Digitális áramkörök terhelési számításai és a szintillesztések Avagy a fizikai működésre méretezés első lépcsője

Az alapfogalmak ismétlése Dáfj.1. ábra. Előjeles áramirányok. Az IC lábon befolyó áram + ,a kifolyó -

A TTL logika feszültségszintjei Utáp = 5 V UOLmax = (0,4) 0,5 V UOHmin = (2,4) 2,7 V UILmax = 0,8 V UIHmin = 2 V Uth = 1,3 és 1,5 V között

TTL logika esetén a számításainkban használt sorozatokra jellemző áramok Normál sorozat LS sor ozat S sorozat IILmax = - 1,6 mA - 0,4 mA - 2 mA IIHmax = 40 A 20 µA 50 µA IOLmin = 16 mA 8 mA 20 mA IOHmin = - 400 A - 400 A - 1 mA IOZH = 20 A 20 A 20 A IOZL = - 20 A - 20 A - 20 A Ioff = 100-250 A 100 A 250 A

Az 5 V-s, tisztán CMOS logikák feszültség szintjei UOLmax = 0,1 V (20 A terhelő áram mellett) és UOLmax = 0,33 V vagy 0,4 V 4-8 mA terhelő áram mellett. Az áram érték, család és gyártó függő. UOHmin = 4,9 V (20 A terhelő áram és 5 V-s névleges feszültség mellett) és UOHmin = 4,77 V vagy 4,6 V 4-8 mA terhelő áram mellett. Az áram érték, család és gyártó függő. UILmax = 0,2 * Vcc, vagyis a mindenkori tápfeszültség 20 %-a, 5 V esetén 1 V UIHmin = 0,7 * Vcc, 5 V esetén 3,5 V Uth = 0,5 * Vcc, 5 V esetén 2,5 V

TTL kompatíbilis CMOS áramkörök Kimenetei, mindenben megegyeznek a tisztán CMOS áramkörök kimeneteivel. Eltérés csak a bemeneti szintek érzékelés-énél, és kis mértékben a működési időknél van. UIL = 0,8 V UIH = 2 V

1. Digitális áramkörök terhelési és terhelhetőségi számításai: 1. 1 1. Digitális áramkörök terhelési és terhelhetőségi számításai: 1.1. Terhelések összevonási szabályai A terhelések összegzését úgy a magas színtű, mint az alacsonyszintű terhelésekre külön-külön el kell végeznünk. Az össze-vonásoknál figyelembe kell vennünk a típus-család felépítéséből adódó sajátosságokat. Ez különösen akkor érdekes, ha egy logikai jelre azonos kapuból több bemenet kapcsolódik.

1.2. A terhelés összevonáshoz általánosan használható szabályok (1) Mindig csak a bemenetet vizsgáljuk, függetlenül attól, hogy inverter, vagy erősítő követi-e. CMOS megvalósítású kapu esetén a bemeneti kapu típusától függetlenül (ÉS, VAGY) minden bemenet önállóan kezelendő. TTL megvalósítás esetén a VAGY kapu minden bemenete önálló bemenetként kezelendő. TTL megvalósítás esetén az ÉS kapu bemenetei a magas szint esetén önállóan kezelendőek. Alacsony színt esetén az összes egy jelre kötött bemenetet egyetlen terhelésnek kell figyelembe venni. (Gondoljanak bele az ÉS kapu felépítésébe.)

A terhelés összevonáshoz általánosan használható szabályok (2) Összetett kapunál (ÉS-VAGY, VAGY-ÉS) a bemeneti kapura vonatkozó szabályt kell alkalmazni. Figyelem! Mindegyik bemeneti kapu önállóan kezelendő! Tároló típusú és más összetett jelegű áramkör minden bemenete önálló bemenetként kezelendő. Nem egy esetben a különböző bemenetek terhelő árama eltér. Erre a TTL áramköröknél sebességre méretezés miatt volt szükség. Kikapcsolt tri-state kapu terhelésként viselkedik, ilyenkor a vizsgált szintnek megfelelő irányú terhelő áramot kell figyelembe venni (IOZH, IOZL) Kikapcsolt nyitott kollektoros kimenet a magas szintet terheli. Terhelő árama Ioff és ez mindig az IC-be folyó + áram. (A katalógusok ezt sajnos gyakran tévesen IOH –nak adják meg)

Minta terhelés Dárt.1. ábra.

