Integrované obvody

Nejdříve se budeme zabývat integrovanými obvody všeobecněji.

Jak asi vypadají a co mají za úkol? Jsou to malé elektronické součástky obdélníkového tvaru s několika páry vývodů na obou stranách. Většinou se používají integrované obvody se sedmi či osmi páry ( to znamená čtrnáct či šestnáct vývodů). Značka (oblouček či záhlubeň ) ukazuje jeho horní část a PIN č.1 (první nožičku integrovaného obvodu. Integrované obvody, nebo-li sdružené obvody, obsahují aktivní a pasivní prvky umístěné v jednom společném pouzdře.

Dělení integrovaných obvodů podle způsobu výroby

Monolitické obvody (z jednoho kusu)

• jsou vytvořeny na jedné křemíkové destičce, na níž je napařováním, leptáním a difusí vytvořen celý systém integrovaného obvodu.
• Jsou velmi malé a náročné na přesnost výroby. Drahé je také vytváření pomocných přípravků tzv. masek. Proto se vyplatí jejich výroba jenom ve velkých sériích (viz. obr.5).

Hybridní obvody (smíšené, složené)

• vytváří se napařováním na základní, skleněné nebo keramické, destičky. Skládají se z několika samostatných součástek a obvodů, které jsou mezi sebou propojeny napařenými vodivými linkami nebo také i drátky.
• Jejich výroba je jednodušší a proto se dělají i v malých sériích. Nevýhodou pro tento typ IO jsou větší rozměry (např.pouzdro se sadou odporů pro sedmisegmentový LED displej )

Dělení integrovaných obvodů podle použití

Lineární IO (analogové)

• jejich značka MA ( TESLA), jiní výrobci používají svoje značení ( např. NE, LM…) pak následují čísla udávající typ obvodu, které jsou ve většině případů u všech výrobců stejná.

• Výstupní signál u těchto IO zůstává úměrný vstupnímu signálu.

Číslicové IO (digitální, logické)

• jejich značka MH ( TESLA), jiní výrobci používají svoje značení (např. UCY, SN…) pak následují čísla udávající typ obvodu, které jsou ve většině případů u všech výrobců stejná.

• pracují pouze se dvěma napěťovými úrovněmi. A to s tzv. logickou nulou – L ( 0,4V ) a s logickou jedničkou – H ( 2,4V ).

Číslicové integrované obvody

Vývoj integrovaných obvodů číslicového typu v zahraničí procházel několika etapami. Postupně byla vyvinuta řada variant mikroelektronických součástek, které realizovaly potřebné logické funkce několika způsoby.

Tranzistorová logika s odporovými vazbami - RTL

Tak byla zaváděna zejména tranzistorová logika s odporovými vazbami (RTL ).Použití tohoto typu obvodu bylo omezeno a to hlavně malou odolností proti rušení, malou rychlostí a citlivostí na teplotu a zátěž. Výhodou naopak byla nízká cena, jednoduchá výroba, malá spotřeba.

Na obr. vidíte jednoduchý logický člen NOR v provedení RTL.

Princip funkce:

Pokud přivedeme na všechny vstupy tohoto obvodu logickou 0 ( tzn. 0V ), žádný z tranzistorů se neotevře a na výstupu naměříme napětí zdroje, což znamená logickou 1.

Po přivedení logické 1 na libovolný vstup, či vstupy, se otevře příslušný tranzistor, či tranzistory, které svedou napětí zdroje na zem. V tomto případě naměříme na výstupu saturační napětí ( napětí, které bychom naměřili mezi kolektorem a emitorem otevřeného tranzistoru Ţ U_CE ), což odpovídá logické 0.

Diodo – tranzistorová logika - DTL

Obr.8

Dalším typem obvodů je diodo-tranzistorová logika (DTL ). Jak již název napovídá používá ke své funkci diod a tranzistorů.Toto zapojení se lépe realizovalo, u monolitických integrovaných obvodů, a bylo levnější. Naopak nevýhodou bylo použití dvou napájecích zdrojů, které ze začátku muselo být, a malá odolnost proti rušení.

Princip funkce:

Abychom lépe pochopili funkční princip zapojení na obr.8 rozkreslíme si jeho jednu část.

Na obr. 9 vidíte jak by se dal nakreslit náhradním zapojením tranzistor ( použít se však toto náhradní schéma může pouze při měření jednotlivých přechodů a pro objasnění některých komplikovanějších zapojení, kde je potřeba vysvětlit úbytky napětí na přechodech). Tranzistor NELZE nahradit zapojením dvou diod!!!!

