В полупроводниковых цифровых микросхемах электронных схем принтеров широко используются логические вентили на ТТЛ (TTL) и КМОП (CMOS) структурах. Внутри сложных микросхем применяются и другие типы ячеек, но они обычно обрамляются внешними схемами с параметрами ТТЛ- или КМОП-вентилей. Информация о некоторых свойствах этих вентилей полезна для работы с цифровыми микросхемами и работе с интерфейсами при ремонте лазерных принтеров.
Микросхемы ТТЛ. Логические микросхемы, применяемые в компьютерах, питаются от постоянного напряжения +5 В, приложенного относительно общего провода — шины GND. В современных компонентах (процессорах, микросхемах памяти) снизили напряжение питания до 3,3В и значительно ниже. Существует несколько разновидностей микросхем ТТЛ. Стандартные микросхемы имеют среднее энергопотребление и быстродействие 10 нс. Микросхемы серии с пониженным энергопотреблением обычно имеют пониженное быстродействие 33 нс. Некоторые серии, имеют повышенную выходную и потребляемую мощность. Микросхемы с диодами Шотки (ТТЛШ) при более высоком, чем у стандартных, энергопотреблении имеют быстродействие в три раза выше 3 нс. Серия маломощных микросхем ТТЛШ при том же быстродействии, что и у стандартной, потребляет мощность в несколько раз меньше. Наиболее перспективными являются серии с быстродействием 3 нс и с быстродействием 4 нс. При этом потребление у серии ALS (AdvancedLow-PowerSchottky) в два раза ниже, чем у серии F (Fast). Серия ALS хорошо стыкуется с микросхемами КМОП.
В ТТЛ-логике различают входы, выходы (обычные, тристабильные и с открытым коллектором) и двунаправленные выводы.
Вход ТТЛ воспринимает только логический уровень сигнала. Порог переключения — обычно был 1,3—1,4 В. Напряжение ниже порога воспринимается как низкий уровень, выше — как высокий. Состояние свободного (ни к чему не подключенного то есть «обрыв») входа ТТЛ-микросхемой воспринимается как высокоуровневое, и на нем высокоомным вольтметром или осциллографом можно было наблюдать потенциал 1,3-1,4 В. В таком состоянии вход является чувствительным к помехам, поэтому свободные входы рекомендуют соединять с источником высокого или низкого логического уровня (в зависимости от логики работы). Если несколько свободных входов разных вентилей соединяются вместе, их состояние будет неопределенным: из-за разброса порогов часть из них может восприниматься как высокий уровень, а часть — как низкий. В качестве источника высокого уровня часто используют шину питания +5 В, но вход (или группу входов) подключают к ней через балластный резистор (1-10 кОм). В качестве низкого уровня используют общий провод (шину GND). Входной ток зависит от потенциала входа: при низком уровне ток имеет отрицательное значение (вытекающий ток) порядка 1,5 мА для стандартных микросхем ТТЛ, при высоком уровне — положительное (втекающий ток) на уровне десятков микроампер. У микросхем серий S, LS и ALS входные токи существенно меньше. Входное напряжение, превышающее значение питающего напряжения, для микросхем ТТЛ недопустимо — оно может пробить входной вентиль. Кроме вентилей с обычными входами существуют вентили с триггерами Шмитта. У них имеется гистерезис переключения около 0,8 В, симметричный относительно порога (1,3 В). Эти элементы используются как приемники сигналов с повышенным уровнем помех.
