Электроника:Цифровая электроника/Логические вентили/Уровни напряжения для «высоких» и «низких» логических сигналов

Поддержать проект

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Уровни напряжения для «высоких» и «низких» логических сигналов

Входные напряжения для логических вентилей

Цепи логических вентилей предназначены для ввода и вывода только двух типов сигналов: «высокий» (1) и «низкий» (0), которые представлены переменным напряжением: полное напряжение источника питания для «высокого» состояния и нулевое напряжение для «низкого» состояние. В идеальном мире все сигналы логической схемы существовали бы при этих крайних пределах напряжения и никогда не отклонялись бы от них (т.е. ниже полного напряжения для «высокого» состояния или больше нуля для «низкого»).

Однако в унылой реальности уровни напряжения логического сигнала редко достигают этих идеальных пределов из-за паразитных падений напряжения в схеме транзистора, и поэтому мы должны понимать ограничения для уровней сигнала вентильных схем, поскольку они пытаются интерпретировать напряжения сигналов, лежащие где-то между полным напряжением питания и нулём.

Допустимое отклонение напряжения входов ТТЛ-вентилей

ТТЛ-вентили работают при номинальном напряжении питания 5 вольт, ±0,25 вольт. В идеале «высокий» сигнал для ТТЛ должен составлять ровно 5,00 вольт, а «низкий» - ровно 0,00 вольт.

Однако настоящие схемы ТТЛ-вентилей не выдают настолько идеальные уровни напряжения и предназначены для приёма «высоких» и «низких» сигналов, существенно отклоняющихся от этих идеальных значений.

«Допустимые» напряжения входного сигнала находятся в диапазоне от 0 до 0,8 В для «низкого» логического состояния и от 2 до 5 В для «высокого» логического состояния.

«Допустимые» напряжения выходного сигнала (уровни напряжения, гарантированные производителем в указанном диапазоне условий нагрузки) находятся в диапазоне от 0 до 0,5 В для «низкого» логического состояния и от 2,7 до 5 В для «высокого» логического состояния:

Рис. 1. Допустимые уровни напряжения входного и выходного сигнала для ТТЛ-вентилей.

Если бы сигнал напряжения в диапазоне от 0,8 до 2 вольт был бы отправлен на вход ТТЛ-вентиля, не было бы определённого отклика от вентильной схемы. Такой сигнал будет считаться неопределённым, и ни один производитель логических элементов не гарантирует, как именно их вентильная схема будет интерпретировать подобный сигнал.

Запас помехоустойчивости в ТТЛ-вентилях

Как вы заметили, допустимые диапазоны для уровней выходного сигнала уже, чем для уровней входного сигнала, что гарантирует, что любой ТТЛ-вентиль, выводящий цифровой сигнал на вход другого ТТЛ-вентиля, будет передавать напряжения, приемлемые для принимающего элемента. Разница между допустимым диапазоном выходного сигнала и входного сигнала называется запасом устойчивости по шуму или запасом помехоустойчивости или просто шумовым запасом.

Для ТТЛ запас низкоуровневого шума – это разница между 0,8 В и 0,5 В (= 0,3 В), а запас высокоуровневого шума – это разница между 2,7 В и 2 В (0,7 В). Проще говоря, шумовой запас – это пиковая величина паразитного или «шумового» напряжения, которое может быть наложено на слабый сигнал выходного напряжения вентиля до того, как вентиль-приёмник будет его неправильно интерпретировать:

Рис. 2. Низкоуровневые и высокоуровневые запасы устойчивости напряжения по шуму для ТТЛ-вентилей.

Допустимое отклонение напряжения входов КМОП-вентилей

Характеристики входного и выходного сигналов в схемы КМОП-вентилей сильно отличаются от ТТЛ. Для КМОП-вентиля, работающего при напряжении источника питания 5 вольт, допустимые напряжения входного сигнала находятся в диапазоне от 0 до 1,5 вольт для «низкого» логического состояния и от 3,5 до 5 вольт для «высокого» логического состояния.

«Допустимые» напряжения выходного сигнала (уровни напряжения, гарантированные производителем вентиля в указанном диапазоне условий нагрузки) находятся в диапазоне от 0 до 0,05 В для «низкого» логического состояния и от 4,95 до 5 В для «высокого» логического состояния:

Рис. 3. Допустимые уровни напряжения входного и выходного сигнала для КМОП-вентилей.

Запас помехоустойчивости КМОП

Из этих цифр очевидно, что схемы КМОП-вентилей имеют гораздо больший шумовой запас, чем ТТЛ: 1,45 В для «низкого» и «высокого» уровня КМОП по сравнению с максимумом 0,7 В для ТТЛ. Другими словами, КМОП-схемы могут выдерживать более чем в два раза большее количество наложенного «шумового» напряжения на свои входные линии, прежде чем возникнут ошибки интерпретации сигнала.

