Osnovy-cifrovojj-skhemotekhniki

Таблица 2.1. Таблица истинности инвертора

Вход	Выход
0	1
г	0

Рис. 2.1. Условные обозначения инверторов: зарубежные (слева) и отечественные (справа).
В одном корпусе микросхемы обычно бывает шесть инверторов. Отечественное обозначение микросхем инверторов — «ЛН». Примеры: КР1533ЛН1 (SN74ALS04) — шесть инверторов с выходом 2С, КР1533ЛН2 (SN74ALS05) — шесть инверторов с выходом ОК. Существуют также инверторы с выходом ОК и с повышенным выходным током (ЛН4) и с повышенным выходным напряжением (ЛНЗ, ЛН5). Для инверторов с выходом ОК необходимо включение выходного нагрузочного резистора pull-up. Его минимальную величину можно рассчитать очень просто: R = U/Iol, где U — напряжение источника питания, к которому подключается резистор. Обычно величина резистора выбирается порядка сотен Ом — единиц кОм.
Две основные области применения инверторов — это изменение полярности сигнала и изменение полярности фронта сигнала (рис. 2.2). То есть из положительного входного сигнала инвертор делает отрицательный выходной сигнал и наоборот, а из положительного фронта входного сигнала — отрицательный фронт выходного сигнала и наоборот. Еще одно важное применение инвертора — буферизация сигнала (с инверсией), то есть увеличение нагрузочной способности сигнала. Это бывает нужно в том случае, когда какой-то сигнал надо подать на много входов, а выходной ток источника сигнала недостаточен.

Рис. 2.2. Инверсия полярности сигнала и инверсия полярности фронта сигнала.
Именно инвертор как наиболее простой элемент чаще других элементов используется в нестандартных включениях. Например, инверторы обычно применяются в схемах генераторов прямоугольных импульсов (рис. 2.3), выходной сигнал которых периодически изменяется с нулевого уровня на единичный и обратно. Все приведенные схемы, кроме схемы д, выполнены на элементах К155ЛН1, но могут быть реализованы и на инверторах других серий при соответствующем изменении номиналов резисторов. Например, для серии К555 номиналы резисторов увеличиваются примерно втрое. Схема д выполнена на элементах КР531ЛН1, так как она требует высокого быстродействия инверторов.
Схемы а, б и в представляют собой обычные RC-генераторы, характеристики которых (выходную частоту, длительность импульса) можно рассчитать только приблизительно. Для схем а и б при указанных номиналах резистора и конденсатора частота генерации составит порядка 100 кГц, для схемы в — около 1 МГц. Эти схемы рекомендуется использовать только в тех случаях, когда частота не слишком важна, а важен сам факт генерации. Если же точное значение частоты принципиально, то рекомендуется использовать схемы г и д, в которых частота выходного сигнала определяется только характеристиками кварцевого резонатора. Схема г используется для кварцевого резонатора, работающего на первой (основной) гармонике. Величину емкости можно оценить по формуле:
С > 1/(2RF),
где F — частота генерации. Схема д применяется для гармони-ковых кварцевых резонаторов, работающих на частоте, большей основной в 3, 5, 7 раз (это бывает нужно для частот генерации выше 20 МГц).

Рис. 2.3. Схемы генераторов импульсов на инверторах.
Инверторы также применяются в тех случаях, когда необходимо получить задержку сигнала, правда, незначительную (от 5 до 100 нс). Для получения такой задержки последовательно включается нужное количество инверторов (рис. 2.4, верхняя схема). Суммарное время задержки, например, для четырех инверторов можно оценить по формуле:
t₃ = 2tp_HL + 2tp_LH-



Рис. 2.4. Использование инверторов для задержки сигнала.
Правда, нужно учитывать, что обычно реальные задержки элементов оказываются существенно меньше (иногда даже вдвое), чем табличные значения параметров tp_HL и tp_LH. To есть о точном значении получаемой задержки говорить не приходится, ее можно оценить только примерно.
Для задержки сигнала используются также конденсаторы (рис. 2.4, две нижние схемы). При этом задержка возникает из-за медленного заряда и разряда конденсатора (напряжение на конденсаторе — Uc). Схема без резистора (внизу слева на рисунке) дает задержку около 100 не. В схеме с резистором (внизу справа на рисунке) номинал резистора должен быть порядка сотен Ом. Но при выборе таких схем с конденсаторами надо учитывать, что некоторые серии микросхем (например, КР1533) плохо работают с затянутыми фронтами входных сигналов. Кроме того, надо учитывать, что количество времязадающих конденсаторов в схеме обратно пропорционально уровню мастерства разработчика схемы.

