Микросхемы серии КМОП.

Общие сведения

  Описанные в предыдущей главе цифровые микросхемы ТТЛ-серий -К155, К555, КР1533, КР531 обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток - большая потребляемая мощность. В ряде случаев, когда не нужно такое высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют интегральные микросхемы серий К176, К561, КР1561 и 564.

Микросхемы этих серий изготовляются по технологии комплементарных транзисторов структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Ранее в качестве диэлектрика использовался окисел кремния, поэтому сокращенным обозначением структуры этих микросхем было КМОП, оно и используется в этой книге.

Основная особенность микросхем КМОП - ничтожное потребление тока в статическом режиме - 0,1...100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ.

2-11.jpg
 

Рассмотрим внутреннюю структуру микросхем КМОП на примере двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ (рис. 160). Основу этого элемента составляют два транзистора структуры МОП с индуцированным каналом р-типа VT1 и VT2 и два транзистора с каналом n-типа VT3 и VT4. Резисторы и диоды являются вспомогательными и в нормальной работе элемента участия не принимают.

При подаче на оба входа напряжения, близкого к нулю (лог. 0), транзисторы VT3 и VT4 закрыты, транзисторы VT1 и VT2 открыты и соединяют выход элемента с источником питания. На выходе элемента напряжение близко к напряжению источника питания (лог. 1). Если на один из входов, например вход 1, подать лог. 1, транзистор VT2 закроется, транзистор VT4 откроется и соединит выход элемента с общим проводом, на выходе элемента появится лог. 0. Такой же результат будет при подаче лог. 1 на вход 2 или при подаче лог. 1 на оба входа одновременно.

Таким образом, изображенный на схеме рис. 160 элемент выполняет функцию ИЛИ-НЕ на два входа. Для увеличения числа входов элемента увеличивают число последовательно соединенных транзисторов с каналом р-типа и параллельно соединенных транзисторов с каналом n-типа.

Для построения элементов с функцией И-НЕ транзисторы с каналом р-типа соединяют параллельно, с каналом п-типа - последовательно.

На рис. 161 приведена статическая переключательная характеристика инвертирующего МОП-элемента - зависимость его выходного напряжения от входного. Как видно из зависимости, переключение элемента происходит при входном напряжении, близком к половине напряжения питания.

Диоды VD7 и VD8 (рис. 160) являются неотъемлемой частью МОП-транзисторов, диоды VD1 - VD6 и резисторы R1 и R2 специально вводятся в состав элемента для защиты МОП-транзисторов от статического электричества

2-12.jpg
 

 При превышении входным напряжением напряжения источника питания открываются диоды VD1 - VD4, что исключает подачу на затворы транзисторов напряжения, превышающего напряжение питания. При снижении входного напряжения до уровня, более низкого, чем потенциал общего провода, открываются диоды VD5 и VD6. В микросхемах серии К176 первых выпусков для защиты входов использовались диоды-стабилитроны с напряжением включения порядка 30 В, которые устанавливались вместо VD5 и VD6.

Микросхемы серий К176, К561, КР1561 выпускаются в пластмассовых корпусах с двухрядным расположением 14, 16 или 24 штыревых выводов, а микросхемы серии 564 - в корпусах с тем же количеством выводов, расположенных в одной плоскости, в так называемых планарных корпусах. Номинальное напряжение питания микросхем серии К176 - 9 В ±5%, однако они, как правило, сохраняют работоспособность в диапазоне питающих напряжений от 5 до 12 В. Для микросхем серий К561 и 564 гарантируется работоспособность при напряжении питания от 3 до 15 В, для КР1561 - от 3 до 18 В.

 Диапазон рабочих температур микросхем серии К176 от -10 до +70 "С, серий К561 и КР1561 от -45 до +85 'С, серии 564 от -60 до +125 С.

Выходные уровни микросхем при работе на однотипные микросхемы практически не отличаются от напряжения питания и потенциала общего провода. Максимальный выходной ток большинства микросхем серий К176, К561 и 564 не стандартизирован и не превышает единиц миллиампер, что несколько затрудняет непосредственное согласование микросхем этих серий с какими-либо индикаторами и микросхемами ТТЛ-серий.

Отличительной особенностью микросхем серии КР1561 является наличие буферных элементов не только на выходах сложных элементов, как в микросхемах серий К176, К561 и 564, но и на входах и выходах всех микросхем, независимо от их сложности. Кроме того, в микросхемах серии КР1561 улучшена защита от перегрузок как по входу, так и по выходу, в выходные цепи добавлены небольшие токоограничительные резисторы.