Запас помехоустойчивости при более высоких рабочих напряжениях

Запас помехоустойчивости КМОП увеличивается ещё больше при более высоких рабочих напряжениях. В отличие от ТТЛ, который ограничен напряжением источника питания 5 вольт, КМОП может питаться от напряжения до 15 вольт (для некоторых КМОП-схем даже 18 вольт).

Здесь показаны допустимые «высокое» и «низкое» состояния как для входа, так и для выхода интегральных схем КМОП, работающих от напряжения 10 и 15 вольт соответственно:

Рис. 4. Допустимые уровни входного-выходного сигнала КМОП-вентиля, работающего от напряжения 10 вольт.

Рис. 5. Допустимые уровни входного-выходного сигнала КМОП-вентиля, работающего от напряжения 15 вольт.

Диапазоны приемлемости «высоких» и «низких» входных сигналов могут быть больше, чем показано на этих иллюстрациях. То, что показано, представляет характеристики входного сигнала «наихудшего случая» в соответствии со спецификациями производителя. На практике можно обнаружить, что вентильная схема будет допускать «высокие» сигналы со значительно меньшим напряжением и «низкие» сигналы со значительно большим напряжением, чем указанные здесь.

И наоборот, показанные чрезвычайно малые запасы выхода (гарантирующие состояния выхода для «высокого» и «низкого» сигналов с точностью до 0,05 В от «шин» источника питания) ещё и оптимистичны. Такие «строгие» уровни выходного напряжения справедливы только для условий минимальной нагрузки. Если вентиль получает или пропускает значительный ток в нагрузку, выходное напряжение не сможет поддерживать эти оптимальные уровни из-за внутреннего сопротивления канала конечных выходов полевых МОП-транзисторов вентиля.

Пороги напряжения

В пределах «неопределённого» диапазона для любого входа вентиля будет некая точка перехода, отделяющая фактический «низкий» диапазон входного сигнала вентиля от его фактического «высокого» диапазона входного сигнала. То есть где-то между самым низким «высоким» и самым высоким «низким» уровнем напряжения сигнала, гарантированным производителем, существует пороговое напряжение, при котором вентиль фактически переключает свою интерпретацию сигнала с «низкого» на «высокий» или наоборот. Для большинства вентильных схем это неопределённое напряжение находится в одной точке:

Рис. 6. Пороговое входное напряжение, до или после которого сигнал чётко интерпретируется или как «высокий» или как «низкий».

Входы с «шумом» переменного тока

При наличии «шумового» напряжения переменного тока, наложенного на входной сигнал постоянного тока, единственная пороговая точка, в которой вентиль изменяет свою интерпретацию логического уровня, приведёт к ошибочному выходу:

Рис. 7. Если на входной сигнал напряжения постоянного тока наложить «шумовое» напряжение переменного тока, суммарное напряжение не всегда можно будет корректно интерпретировать (т.к. получившееся значение может быть как до порога, так и после).

Если этот сценарий кажется вам знакомым, то это потому, что вы помните аналогичную проблему со схемами операционного усилителя (аналогового) компаратора напряжения. При единственной пороговой точке, в которой вход вызывает переключение выхода между «высоким» и «низким» состояниями, наличие значительного «шума» вызовет неустойчивые изменения на выходе:

Рис. 8. При наложении переменного тока на постоянный, результат может отклониться в любую сторону от пороговой точки.

Триггер Шмитта

Решение этой проблемы – небольшая положительная обратная связь, введённая в схему усилителя. В операционном усилителе это делается путём подключения выхода обратно к неинвертирующему (+) входу через резистор.

В вентильной схеме это влечёт за собой перепроектирование внутренней схемы вентиля, устанавливая обратную связь внутри корпуса, а не через внешние соединения. Спроектированный таким образом вентиль называется триггером Шмитта. Триггеры Шмитта интерпретируют изменяющиеся входные напряжения в соответствии с двумя пороговыми напряжениями: положительным порогом (V_τ+) и отрицательным порогом (V_τ-):

Рис. 9. Вентиль с обратной связью (триггер Шмитта).

Гистерезис в триггерном вентиле Шмитта

Триггерные вентили Шмитта обозначаются на схемах маленьким символом «гистерезис», нарисованным внутри треугольника вентиля, напоминающим B-H-кривую для ферромагнитного материала (см. рис. 9 выше). Гистерезис, вызванный положительной обратной связью в вентильной схеме, добавляет дополнительный уровень помехоустойчивости к характеристикам вентиля.

Триггерные вентили Шмитта часто используются в приложениях, где ожидается шум на линии(-ях) входного сигнала и/или где нестабильный выходной сигнал будет очень пагубным для производительности всей системы.

Совместное использование ТТЛ и КМОП

Различные требования к уровню напряжения для технологий ТТЛ и КМОП создают проблемы, когда оба типа используются в одной системе. Хотя работа КМОП с тем же напряжением источника питания 5,00 В, которое требуется для ТТЛ, не является проблемой, тем не менее уровни выходного напряжения ТТЛ несовместимы с требованиями к входному напряжению КМОП.