Обычный выход ТТЛ формирует выходные логические уровни: низкий (ниже 0,4-0,5 В) и высокий (выше 2,4 В). Выходные уровни при повышении нагрузки (выходного тока) ухудшаются — приближаются к порогу переключения. Выходной ток короткого замыкания (КЗ) на землю ограничен несколькими миллиамперами, поэтому короткое замыкание (КЗ) на землю безопасно для выходов элементов ТТЛ. Выходной ток при КЗ на шину питания, когда вентиль пытается формировать низкий уровень сигнала, достигает десятков миллиампер и опасен для микросхемы. Если два выхода соединить вместе и они будут пытаться формировать разные уровни, то в этом конфликте «победит» выход, формирующий низкий логический уровень. Этим свойством иногда пользуются при построении схем, но это не совсем «законно». Существуют буферные элементы с повышенной нагрузочной способностью. Они предназначены для подключения большого количества входов или цепей с большой емкостной нагрузкой. В персональных компьютерах (PC) таким местом является, например, мультиплексированная шина адреса динамической памяти.
Выход с открытым коллектором (Open Drive Output)работает в качестве ключа, способного коммутировать сигнал на шину GND. Этот тип выхода способен формировать только низкий логический уровень, а высокий уровень формируют с помощью внешнего резистора, «подтягивающего» сигнал к напряжению питания (Pullup Resistor). Выходы с открытым коллектором разрешается объединять, при этом реализуется функция «монтажное И». Существуют элементы с открытым коллектором, имеющие повышенную нагрузочную способность как по допустимому выходному току ключа, так и по допустимому напряжению на закрытом ключе. Они могут использоваться для управления исполнительными устройствами (например, реле), индикаторами и т. п.
Тристабильиый выход (Tristate Output) кроме формирования низкого и высокого уровней может быть переведен в третье, высокоимпедансное (High-ZState) состояние, в котором выходной вентиль отключен от вывода. Этот тип выхода предназначен для объединения нескольких источников сигнала на одной шине. Как правило, не в третьем состоянии может находиться не более одного из объединяемых источников. В противном случае на шине будет конфликт, в котором побеждает низкий уровень. Вентили с тристабильным выходом имеют управляющий вход, который обычно обозначают ОЕ (Output Enable).
Двунаправленный вывод элемента представляет собой комбинацию входа и тристабильного выхода (или выхода с открытым коллектором). В зависимости от управляющего сигнала этот вывод работает либо как вход, либо как выход.
Логические элементы КМОП. Логические элементы КМОП отличаются от ТТЛ большим размахом сигнала (низкий уровень ближе к нулю, высокий — к напряжению питания), малыми входными токами (почти нулевыми в статике, в динамике — обусловленными паразитной емкостью) и малым потреблением, однако их быстродействие несколько ниже. В отличие от ТТЛ, микросхемы КМОП допускают более широкий диапазон питающих напряжений. Микросхемы ТТЛ и КМОП взаимно стыкуются, хотя вход КМОП требует более высокого уровня логической единицы, а выход КМОП из-за невысокого выходного тока можно нагружать лишь одним ТТЛ-входом. Современные микросхемы КМОП по параметрам приближаются к ТТЛ серии ALS и хорошо стыкуются с ними. Микросхемы КМОП имеют те же типы выводов, но вместо выхода с открытым коллектором у них присутствует выход с открытым стоком (что по логике работы одно и то же).
Способы уменьшения потребляемой и рассеиваемой мощности и увеличения быстродействия. Длина интерфейсных кабелей ограничивается как уровнем помех на входе, так и создаваемой емкостной нагрузкой на выходные вентили, в качестве которых рекомендуется применять элементы с повышенной нагрузочной способностью. Эффективность любого сигнального протокола состоит в конечных значениях логических уровней (напряжение, соответствующее логическому "0" и "1") и их дискретности (разности между уровнями логического "0" и "1"). Если на первый параметр влияет технология изготовления кристалла, то от второго параметра напрямую зависит быстродействие. Уменьшая напряжение логических уровней, мы добиваемся уменьшения потребляемой и рассеиваемой мощности. Уменьшая второй параметр, мы уменьшаем время, требуемое на переключение транзистора - следовательно, увеличиваем быстродействие. Разделение сигналов на группы по логическим уровням способствует уменьшению влияния электромагнитной интерференции и повышению эффективности протокола.
Версия сайта для слабовидящих