BOSFET») — на выходе два последовательных мощных МОП-транзистора; применяются прежде всего для коммутации переменного тока вместо оптосимисторов;
H11V1 — линейный изолятор видеосигнала с полосой 10 МГц;
ISO-100 — изолятор с линеаризацией: светодиод освещает два одинаковых фотодиода, и один из них, включённый в цепь обратной связи, исправляет нелинейность другого.

Попробуйте в модели, как ток светодиода, коэффициент передачи и нагрузочный резистор влияют на уровни и фронты на выходе оптрона.

Модель: оптрон «светодиод — фототранзистор» на логический вход

Оптические датчики положения

Та же пара «светодиод — фототранзистор», но открытая наружу, превращается в датчик положения или движения. Конструкций две:

щелевой датчик (оптический прерыватель) — излучатель и приёмник смотрят друг на друга через щель шириной около 3 мм; датчик срабатывает, когда в щель входит непрозрачная шторка или проходит прорезь вращающегося диска;
отражательный датчик — излучатель и приёмник смотрят в одну сторону и замечают предмет, когда тот оказывается близко и отражает свет.

Щелевые датчики находят крайнее положение каретки в принтерах и дисководах, считают обороты в вентиляторах. На их основе сделаны кодеры вращения: при повороте вала они выдают две последовательности импульсов, сдвинутые на 90°. По такому квадратурному сигналу определяют и угол, и направление вращения, и кодер прекрасно заменяет потенциометр на передней панели (подробнее — в главе 11).

12345

Два вида оптических датчиков положения

Что здесь что (5)

Светодиод. светит поперёк щели
Шторка. пластина или прорези диска перекрывают луч
Фототранзистор. открыт, пока луч не перекрыт
Излучатель. светит вверх, на предмет
Приёмник. ловит отражённый свет, только когда предмет близко

Квадратурные сигналы кодера: при вращении в одну сторону B отстаёт от A на 90°, в другую — опережает

К оптическим датчикам близки датчики Холла — твердотельные датчики магнитного поля, которые обнаруживают приближение магнита или стальной детали. Например, в системах зажигания автомобилей они вытеснили механические прерыватели.

Излучатели и приёмники

Отдельно стоит упомянуть диодные лазеры. В отличие от светодиода, излучающего «как придётся», лазер даёт когерентный свет; такой стоит в любом проигрывателе компакт-дисков.

≈ 10 мВтмощность излучения

800 нмдлина волны

≈ 100 мАрабочий ток

10–20°расходимость

Линза превращает расходящийся пучок лазера в параллельный или собирает его в крошечное пятно. На диодных лазерах держится волоконно-оптическая связь. Ещё одна технология — плотные линейки светодиодов (300 излучателей на дюйм и больше) для светодиодных принтеров. Среди приёмников, помимо фотодиодов и фототранзисторов, есть приборы быстрее и чувствительнее: PIN-диоды, приборы с зарядовой связью, фотоумножители.

Упражнение 9.1.29

Табло счёта очков на школьном стадионе: каждая цифра — красный индикатор с общим катодом, управляемый 74HC4511, чьи выходы дают в активном состоянии 4,5 В. Падение на сегменте — 2,1 В. Какой резистор нужен, чтобы ток сегмента был 10 мА?

R =Ом

Решение

$R = (4, 5 - 2, 1) /10 мА = 240$ Ом — стандартный номинал. Считаем от фактического уровня выхода под нагрузкой, а не от 5 В: выход КМОП с током 10–15 мА проседает примерно на полвольта (его $R_{откр}$ около 40–50 Ом). Если взять 5 В, ток получится меньше расчётного.

Упражнение 9.1.30

Настольные часы с шестью цифрами (часы, минуты, секунды) работают мультиплексно — каждая цифра горит шестую часть времени. Какой импульсный ток сегмента нужен для среднего тока 4 мА? Какой ток должен выдерживать ключ общего катода одной цифры, если у неё 7 сегментов и точка?

I имп =мАI ключа =мА

Решение

Цифра горит $1/6$ времени, поэтому $I_{имп} = 6 \cdot 4 = 24$ мА. Когда цифра включена, через её ключ идут токи всех восьми сегментов: $8 \cdot 24 = 192$ мА. Такой ток — работа для транзистора, а не для выхода логики. (На практике импульсное питание даёт чуть большую яркость, чем постоянный ток того же среднего значения, — сказывается нелинейность глаза и светодиода, — но для оценки берут среднее.)

Упражнение 9.1.31

В изолированном датчике тока фотодиод оптрона работает на виртуальную землю ОУ. Через светодиод течёт 15 мА, фототок составляет 0,4 % этого тока. Какое сопротивление обратной связи даст на выходе ОУ 3 В?

R =кОм

Решение

Фототок $I_{ф} = 0, 004 \cdot 15 = 60$ мкА; $U = I_{ф} R$ , откуда $R = 3/60 \cdot 1 0^{- 6} = 50$ кОм. Фотодиод при этом работает при нулевом напряжении (виртуальная земля), его ёмкость не перезаряжается — это заметно быстрее, чем нагружать фотодиод простым резистором.

Упражнение 9.1.32

Чтобы датчик открытия крышки не реагировал на рассеянный свет, между базой и эмиттером его фототранзистора поставили резистор 100 кОм. С какого фототока транзистор начнёт открываться ( $U_{БЭ} \approx 0, 6$ В)?

I_ф =мкА

Решение

Пока транзистор закрыт, весь фототок течёт через резистор и создаёт на нём $U_{БЭ} = I_{ф} R$ . Открываться транзистор начнёт при $I_{ф} \approx 0, 6/100 кОм = 6$ мкА. Более слабая засветка его не откроет вовсе — получился пороговый элемент. Для цифрового датчика это то, что нужно; в аналоговой схеме такая «мёртвая зона» была бы вредна.

Упражнение 9.1.33

Дискретный вход промышленного контроллера: оптрон с коэффициентом передачи не менее 50 %, фототранзистор нагружен на резистор 1 кОм к +12 В, $U_{КЭ нас} = 0, 3$ В. Какой наименьший ток светодиода гарантирует на выходе «ноль»? Можно ли питать такой светодиод от выхода 74HC?

I_F =мА

Решение

Насыщенный транзистор должен пропустить $I_{К} = (12 - 0, 3) /1 кОм = 11, 7$ мА, для этого нужно $I_{F} \geq 11, 7/0, 5 = 23, 4$ мА. Выходу HC это не по силам (у него около 5 мА). Варианты: поставить транзистор-формирователь для светодиода; увеличить нагрузочный резистор (например, до 10 кОм, тогда хватит 2,3 мА), смирившись с тем, что время выключения растёт пропорционально $R_{К}$ ; или взять оптрон с большим коэффициентом передачи либо логический оптрон.

Упражнение 9.1.34

Почему за фототранзистором простого оптрона ставят инвертор с триггером Шмитта, а не обычный вентиль?

Решение

Время выключения фототранзистора — единицы микросекунд, и напряжение на коллекторном резисторе меняется медленной экспонентой. Обычный КМОП-вход, проходя порог так долго, может переключиться несколько раз, да ещё и греется сквозным током. Гистерезис триггера Шмитта гарантирует один чистый перепад. Инверсию дал бы и обычный инвертор, а ток и развязку обеспечивают другие элементы схемы.