3. Интегральные микросхемы и работа с ними.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ И РАБОТА С НИМИ

В большинстве устройств, речь о которых пойдет ниже, используют интегральные микросхемы. Радиолюбители, имеющие опыт конструирования аппаратуры, скорее всего, уже имели дело с микросхемами. Но ведь и начинающие радиолюбители могут заняться повторением устройств, описанных в книге. Именно им адресуются краткие сведения о микросхемах и рекомендации по их применению.

Интегральными микросхемами называют миниатюрные электронные устройства, выполняющие определенные функции преобразования и обработки сигналов и содержащие большое число активных и пассивных элементов (от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч) в сравнительно небольшом корпусе.

Интегральные микросхемы подразделяют на две группы — аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для работы с непрерывными во времени сигналами. К их числу можно отнести усилители высокой, звуковой и промежуточной частот, операционные усилители, стабилизаторы напряжения и др. Для аналоговых микросхем характерно то, что входная и выходная электрические величины могут иметь любое значение в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут быть одного из двух уровней напряжения: высокого или низкого.

В первом случае говорят, что мы имеем дело с напряжением высокого логического уровня, или логической 1, а во втором — с напряжением низкого логического уровня, или логическим 0. Для микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серий К 133, К 155, К555, широко используемых радиолюбителями, технические условия оговаривают для высокого логического уровня напряжение не менее 2,4 В, а для низкого логического уровня — не более 0,4 В. Фактически же эти значения напряжений составляют 3,2...3,5 и 0,1...0,2 В.

В своих разработках радиолюбители наряду с микросхемами ТТЛ широко используют микросхемы на полевых транзисторах, из которых наибольшее распространение получили серии микросхем КМОП (комплементарные полевые транзисторы со структурой ме-талл-окисел-полупроводник). К ним относят, например, микросхемы серий К164, К176, К561, К564. Для таких микросхем при питающем напряжении 9 В значения напряжений, соответствующих высокому и низкому логическим уровням, составляют соответственно 8,6....8,8 и 0,02...0,05 В.

Таким образом, в микросхемах ТТЛ и КМОП высокий и низкий уровни напряжения достаточно резко различаются, что упрощает совместную работу микросхем с транзисторами, тиристорами и другими электронными приборами.

Почему же уровни напряжений называют логическими?

Дело в том, что цифровые микросхемы предназначены для выполнения определенных логических действий над входными сигналами. Если на выходе цифровой микросхемы должно появиться на

пряжение высокого уровня в случае, когда напряжение высокого уровня присутствует хотя бы на одном из входов, то говорят, что данная микросхема выполняет логическую операцию ИЛИ (логическое сложение). Если же логический сигнал на выходе микросхемы должен быть равен произведению логических сигналов на входах микросхемы, то говорят об операции логического умножения. Существует множество других правил обработки сигналов в цифровых микросхемах. Существует даже специальная область математики, которая исследует эти законы, — булева алгебра (по имени английского математика Дж.Буля). Вот почему цифровые микросхемы называют еще и логическими.

В основу работы цифровых микросхем положена двоичная система счисления. В отличие от хорошо знакомой нам десятичной системы, состоящей из десяти цифр, двоичная система опирается лишь на две цифры: 0 и 1. Цифра 0 соответствует отсутствию напряжения на выходе логического устройства, 1 — наличию напряжения. С помощью нулей и единиц двоичной системы можно записать (закодировать) любое десятичное число. Так, для записи одноразрядного десятичного числа требуется четыре двоичных разряда. Сказанное поясняется табл.1.

В первом столбце таблицы (ее называют таблицей истинности) записаны десятичные числа от 0 до 9, а в последующих четырех столбцах — разряды двоичного числа. Видно, что число в последующей строке получается в результате прибавления 1 к первому разряду двоичного числа. С помощью четырех разрядов можно записать числа от 0000 до 1111, что в десятичной системе соответствует диапазону чисел 0...15. Таким образом, если двоичное число содержит N разрядов, то с его помощью можно записать максимальное десятичное число, равное 2^N — 1. По таблице также несложно заметить, как можно перевести число из двоичной системы в десятичную. Для этого достаточно сложить степени числа 2, соответствующие тем разрядам, в которых записаны логические 1. Так, двоичное число 1001 соответствует десятичному числу 9 (2^3+2^0).

Двоичную систему счисления применяют в большинстве современных ЭВМ.

Рассмотрим свойства и работу некоторых простейших логических элементов, широко используемых радиолюбителями в конструируемых устройствах.

