Логические микросхемы. Часть 1.

Вступительная часть статьи о логических микросхемах. Рассказывается о системах счисления и представлении двоичного числа с помощью электрических сигналов.

Современная цифровая интегральная микросхема представляет собой миниатюрный электронный блок, в корпусе которого содержатся соединенные по определенной схеме активные и пассивные элементы. Это транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы.

Число элементов в современных микросхемах может достигать нескольких сотен тысяч и даже миллионов элементов. Достаточно вспомнить микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти .

Чтобы просто перечислить все современные микросхемы понадобится не одна статья, а целая достаточно толстая книга. В этой статье мы рассмотрим микросхемы малой и средней степени интеграции, в основном простые логические элементы .

Примерно лет двадцать назад микросхемы большой степени интеграции (БИС) , как правило, выполняли функцию, заложенную в них в процессе изготовления. В одной микросхеме мог быть спрятан микрокалькулятор, часы или узел электронной вычислительной машины (ЭВМ).

В настоящее время широкое распространение получили всевозможные микроконтроллеры : даже такое простейшее устройство как новогодняя гирлянда китайского производства есть не что иное, как запрограммированный микроконтроллер.

Электронные часы, бытовые таймеры, различные говорящие и поющие игрушки получаются также программированием соответствующего микроконтроллера. Или как сейчас у всех на слуху — перепрошивкой.

Другими словами не запрограммированный контроллер это болванка, из которой получится устройство, обладающее необходимыми разработчику свойствами. И, несмотря на такую универсальность, входные и выходные сигналы микроконтроллера те же самые, что и цифровых микросхем малой и средней степени интеграции. Поэтому без знания этих уже устаревших и забывающихся элементов просто никуда не деться.

В основе работы цифровых микросхем лежит двоичная система счисления. Она же лежит в основе действия современных персональных компьютеров и всех вычислительных и коммуникационных систем.

В повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, содержащей десять цифр 0…9. Такая система произошла оттого, что у каждого человека на руках десять пальцев. У некоторых народов Севера счет велся до двадцати, а число двадцать называлось «весь человек».

Десять это уже не цифра, а число, состоящее из одного десятка и нуля единиц: 10 = 1*10 + 0*1. В точности также число 640 будет содержать шесть сотен + четыре десятка + ноль единиц, или в виде цифр 640 = 6*100 + 4*10 + 0*1.

Такая система носит название десятичной позиционной, т.е. вес разряда зависит от его позиции в числе. Нетрудно заметить, что это будут единицы, десятки, сотни, тысячи, десятки тысяч, сотни тысяч и так далее.

В двоичной системе число получается в точности таким же способом, только в качестве основания используется не десять, а два и его степень. То есть не 1, 10, 100, 1000, 10000 и так далее, а 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. каждое последующее число получено умножением предыдущего на основание системы (в данном случае на 2), т.е. возведением предыдущего в следующую степень. Для десятичной системы каждое предыдущее число умножается на десять, так как основание системы счисления есть десять.

С помощью восьмиразрядного двоичного числа, (в вычислительной технике называется БАЙТ) возможно представление десятичных чисел в диапазоне 0…255, или в двоичном виде 0000 0000 … 1111 1111(b).

Упомянутому выше числу 640 будет соответствовать запись 640 = 10 1000 0000 (b) или, как в предыдущем примере

640=1*512+0*256+1*128+0*64+0*32+0*16+0*8+0*4+0*2+0*1.

(b) в конце записи говорит о том, что это число двоичное. В правильности этой записи проще всего убедиться при помощи калькулятора Windows. Подобная форма кодирования информации оказалась очень удобной для компьютеров, ведь отличить ноль от единицы также просто, как замкнутый контакт от разомкнутого или горящую лампочку от погасшей.

Если двоичную информацию передавать при помощи электрических сигналов, то потребуется всего два уровня напряжения. Как правило, это более положительный (высокий), и менее положительный или даже отрицательный (нулевой).

Чаще всего напряжение высокого уровня принято рассматривать в качестве логической единицы, а напряжение низкого уровня – как логический ноль. Тогда говорят, что мы имеем дело с положительной логикой.

Кроме этого существует еще и отрицательная логика: напряжение высокого уровня это логический 0, а низкого уровня – логическая единица. В этой статье мы будем рассматривать только положительную логику.

Одними из самых распространенных и популярных в свое время у радиолюбителей были микросхемы серии К155 . Для них напряжение логического нуля находится на уровне 0…0,4В, а логической единицы 2,4…5,0В. Это при том, что номинальное напряжение питания для этой серии составляет 5в с допуском + — десять процентов.

Для других серий микросхем, имеющих другое напряжение питания, эти числа, конечно же, другие, но в пределах одной серии, неизменные. Ориентировочно можно сказать, что напряжение логической единицы у большинства серий микросхем находится в пределах от половины напряжения питания до полного напряжения питания.

Например, для микросхем серии К561 при напряжении питания +15В напряжение логической единицы будет в пределах +7,5…15В. Серия К561 работоспособна при напряжении питания в пределах 3…15В. При этом напряжение логической единицы будет находиться в тех пределах, как было указано выше.

Описание логических микросхем рассмотрим на примере серии К155, как наиболее распространенных и при работе особых мер предосторожности не требующих.

Эта серия микросхем считается функционально полной и содержит около 100 наименований. Это значит, что с помощью данной серии можно реализовать любую даже самую сложную логическую функцию.

В следующей статье мы познакомимся с работой и устройством цифровых микросхем. Это знакомство начнем с логических элементов реализующих простейшие функции булевой алгебры (алгебры логики) .

Продолжение статьи: Логические микросхемы. Часть 2.

Электронная книга — руководство про микроконтроллеры AVR для начинающих