Рис. 2.5. Объединение выходов инверторов с ОК для реализации функции ИЛИ-НЕ.
Наконец, еще одно применение инверторов, но только с выходом ОК, состоит в построении на их основе так называемых элементов «Проводного ИЛИ». Для этого выходы нескольких инверторов с выходами ОК объединяются и через резистор присоединяются к источнику питания (рис. 2.5). Выходом схемы является объединенный выход всех элементов. Такая конструкция выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ, то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при нулях на всех входах. Но о логических функциях подробнее будет рассказано в разделе 2.3.
В заключение раздела надо отметить, что инверсия сигнала применяется и внутри более сложных логических элементов, а также внутри цифровых микросхем, выполняющих сложные функции.
2.2. Повторители и буферы
Повторители и буферы отличаются от инверторов прежде всего тем, что они не инвертируют сигнал (правда, существуют и инвертирующие буферы). Зачем же тогда они нужны? Во-первых, они выполняют функцию увеличения нагрузочной способности сигнала, то есть позволяют подавать один сигнал на много входов. Для этого имеются буферы с повышенным выходным током и выходом 2С, например ЛП16 (шесть буферных повторителей). Во-вторых, большинство буферов имеют выход ОК или ЗС, что позволяет использовать их для получения двунаправленных линий или для мультиплексирования сигналов. Поясним подробнее эти термины.

Рис. 2.6. Двунаправленная линия.
Под двунаправленными линиями понимаются такие линии (провода), сигналы по которым могут распространяться в двух противоположных направлениях. В отличие от однонаправленных линий, которые идут от одного выхода к одному или нескольким входам, к двунаправленной линии могут одновременно подключаться несколько выходов и несколько входов (рис. 2.6). Понятно, что двунаправленные линии могут организовываться только на основе выходов ОК или ЗС. Поэтому почти все буферы имеют именно такие выходы.
Мультиплексированием называется передача разных сигналов по одним и тем же линиям в разные моменты времени. Основная цель мультиплексирования состоит в сокращении общего количества соединительных линий. Двунаправленная линия обязательно является мультиплексированной, а мультиплексированная линия может быть как однонаправленной, так и двунаправленной. Но в любом случае к ней присоединяется несколько выходов, только один из которых в каждый момент времени находится в активном состоянии. Остальные выходы в это время отключаются (переводятся в пассивное состояние). В отличие от двунаправленной линии к мультиплексированной линии, построенной на основе буферов, может быть подключен всего лишь один вход, но обязательно несколько выходов с ОК или ЗС (рис. 2.7). Мультиплексированные линии могут строиться не только на буферах, но и на микросхемах мультиплексоров, которые будут рассмотрены в главе 3.

Рис. 2.7. Однонаправленная мультиплексированная линия на основе буферов.
Примером буферов с выходом ОК является микросхема ЛП17 (шесть буферов о ОК). Точно так же, как и в случае инверторов с ОК (см. рис. 2.5), выходы нескольких буферов с ОК могут объединяться для получения функции «Монтажное И», то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при единицах на всех входах (рис. 2.8). То есть реализуется много-входовой элемент И (см. раздел 2.3).
Буферы с выходом ЗС представлены гораздо большим количеством микросхем, например: ЛП8, ЛП11, АП5, АП6, АП14. Эти буферы обязательно имеют управляющий вход EZ (или ОЕ), переводящий выходы в третье, пассивное состояние. Как правило, третьему состоянию соответствует единица на этом входе, а активному состоянию выходов — нуль, то есть сигнал EZ имеет отрицательную полярность.

Рис. 2.8. Объединение выходов буферов с ОК.
Буферы бывают однонаправленные или двунаправленные, с инверсией сигналов или без инверсии сигналов, с управлением всеми выходами одновременно или с управлением группами выходов. Все это и определяет большое разнообразие микросхем буферов.