Логический элемент И (рис. 9,а) имеет два входа и один выход. В верхней части прямоугольника стоит знак & (амперсанд), который обозначает операцию объединения, перемножения. Это значит, что напряжение высокого уровня на выходе присутствует в том и только в том случае, если на обоих входах также напряжения высокого уровня. Это поясняется таблицей истинности, приведенной на рис.9,6.

Логический элемент ИЛИ (рис. 10,а) имеет два входа и один выход. Если хотя бы на одном из входов есть напряжение высокого уровня, то такое же напряжение будет и на выходе (рис. 10,6).

Логический элемент НЕ (рис. 11,а) имеет по одному входу и выходу. Если на вход подать напряжение высокого уровня, то на выходе устанавливается напряжение низкого уровня, и наоборот, т.е. говорят, что входной сигнал инвертируется элементом (рис. 11,6).

Эти три разновидности логических элементов позволяют реализовать любую сколь угодно сложную логическую функцию. Однако

для облегчения работы конструкторов цифровой техники разработано и выпускается множество других логических элементов (ЗИ-НЕ, 4ИЛИ-НЕ, 2-2-3-ЗИ-2ИЛИ-НЕ и др.), реализованных в отдельных корпусах микросхем.

Одним из наиболее широко применяемых радиолюбителями в своих конструкциях является логический элемент 2И-НЕ (рис. 12,а), предназначенный для выполнения логического умножения с отрицанием (рис. 12,6). Если подавать входной сигнал на соединенные вместе входы, то он будет работать как инвертор (рис. 12,в). С помощью двух логических элементов 2И-НЕ можно производить операцию логического умножения (рис. 12,г), а с помощью трех логических элементов — операцию логического сложения (операцию ИЛИ, рис. 12, д). Таким образом, элементы 2И-НЕ позволяют реализовывать практически любую логическую операцию.

Одной из наиболее популярных у радиолюбителей серий цифровых микросхем является серия К 155, насчитывающая более 100 наименований.

Питание микросхем серии К 155 осуществляется от источника постоянного напряжения 5 В±5 %. Ток потребления микросхемы (на 1 корпус) в зависимости от назначения равен 10...100 мА. Для них напряжение высокого уровня фактически составляет около 3,5 В, а низкого — около 0,1 В. Для того чтобы подать на вход логического элемента напряжение низкого уровня, достаточно этот вход соединить с общим проводом питания. Для подачи напряжения высокого уровня достаточно оставить этот вход свободным, однако чтобы уменьшить влияние помех, желательно этот вход подключить к источнику напряжением +5 В через резистор сопротивлением 1...1,5 кОм. К одному резистору можно подключать до 10 входов микросхем. Напряжение на входах логических элементов можно измерять вольтметром обычного ампервольтомметра на пределе измерения постоянного напряжения, но лучше использовать специальный пробник.

Простейший пробник состоит из светодиода и резистора (рис. 13). Если при подключении к выходу логического элемента светодиод светится, это означает, что на этом выходе — напряжение высокого

уровня, если же светодиод не светится, то на входе пробника — напряжение низкого уровня.

На рис. 14,а приведена схема логического пробника, который индицирует уровни логических 0 и 1 зажиганием одного из двух светодиодов. При отсутствии входного сигнала на выходе логического элемента DD1.1 действует напряжение низкого уровня, а на выходе логического элемента DD1.2 — высокого уровня. В это время светодиоды HL1 и HL2 нс светятся. При подаче на выход напряжения низкого уровня (0...0,4 В) состояние логического элемента DD1.2 нс изменяется,

а на выходе DD1.1 появляется напряжение высокого уровня (поскольку на входы DD1.1 через открытый диод VD пoдaнo напряжение низкого уровня). В результате загорается светодиод HL1, индицируя уровень логического 0. Если же на вход подано напряжение высокого уровня, то через открывшийся диод VD2 это напряжение подастся на входы логического элемента DD1.2, на выходе DD1.2 появляется напряжение низкого уровня и загорается светодиод HL2, показывая уровень логической 1. Состояние же элемента DD1.1 при этом нс изменяется, светодиод HL1 светиться не будет.

На рис. 14,6 показана схема еще одного логического пробника, аналогичного по принципу работы предыдущему. Отличие состоит в том, что информация о логических уровнях напряжения выводится на светодиодный семисегментный цифровой индикатор АЛС324Б (HL1). Для управления сегментами в пробник добавлены логические элементы DD1.3, DD1.4 и диоды VD3, VD4. Сегменты, имеющие выводы 10 и 13, индицируют логическую 1, а все шесть сегментов—логический 0. Сегмент, имеющий вывод 6, знак запятой, используется как индикатор включения пробника. Логические элементы DD1.3 и DD1.4 включены параллельно для получения суммарного выходного тока, обеспечивающего нормальную работу одновременно шести сегментов цифрового индикатора.

