Глава 6
Знакомство с микросхемами

Микросхема (от англ. chip — чип) представляет собой электронный «мини-кирпичик», содержащий транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких тысяч. Разновидностей микросхем достаточно много. Среди них — логические, операционные усилители, специализированные. Мы поговорим о некоторых из них.

Большая часть микросхем представляет собой пластмассовый корпус прямоугольной формы с гибкими пластинчатыми выводами (рис. 6.1), расположенными вдоль обеих сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ — метка, от которой ведется нумерация выводов. Если на микросхему смотреть сверху, то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу — то в направлении движения часовой стрелки. Микросхемы могут иметь любое количество выводов.

Особой популярностью среди микросхем пользуются логические. Принцип их работы построен на двух условных уровнях: низком или высоком, что эквивалентно состоянию логического 0 или логической 1. Так, для микросхем серии К155 за низкий уровень, соответствующий логическому 0, приняты напряжения от 0 до 0,4 В, а за высокий, соответствующий логической 1, - не менее 2,4 В и не более напряжения источника питания — 5 В. Для микросхем серии К176, рассчитанных на питание от источника, напряжением 9 В, соответственно 0,02-0,05 и 8,6–8,8 В. На первый взгляд это сложно понять, но на самом деле не так и трудно. Условные графические обозначения основных элементов микросхем показаны на рис. 6.2 — логические элементы И, ИЛИ, НЕ и И-НЕ. Там же приведены таблицы истинности, дающие представление о логике действия этих элементов.

Рис. 6.2. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ и И-НЕ

Символом логического элемента И служит знак & (союз и в английском языке), находящийся внутри прямоугольника. Слева — два (или больше) входных вывода, справа — один выходной вывод. Действие этого элемента таково: напряжение высокого уровня появится на выходе тогда, когда сигналы такого же уровня будут на всех его входах. Такой же вывод можно сделать, глядя на таблицу истинности, характеризующую электрическое состояние элемента И и логическую связь между его выходным и входными сигналами. Так, например, чтобы на выходе (Вых.) элемента было напряжение высокого уровня, что соответствует единичному (1) состоянию элемента, на обоих входах (Вх. 1 и Вх. 2) должны быть напряжения такого же уровня. Во всех других случаях элемент будет в нулевом (0) состоянии, то есть на его выходе будет действовать напряжение низкого уровня.

Условный символ логического элемента ИЛИ — цифра 1 в прямоугольнике. У него, как и у элемента И, могут быть два и больше входов. Сигнал на выходе, соответствующий высокому уровню (логической 1), появляется при подаче сигнала такого же уровня на вход 1, на вход 2 или одновременно на все. Проверьте эти логические взаимосвязи выходного и входного сигналов по таблице истинности этого элемента.

Условный символ элемента НЕ — тоже цифра 1 внутри прямоугольника. Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое отрицание «НЕ» на выходе элемента. На языке цифровой техники «НЕ» означает, что элемент НЕ является инвертором, то есть электронным «кирпичиком», выходной сигнал которого по уровню противоположен входному. Другими словами, пока на его входе присутствует сигнал низкого уровня, на выходе будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Об этом говорят и логические уровни в таблице истинности работы этого элемента.

Логический элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ, поэтому на его условном графическом обозначении есть знак & и небольшой кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два и больше. Логика работы элемента такова: сигнал высокого уровня на выходе появляется лишь тогда, когда на всех входах будут сигналы низкого уровня. Если хотя бы на одном из входов будет сигнал низкого уровня, на выходе элемента И-НЕ будет сигнал высокого уровня, то есть он будет в единичном состоянии, а если на всех входах будет сигнал высокого уровня — в нулевом состоянии.

Элемент И-НЕ может выполнять функцию элемента НЕ, то есть стать инвертором. Для этого надо соединить вместе все его входы. Тогда при подаче на такой объединенный вход сигнала низкого уровня на выходе элемента будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в цифровой технике.