Стандартные статические нагрузочные характеристики микросхем серии КР1561 следующие. При лог. 0 на выходе и выходном напряжении 0,4; 0,5; 1,5 В выходной втекающий ток не менее 0,44; 1,1; 3 мА при напряжении питания 5,10,15 В соответственно. Те же нормы существуют и для вытекающих токов в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 4,6; 9,5; 13,5 В соответственно. Кроме того, гарантируется, что при напряжении питания 5 В, выходном напряжении 2,5 В выходной вытекающий ток при лог. 1 составит не менее 1,36 мА.

Реально выходные токи микросхем серии КР1561 значительно больше. При лог. 0 на выходе и выходном напряжении 0,5 В выходной ток составляет примерно 3...5, 5...10, 6...15мА при напряжении питания 5, 10, 15 В соответственно. Аналогично вытекающий ток в состоянии лог. 1 при выходном напряжении, на 0,5 В меньшем, чем напряжение питания, составляет при тех же напряжениях питания примерно 1,2... 1,5; 2...3; 3...4 мА.

При напряжении на выходе 1 В в состоянии лог. 0 выходной втекающий ток составляет 6...10,10...20,12...25 мА при указанных выше напряжениях питания, при напряжении, на 1 В меньшем напряжения питания, в состоянии лог. 1 вытекающий ток 2...3, 4...5,5...7 мА соответственно.

Ток короткого замыкания при напряжении 5 В составляет около 10 мА в состоянии лог. 0 и около 6 мА в состоянии лог. 1, что позволяет подключать практически любые светодиоды к выходам микросхем этой серии без ограничительных резисторов. При напряжении питания 10 или 15 В ток короткого замыкания может достигать 20...60 мА, поэтому включение ограничительных резисторов необходимо.

Выходной ток 0,44 мА в состоянии лог. 0 при напряжении на выходе 0,5 В и напряжении питания 5 В гарантирует нормальную работу микросхем серии КР1561 на один вход микросхем серии К555. Поскольку, как указывалось выше, реальный выходной ток в этих условиях больше, микросхемы серии КР1561 можно нагружать на несколько входов микросхем серии К555 или на один вход микросхемы серии К 155.

Напряжение питания на микросхемы рассматриваемых серий подается на вывод с наибольшим номером, общий провод подключается к выводу с вдвое меньшим номером. Исключение составляют микросхемы К561ПУ4 и КР1561ПУ4, а также микросхемы, требующие для своей работы два источника питания. Все исключения отмечены далее при описании конкретных микросхем.

При использовании микросхем следует помнить, что защита входов микросхем диодами от статического электричества не является полной. Поэтому при монтаже устройств с микросхемами КМОП необходимо соблюдать следующие правила.

Для исключения случайного пробоя за счет статического электричества потенциалы монтируемой платы, паяльника и тела монтажника должны быть уравнены. Для этого на ручку паяльника можно намотать несколько витков неизолированного провода или укрепить металлическую пластинку и соединить через резистор 100...200 кОм с металлическими частями паяльника. Конечно, обмотка паяльника не должна иметь контакта с его жалом. При монтаже свободной рукой следует касаться шин питания монтируемой платы. Если микросхема находится в металлической коробке или ее выводы упакованы в фольгу, прежде чем взять микросхему, следует дотронуться до коробки или фольги. При передаче микросхемы из рук в руки следует уравнять потенциалы участвующих в этом, дотронувшись друг до друга до момента передачи.

Применение микросхем КМОП-серий имеет свои особенности. Ни один из входов микросхем не может быть оставлен неподключенным, даже если логический элемент в микросхеме не использован. Свободные входы элементов должны бьггь или соединены с используемыми входами того же элемента или подключены к шине питания или к общему проводу в соответствии с логикой работы микросхемы. Напряжение источника питания должно подаваться ранее или одновременно с подачей входных сигналов.

В любом устройстве, собранном на микросхемах структуры КМОП, рекомендуется перед первым включением проверить прозвонкой подачу напряжения питания на все выводы питания и те выводы микросхем, на которые напряжение питания подается в соответствии с принципиальной схемой. Дело в том, что микросхема КМОП из-за наличия входных защитных диодов может работать без подачи напряжения на вывод питания, если хотя бы на один из входов микросхемы подано напряжение питания или лог. 1. Аналогично следует проверить цепь общего провода по той же причине.