Для предотвращения подачи на пробники напряжения обратной полярности в их плюсовые шины включены диоды (VD3 — на рис. 14,а и VD5 — на рис. 14,6).

Микросхему К155ЛАЗ можно заменить на К133ЛАЗ, К158ЛАЗ, К155ЛА1, К155ЛА4, К555ЛАЗ. Вместо К155ЛА8 можно применить К133ЛА8, К155ЛАЗ, но в последнем случае сопротивления резисторов R3—R8 необходимо увеличить до 820 Ом. Светодиодный индикатор АЛС324Б можно заменить на АЛ113, АЛС312 с любым буквен-

ным индексом, а также на АЛ305, АЛС321Б, АЛС337Б, АЛС338Б, АЛС324Б. Диоды могут быть любыми из серий Д7, Д9, Д311.

Пробник со светодиодным индикатором можно собрать, например, в корпусе от вышедшей из строя электрозажигалки.

Такие пробники пригодны для работы с микросхемами, рассчитанными на питание от источника напряжением +5 В (серии К 155, К555, К133, К134).Для работы с микросхемами КМОП (серии К164, К176, К561, К564) пробник можно собрать поаналогичней схеме на микросхемах КМОП, но для управления сегментами цифрового индикатора придется применить транзисторные ключи.

Приведем несколько советов по монтажу интегральных микросхем.

1. Во время пайки нс следует перегревать корпус микросхемы. Следует использовать припой с температурой плавления нс более 260°С, мощность паяльника не должна превышать 40 Вт, длительность пайки одного вывода — не более 5 с, а промежуток времени между пайками выводов одной микросхемы — не менее 30 с. Если ведется монтаж нескольких микросхем, то сначала паяют первый вывод первой микросхемы, затем — первый вывод второй и т.д., потом — второй вывод первой микросхемы, второй вывод второй и т.д. Благодаря такому приему микросхемы успевают остывать в промежуток времени между пайками.

Микросхемы КМОП могут быть выведены из строя разрядом статического электричества, основным источником которого является человек. Чтобы этого нс случилось, следует заземлять жало паяльника и руки радиомонтажника.

2. Монтаж микросхем может быть выполнен печатным способом или проводами. При монтаже проводами удобно использовать многожильный провод в тугоплавкой изоляции типа МГТФ сечением 0,07...0,1 мм2 или одножильный луженый провод 0,25...0,35 мм, также в тугоплавкой изоляции. Сначала на вывод микросхемы наматывают 1—1,5 витка провода, а затем производят пайку. Этот способ хорош тем, что позволяет неоднократно производить перепайки проводов, а такая необходимость может возникнуть в процессе наладки устройства.

Печатный монтаж микросхем следует применять тогда, когда есть уверенность, что устройство работоспособно, а также при изготовлении нескольких одинаковых устройств на одинаковых платах. Печатные платы могут иметь одно- и двустороннее расположение печатных проводников. Ниже будут приведены рисунки печатных плат для большинства устройств.

3. Неиспользуемые выводы микросхем ТТЛ следует объединять в группы по 10 шт. и подключать их к плюсовой шине питания через резистор сопротивлением 1...1.5 кОм, неиспользуемые выводы микросхем КМОП можно непосредственно подключать к плюсовой шине.

4. Для улучшения помехозащищенности между шинами литания следует устанавливать конденсаторы типов КМ-6, К10-7, К10-17 емкостью 0,047...0,15 мкф из расчета один конденсатор на два-три корпуса микросхем. Особое внимание следует уделять обеспечению помехоустойчивости устройств, имеющих в своем составе микросхемы памяти — триггеры, счетчики и т.п.

5. Соединительные проводники должны иметь длину не более 20...30 см. Если же требуется передать сигнал на большее расстояние, то используют так называемые витые пары. Два провода скручивают вместе, по одному из них подают сигнал, а второй "заземляют" (соединяют с общим проводом) с обоих концов. Целесообразно также оба конца сигнального провода подключить к плюсовой шине через резисторы сопротивлением 1 кОм (для микросхем ТТЛ) или 100 кОм (для микросхем КМОП). Длина проводников витой пары может быть 1,5...2 м.