Триггер — электронное устройство, обладающее двумя устойчивыми электрическими состояниями. Переключение триггера из одного состояния в другое происходит под воздействием входных электрических импульсов. Каждому из двух состояний триггера соответствует свой фиксированный уровень выходного напряжения, что позволяет использовать триггеры в качестве ячеек хранения цифровой информации. Кроме того, эти устройства служат основой счетчиков импульсов, делителей частоты, регистров и многих других цифровых микросхем функционального назначения. Сейчас разговор пойдет о функционировании лишь одного из семейства триггеров — D-триггера.

Условное графическое обозначение D-триггера показано на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Условное графическое обозначение D-триггера

У него четыре входа — R, D, С, S и два выхода — прямой и инверсный. Символом прямого выхода служит буква Q, а инверсного, кроме кружка на линии выходного сигнала, такая же буква, но с черточкой вверху. Уровень сигнала на инверсном выходе всегда противоположен сигналу на прямом выходе. Если, например, триггер находится в единичном состоянии и, следовательно, на его прямом выходе действует напряжение высокого уровня, в это время на инверсном выходе будет напряжение низкого уровня.

Входы R и S — установочные: при подаче напряжения низкого уровня на R-вход триггер устанавливается в нулевое состояние, на С-вход — в единичное. Нулевое состояние считается исходным режимом работы триггера. D-вход триггера, или, как еще говорят, информационный вход, предназначен для приема информации, а С-вход — вход тактовых импульсов синхронизации, источником которых обычно служит генератор импульсного напряжения. Если на D-входе сигнал высокого уровня, то триггер по фронту первого же импульса на С-входе устанавливается в единичное состояние, а если низкого, то в нулевое. На спады синхронизирующих импульсов на С-входе триггер не реагирует.

Каждое же изменение логического состояния триггера означает запись в его память принятой информации, которая может быть передана следующему за ним триггеру или считана соответствующей цифровой микросхемой. По сигналам на этих входах триггер может работать как коммутатор электрических цепей, что и используется в некоторых устройствах автоматики, например в переключателях елочных гирлянд.

Еще раз стоит напомнить, что за рубежом иное представление микросхем на принципиальных схемах, чем в странах СНГ. Это наглядно представлено на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Зарубежные логические элементы.

Эти элементы классифицируются следующим образом:

• инвертирование — преобразование «1» в «О» и наоборот. То есть если на входе была «1», то на выходе будет «0». Если был «0» на входе, то на выходе — «1». Обозначается NOT. Микросхема — 7404;

• умножение — на выходе «1», когда на обоих входах «1». Обозначается AND. Микросхема — 7408;

• сложение — на выходе «1», когда хотя бы на одном входе. «1». Обозначается OR. Микросхема — 7432;

• исключающее ИЛИ- на выходе «0», когда на двух входах одинаковые положения: две единицы или два нуля. Обозначается XOR. Микросхема — 7486;

• элементы OR и AND с инвертором на выходе. Тогда их называют NOR (микросхема 7400) и NAND (микросхема 7402) соответственно.

Если вам захочется больше узнать о той или иной логической микросхеме, поищите ее в сети Интернет. Интернет — это большой кладезь информации.

К этой категории микросхем относятся чипы, которые предназначены для чего-то определенного. Например, существуют микросхемы усилителей мощности, стереоприемников, различных декодеров. Все они могут иметь совершенно разный вид. Если одна из таких микросхем имеет металлическую часть с отверстием (рис. 6.5) — это означает, что ее нужно привинчивать к радиатору. Делается это для того, чтобы микросхема могла рассеивать свое тепло.

Рис. 6.5. Микросхемы, которые необходимо привинчивать к радиатору.

Со специализированными чипами работать куда приятнее, чем с кучей транзисторов и резисторов. Если раньше для сборки приемника надо было множество деталей, то теперь можно обойтись одной микросхемой. Об этих типах микросхем мы узнаем далее.