В табл. 7 приведены обозначения большинства микросхем рассматриваемых серий, число выводов корпуса, предельная частота работы некоторых микросхем, а также номер рисунка книги, где дано графическое обозначение микросхемы. Для микросхем серии К176 предельная частота дана для напряжения 9 В, для серий К561 и 564 - для 5 и 10 В, для серии КР1561 - для 5, 10 и 15 В.

Таблица 7

Обозначение микросхемы

Функциональное назначение

Число выводов корпуса Предельная частота, МГц при Uпит, В Номер рис.
5 9,10 15
КР1561АГ1 2 ждущих мультивибратора 16 - - - 277
К176ИД1 К561ИД1 Дешифратор 4-10 с прямыми выходами 16 - - - 232
К176ИД2 К176ИДЗ Преобразователи двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора 16 16 - - - 235 235
564ИД4 564ИД5 Преобразователи двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора 16 16 - - - 235 235
КР1561ИД6 2 дешифратора 2-4 с прямыми выходами 16 - - - 238
КР1561ИД7 2 дешифратора 2-4 с инверсными выходами 16 - - - 238
К176ИЕ1 Шестиразрядный двоичный счетчик 14 - 1 - 172
К176ИЕ2 Пятиразрядный двоичный и десятичный счетчик 16 - 2 - 173
К176ИЕЗ Счетчик-делитель на 6 с выходом на семисегментный индикатор 14 - 1 - 176
К176ИЕ4 Декада с выходом на семисегментный индикатор 14 - 1 - 177
К176ИЕ5 Кварцевый генератор и делитель частоты на 32768 14 - - - 184
К176ИЕ8 К561ИЕ8 Десятичный счетчик с дешифратором 16 1 2

3

- 185
К561 ИЕ9 Двоичный счетчик с дешифратором 16 1 3 - 187
К561ИЕ10 КР1561 ИЕ10 2 четырехразрядных двоичных счетчика 16 1,5 4 3 4 195
К561 ИЕ11 Четырехразрядный двоичный реверсивный счетчик 16 - 5 - 200
К176ИЕ12 Кварцевый генератор и делители частоты на 32768 и 60 16 - 1.2 - 203
К176ИЕ13 Счетчик для часов с будильником 16 - 1,2 - 205
К561ИЕ14 Четырехразрядный десятичный реверсивный счетчик 16 1,5 3 - 211
КА561ИЕ15А КА561ИЕ15Б Делитель частоты с переключаемым коэффициентом деления 24 0,8 0,4 1,5 0,75 - 212
К561ИЕ16 14-разрядный двоичный счетчик 16 1,5 4 - 214
К176ИЕ17 Счетчик-календарь 16 - - - 219
К176ИЕ18 Кварцевый генератор и делители частоты на 32768 и 60 16 1 1 - 221
К561ИЕ19 Счетчик с переключаемым коэффициентом деления 16 0,6 1.8 - 222
 

 

Таблица 7 (продолжение)

 

Обозначение микросхемы

Функциональное назначение

Число выводов корпуса Предельная частота, МГц при Uпит,, В Номер рис.
5 9, 10 15
КР1561ИЕ20 12-разрядный двоичный счетчик 16 - - - 226
КР1561ИЕ21

Четырехразрядный двоичный синхронный счетчик

16 - - - 227
К561ИК1 3 мажоритарно-мультиплексорных элемента 16 - - - 268
564ИК2 Устройство управлений пятиразрядным индикатором 24 - - - 241
К176ИМ1 К561ИМ1 Четырехразрядный двоичный сумматор 16 - - - 262
К561ИП2 Элемент сравнения четырехразрядных чисел 16 - - - 271
564ИР1 18-разрядный сдвигающий регистр 14 1,5 3 - 228
К176ИР2 К561ИР2 2 четырехразрядных сдвигающих регистра 16 - 2

4.5

- 228
К176ИРЗ Четырехразрядный сдвигающий регистр 14 - 2 - 228
К561ИР6 Восьмиразрядный сдвигающий регистр (Z) 24 - - - 228
К561ИР9 Четырехразрядный сдвигающий регистр 16 - - - 228
К176ИР10 18-разрядный сдвигающий регистр 14 - 2 - 228
564ИР13 Регистр последовательного приближения 24 2 5 - 231
КР1561ИР14 Четырехразрядный регистр хранения информации (Z) 16 1.8 3.6 4,8 228
КР1561ИР15 Четырехразрядный реверсивный сдвигающий регистр 16 - - - 228
К561КП1 КР1561КП1 2 мультиплексора 4-1 16 - - - 251
К561КП2 КР1561КП2 Мультиплексор 8-1 16 - - - 259
К176КТ1 4 ключа 14 - - - 250
К561КТЗ КР1561КТЗ 4 ключа 14 - - - 250
К176ЛА7 К561ЛА7 4 элемента 2И-НЕ 14 - - - 162
К176ЛА8 К561ЛА8 2 элемента 4И-НЕ 14 - - - 162
К176ЛА9 К561ЛАР КР1561ЛА9 3 элемента ЗИ-НЕ 14 - - - 162