A nyní se budeme věnovat obr.10 na kterém je zapojení vstupních diod D1, D2, D3 tranzistoru T1, diody D4 a tranzistoru T2.

Pokud na jednom, či více vstupech bude logická 0, tak bod spojení R1, D1, D2, D3 a T1 (přechod báze – emitor ) bude mít potenciál 0,75V. Tento potenciál není dostatečně velký, aby otevřel přechod báze – emitor tranzistoru T1, diodu D4 a přechod emitor báze tranzistoru T2.Proto naměříme na výstupu Y napájecí napětí U_CC. Toto napětí se rovná úrovni logické 1.

Pokud však na všech vstupech bude logická 1, v bodě spojení naměříme potenciál 2,25V. Což postačuje na otevření tranzistoru T1 diody D4 přechodu báze – emitor tranzistoru T2. Po otevření přechodu B-E u T2 se otevře i přechod kolektor – emitor u téhož tranzistoru a svede U_CC na záporný pól. V tomto případě naměříme na výstupu maximálně saturační napětí, které odpovídá logické úrovni 0.

Nyní se můžeme vrátit k obr.8 a aplikovat předchozí poznatky přímo do plného zapojení logického členu NAND v typu DTL.

Tranzistorvě – tranzistorová logika - TTL

V dnešní době se nejvíce uplatňují integrované obvody, které ke své funkci využívají několikaemitorového tranzistoru. Tyto integrované obvody se označují TTL, což je zkratka pro tranzistorově - tranzistorovou logiku. Pro tento typ logiky je významnou předností její rychlost. Na obr. 11 je nakreslen něklikaemitorový tranzistor se třemi vstupy a jeho náhradní schéma s použitím diod.

V TTL obvodech je nejpoužívanější řada 74xx a její teplotní verze (84xx, 54xx ).

Princip funkce:

Princip činnosti je obdobný jako u DTL. Na obrázku 11 je již dříve zmiňované náhradní zapojení. Když porovnáte toto náhradní zapojení několikaemitorového tranzistoru s typem logických obvodů DTL, zjistíte, že jsou skoro shodná.

Pokud na jednom, či více vstupech bude logická 0, tak se vytvoří malý potenciál na přechodu báze – emitor ( 0,75V ) několikaemitorového tranzistoru. Tento potenciál není dostatečně velký, aby otevřel přechod báze – emitor tranzistoru T1 a přechody emitor báze u následujících tranzistorů T2 aT4. Napájecí napětí U_CC otevře přes rezistor ( o hodnotě 1k5 ) tranzistor T3, přes který svede U_CC na výstup zapojeného obvodu. .Proto naměříme na výstupu Y napájecí napětí U_CC. Toto napětí se rovná úrovni logické 1.

Pokud však na všech vstupech bude logická 1, v bodě přechodu báze – emitor tranzistoru T1 naměříme potenciál 2,25V. Což postačuje na otevření tranzistoru T1, T2. Po otevření T2 se následně otevřou T3 a T4, které svedou napájecí napětí U_CC na svorku záporného pólu. V tomto případě naměříme na výstupu maximálně saturační napětí, které odpovídá logické úrovni 0.

CMOS technologie

Nejnovější technologií je unipolární typ logických obvodů označovaných jako CMOS ( complementary metal – oxide semiconductor; v překladu komplementární struktura MOS ).

Tyto obvody obsahují tranzistory, které jsou řízeny statickým polem (obr.13).

Nejznámější z této technologie jsou řady 4000 a 74Cxx.

Princip funkce:

Tranzistor T1 zde zastupuje funkci společného kolektorového odporu a princip funkce se tedy nijak neliší od předchozího zapojení.

Pokud přivedeme na vstupy samé logické úrovně 1, tak se otevřou tranzistory T1, T2, T3, T4 a umožní průchodu proudu na záporný pól. Na výstupu Y naměříme úroveň, která odpovídá logické 0.

Pokud se však na vstupu jedna, či více logických úrovní 0, otevřou se jen tranzistor T1 a napětí U_CC se objeví na výstupu Y. Tak dosáhneme vysoké logické úrovně.

Předchozí typy logických obvodů používali tzv. bipolární prvky.