Пример комбинированной схемы (ТТЛ + КМОП)

Возьмём, к примеру, логический ТТЛ-элемент И-НЕ, выводящий сигнал на вход КМОП-инвертора. Оба вентиля питаются от одного источника 5,00 В (V_КК). Если ТТЛ-вентиль выдаёт «низкий» сигнал (гарантированно находящийся в диапазоне от 0 до 0,5 вольт), он будет правильно интерпретирован входом КМОП-вентиля как «низкий» (на котором ожидается напряжение от 0 до 1,5 вольт):

Рис. 10. Если «низкий» выход ТТЛ дать на вход КМОП, то проблем, обычно не возникает.

Однако, если ТТЛ выдаёт «высокий» сигнал (гарантированно находящийся в диапазоне от 5 до 2,7 вольт), он может неправильно интерпретироваться входом КМОП как «низкий» (поскольку ожидается напряжение от 5 до 3,5 вольт):

Рис. 11. Если «высокий» выход ТТЛ дать на вход КМОП, то возможна неверная интерпретация уровня сигнала.

Учитывая это несоответствие, вполне возможна ситуация, когда ТТЛ выводит действительный «высокий» сигнал (в соответствии со стандартами для ТТЛ), который находится в «неопределённом» диапазоне для входа КМОП и, возможна неверная интерпретация сигнала принимающим вентилем как «низкого». Простым «решением» этой проблемы является увеличение «высокого» уровня напряжения сигнала ТТЛ-вентиля с помощью подтягивающего резистора:

Рис. 12. Подтягивающий резистор делает выходной сигнал ТТЛ соответствующим стандарту КМОП.

Однако для сопряжения выхода ТТЛ с входом КМОП требуется нечто большее, если на приёмный КМОП-вентиль подаётся большее напряжение источника питания:

Рис. 13. Если на ТТЛ подаётся меньшее напряжение, а на КМОП большее, то «высокий» выходной сигнал ТТЛ, скорее всего, на входе КМОП будет интерпретироваться как «низкий».

Использование ТТЛ выхода с открытым коллектором для входа КМОП

Само собой, нет проблем если вход КМОП-вентиля интерпретирует «низкий» выход ТТЛ-вентиля, а вот «высокий» сигнал от ТТЛ-вентиля – это совсем другое дело. Гарантированный диапазон выходного напряжения от 2,7 до 5 вольт на выходе ТТЛ далеко не соответствует допустимому диапазону КМОП от 7 до 10 вольт для «высокого» сигнала.

Если для ТТЛ вместо столбового выхода («тотемный столб») мы используем выход с открытым коллектором, то в этом случае подтягивающий резистор поднимет до 10 вольт V_СС, уравняв «высокое» выходное напряжение ТТЛ-контура до полного напряжения источника питания, питающего КМОП-вентиль. Поскольку вентиль с открытым коллектором может потреблять только ток от своего источника, уровень напряжения в «высоком» состоянии полностью определяется источником питания для КМОП, к которому подключён подтягивающий резистор, что аккуратно решает проблему рассогласования:

Рис. 14. Подтягивающий резистор решает проблему рассогласования разных напряжений для ТТЛ и КМОП.

Проблемы подачи выхода КМОП на вход ТТЛ

Благодаря более лучшим характеристикам выходного напряжения КМОП-вентилей обычно не возникает проблем с подключением выхода КМОП к входу ТТЛ. Единственная существенная проблема – это текущая нагрузка, представленная входами ТТЛ, поскольку выход КМОП должен потреблять ток для каждого из входов ТТЛ, находясь в «низком» состоянии.

Однако, когда рассматриваемый КМОП-вентиль запитан от источника напряжения, превышающего 5 вольт (V_КК), возникнет проблема. «Высокое» выходное состояние КМОП, превышающее 5 вольт, будет превышать допустимые пределы для «высокого» сигнала ТТЛ.

Использование инвертора с выходом с открытым коллектором

Решение этой проблемы состоит в том, чтобы создать схему инвертора с «открытым коллектором» с использованием дискретного NPN-транзистора и использовать её для сопряжения двух вентилей:

Рис. 15. Инвертор с выходом с открытым коллектором позволяет согласовать «высокое» выходное напряжение КМОП с «высоким» входным напряжением ТТЛ.

Подтягивающий резистор не является обязательным, поскольку входы ТТЛ автоматически переходят в состояние «высокий», когда остаются «плавающими», что и произойдёт, когда на выходе КМОП-вентиля будет «низкий» уровень и транзистор отключится. Конечно, одним очень важным следствием реализации этого решения является логическая инверсия, создаваемая транзистором: когда элемент КМОП выдаёт «низкий» сигнал, элемент ТТЛ воспринимает «высокий» вход; и когда КМОП выдаёт «высокий» сигнал, транзистор насыщается, и ТТЛ воспринимает «низкий» вход. Пока эта инверсия учтена в логической схеме всей системы, всё будет хорошо.