  

Таблица 7 {продолжение)

 

Обозначение микросхемы Функциональное назначение Число выводов корпуса Предельная частота, МГц при Uпит, В Номер рис.
5. 9,10. 15
564ЛА10 2 элемента 2И-НЕ (ОС) 14 - - - 162
К176ЛЕ5 К561ЛЕ5 КР1561ЛЕ5 4 элемента 2ИЛИ-НЕ 14 - - - 162
К176ЛЕ6 К561ЛЕ6 КР1561ЛЕ6 3 элемента 4ИЛИ-НЕ 14 - - - 162
К176ЛЕ10 К561ЛЕ10 КР1561ЛЕ10 3 элемента 3 ИЛИ-НЕ 14 - - - 162
К176ЛИ1 9И+НЕ 14 - - - 162
КР1561ЛИ2 4 элемента 2И 14 - - - 162
К561ЛН1 б элемента НЕ (Z) 16 - - - 165
К561ЛН2 6 элемента НЕ 14 - - - 165
К561ЛНЗ 6 повторителей (Z) 16 - - - 165
К176ЛП1 6 транзисторов 14 - - - 273
К176ЛП2 К561ЛП2 4 элемента ИЛИ с исключением 14 - - - 263
К176ЛП4 2 элемента ЗИЛИ-НЕ+НЕ 14 - - - 162
К176ЛП11 2 элемента 4ИЛИ-НЕ + НЕ 14 - - - 162
К176ЛП12 2 элемента 4И-НЕ + НЕ 14 - - - 162
К561ЛП13 3 мажоритарных элемента 14 - - - 267
КР1561ЛП14 4 элемента ИЛИ с исключением 14 - - - 263
К176ЛС1 3 мультиплексора 2-1 14 - - - 269
К561ЛС2 4 элемента И-ИЛИ 16 - - - 270
К176ПУ1 5 преобразователей уровня КМОП-ТТЛ с инверсией 14 - - - 164
К176ПУ2 6 преобразователей уровня КМОП-ТТЛ с инверсией 16 - - - 164
К176ПУЗ 6 преобразователей уровня КМОП-ТТЛ 16 - - - 164
К176ПУ4 КР1561ПУ4 6 преобразователей уровня КМОП-ТТЛ 16 - - - 164
К176ПУ5 4 преобразователя уровня ТТЛ-КМОП 16 - - - 164
564ПУ6 4 преобразователя уровня ТТЛ-КМОП (Z) 16 - - - 164
К561ПУ7 6 преобразователей уровня ТТЛ-КМОП с инверсией 14 - - - 164
К561ПУ8 6 преобразователей уровня ТТЛ-КМОП 14 - - - 164
К561СА1 13-входовый сумматор по модулю 2 16 - - - 266

  

Таблица 7 (окончание)

 

Обозначение микросхемы

Функциональное назначение

Число выводов

корпуса

Предельная частота, МГц при Uпит, В Номер рис.
5 9,10 15
К176ТВ1 К561 ТВ 1 КР1561ТВ1 2 JK-триггера 14 3.5 2 8 8 12 169
К561ТЛ1 КР156ГГЛ1 4 триггера Шмитта 2И-НЕ 14 - 2 - 163
К176ТМ1 2 D-триггера 14 - 1 - 169
К176ТМ2 К561ТМ2 2 D-триггера 14 - 1 4.5 - 169
К561ТМЗ 4 D-триггера 16 - 2 - 168
К561ТР2 4 RS-триггера (Z) 16 - - -

166

564УМ1 4 D-триггера с увеличенной амплитудой выходного сигнала 16 - - - 168

 

Логика работы микросхем с одинаковым буквенно-цифровым обозначением у серий К176, К561, КР1561 и 564 полностью совпадает, совпадают реальные электрические параметры у микросхем серий К561 и 564, хотя паспортные нормы у них различны. Поэтому здесь рассматриваются лишь те микросхемы серии 564, которые или отсутствуют в других сериях, или имеют другие буквенно-цифровые обозначения.

Изучение работы микросхем удобно начать с простейших комбинационных микросхем - логических элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И, повторителей и инверторов.

Далее