Jaké jsou výhody oproti nejpoužívanější řadě TTL obvodů? Je to hlavně jejích příkon, který je menší a při velké integraci obvodů na desce plošných spojů není potřeba velkého chlazení, poněvadž nevyzařují tak velké teplo. Další výhodou je velký rozsah napájecího napětí (přibližně 3V – 20V, u TTL obvodů je rozsah asi 4,5 – 5,5) a jejich jednoduchost výroby umožňuje realizovat až stovky tranzistorů na ploše 1mm².

Avšak i tyto obvody mají své nevýhody. Jsou o něco pomalejší než bipolární tranzistory. Dále jsou bohužel velice náchylné na statickou elektřinu, i když na vstupech mají ochranné odpory. Proto vyžadují zvláštní zacházení již při výrobě, přepravě a hlavně při manipulaci a montáži, abychom je nezničili (tzv. neodpálili).

CMOS obvody přepravujeme v plastových krabičkách napuštěných uhlíkem, nejčastěji však v polystyrénu, který je potažen hliníkovou fólií ( alobalem ). Integrovaný obvod fólii protrhne a jeho vývody se zkratují.Při montáži si musíme dávat pozor již při manipulaci s integrovaným obvodem. Používáme proto uzemňovací náramek, který si navlečeme na ruku a druhou stranu řetízku uzemníme. I na pracovní plochu musíme použít materiály, které nevytvářejí statický náboj nebo plochu musíme taktéž uzemnit.Pro montáž se rovněž nehodí transformátorová páječka, která při zapínání a vypínání indukuje napěťové špičky.Také teplota ohřevu při pájení a u určitý čas mohou ohrozit funkčnost součástky..Problémy mohou nastat i s hotovou deskou plošného spoje, která obsahuje tuto technologii. I zde může statická elektřina způsobit škody. Stačí jen dotek staticky nabitou rukou na vodivou část (vodivé cesty, součástky, konektory apod. ).

Přesto tyto obvody mají velikou budoucnost pro jejich značné výhody.

My se však budeme podrobněji zabývat TTL logikou, která je pro naše účely vhodnější

Elektrické parametry obvodů TTL:

V této kapitole se budeme věnovat elektrickým parametrům. Převážná většina integrovaných obvodů TTL využívá jednoho základního principu zapojení s definovanými elektrickými vlastnostmi a elektrickými parametry. Proto jsou i některé elektrické parametry definovány zcela shodně (např. výstupní napětí pro oba logické stavy, vstupní proudy apod.), jiné se liší jen s ohledem na specifické vlastnosti jednotlivých obvodů.

Elektrické parametry můžeme rozdělit do dvou částí. Na mezní hodnoty a charakteristické hodnoty.

Všechny hodnoty jsou konkrétně dány pro obvody českého výrobce TESLA základní řady 74xx a jejích teplotních variant 54xx a 84xx. Ostatní výrobci používají sice jiné označení, ale parametry jsou shodné.

Mezní hodnoty:

• jsou definovány jako nejvyšší, případně nejnižší hodnoty určité veličiny, kterou je možné přivést na daný číslicový obvod, aniž by tím došlo k poruše:

Mezní napětí zdroje U_CC : Toto napětí je pro všechny obvody TTL uváděných řad

řada MH74 a MH84 U_CC 5V ± 5% tj. 4,75V až 5,25V

řada MH54 U_CC 5V ± 10% tj. 4,5V až 5,5 V

Mezní napětí vstupů U_VST: Toto napětí je u všech obvodů TTL minimálně 0V a maximálně 5,5V. Napětí se rozumí proti společnému bodu 0, který je záporným pólem zdroje U_CC.

Rozsah pracovních teplot J : Rozumí se tím rozsah teplot okolí, ve kterém daný obvod podrží své zaručované charakteristické parametry. Překročením rozsahu pracovních teplot může být činnost obvodu zhoršena, nemusí však dojít ke zničení. Rozsah pracovních teplot pro jednotlivé řady je následující:

MH74 0 ^oC až +70 ^oC

MH84 -25 ^oC až +85 ^oC

MH54 -55 ^oC až +125 ^oC

Skladovací teplota u TTL obvodů se pohybuje od – 55 až + 155 ⁰C

Charakteristické parametry:

• dělíme je na statické a dynamické.

Přehled parametrů TTL obvodů

V tabulce je uveden přehled vybraných integrovaných obvodů, které se využívají pro číslicovou techniku a některé jejich důležité parametry.