Áramkör megnevezése Áramkör típusa IIH A szorzó Összeg IIL mA összeg Flip-flop CL bemenete LS109 80 1 1,6 Flip-flop K negált bemenete 20 0,4 Flip-flop J bemenete CMOS ÉS kapu bemenet ACT00 2 0,001 0,002 TTL VAGY kapu bemenet LS260 3 60 1,2 TTL ÉS kapu bemenet (!) LS55 40 TTL tri-state vezérlő bemenet LS126 TTL ÉS kapu bemenet LS30 4 BiCMOS tri-state vezérlő bemenet BCT241 1,0 CMOS VAGY kapu bemenet HC27 Áramok összesen: - 404 6,004

1. Meghajtó: TTL sorozatú 74LS00 kapu. Terhelhetősége: IOLmax = 8 mA IOHmax = - 400 A Mivel a terhelő körben van tisztán CMOS elem, a 74HC27, ezért a magas színt biztosí-tásához kiegészítő felhúzó ellenállás is szükséges. Dárt.2. ábra

1. Meghajtó számítási menete (1) A megkívánt magas szint: 5,25 V * 0,7 = 3,7 V Az ellenállás maximális értéke a legkisebb tápfeszültségnél legyen:  5 – 0,25 V - 3,7 V/IIH = 1,05 V/ 404 A = 2,6 k-nál a választott szabványos érték: 2,4 k, ennek terhelő árama az alacsony szinten, a legnagyobb tápfeszültségnél 5,25/ 2,4 k = 2,18 mA, ezt az értéket hozzá kell adni az alacsony szintű terhelések összegéhez. Az alacsony szintnél biztosított kimenőáram IOL, ha  IIL akkor alacsony szintnél jó a terhelhetőség. IIL + 2,18 = 6+2,18 = 8,18 mA, Az IOL = 8 mA, tehát a terhelés nagyobb, mint a terhelhetőség, ez így nem jó.

1. Meghajtó számítási menete (2) A magas szintű terhelő áramok összege IIH ha  IOH, akkor magas szintnél jó a terhelhetőség, vagyis ha mindkét helyen, akkor használható a választott kapu és terhelés összeépítése. Jelen esetben IIH = 404 A, vagyis több mint a terhelhetőség, bár határeset. Jelenleg a felhúzó ellenállás használata miatt, a magas szintet a kapu helyett a méretezett felhúzó ellenállás biztosítja. Ha a terhelése az alacsony szinten elfogadható lenne, akkor ez így megfelelne.

1. Meghajtó számítási menete (3) A terhelő áram alacsony szintnél nagy, ezért csökkenteni kell. A terhelésből alacsony szintnél érdemi módon csak a 74LS260 VAGY-NEM kapu két bemenete vehető ki úgy, hogy a fel nem használt bemeneteket 0-ra, vagyis földre kötjük. A két bemenet összegzett alacsonyszintű árama 0,8 mA. A módosítás után 5,2 + 2,18 = 7,38 mA a terhelő áram, ami már kisebb a megengedhető 8 mA-nél. A két bemenet elhagyásával a magas szintű terhelés is 40 A-el csökkent, vagyis önmagában is a megengedett terhelés alá ment.

1. Meghajtó számítási menete (4) Amennyiben az alacsony szintű áram további csökkentése lenne szükséges, akkor meg kell vizsgálni, hogy lehet-e csökkenteni a magas szintű terhelő áramot, ezáltal növelve a jelenleg alacsony szintnél legnagyobb terhelést adó felhúzó ellenállás értékét, vagyis csökkenteni az áramát.

1. Meghajtó számítási menete (5) Az LS260-on kívül érdemi magas szintű áramcsökkenést, csak az LS kapuk pluszban bekötött bemenetei adnak (a CMOS kapuk 1-1 A-e nem érdemel most említést). Az LS55-nél összesen + 3, az LS30-nál is + 3 kapubemenet szabadítható fel, ha ezeket az összekötött bemeneteket egy külön felhúzó ellenállással közvetlenül magasra kötjük. Ez a megoldás csökkenti az összegzett kapacitást is. Így pluszban 120 A-el, vagyis az eredetihez képest összesen 160 A-el csökkenthető a magas szintnél jelentkező terhelő áram. Rmax = 1,05/0,244 = 4,3 k, szabványos érték 3,9 k, ezzel az alacsony szintű terhelő áram 5,25/3,9 = 1,3 mA, illetve 4,3 k-nál 1,2 mA vagyis közel 0,9-1 mA-el kevesebb, mint az eredeti esetben.

LS TTL Totem-poole meghajtás értékelése Ebben a példában tehető egy fontos megjegyzés. A felhúzó ellenállásra csak a CMOS bemenet H szintű meghajtás igénye miatt volt szükség. Ha a HC27-t TTL komparálási szintű HCT27-re cseréljük, nem kell felhúzó ellenállás, és az egész számítás egyszerűsödik. Ekkor megengedve az 1%-os túlterhelést, ami elhanyagolható, az eredeti kapcsolás mellett a terhelés megengedhető

2. Meghajtó: Totem-poole kimenetű CMOS kapu 74HC10 A szükséges kimenő-szintek biztosítottak, így csak az áram összeve-tést kell elvégezni: IOL  IIL mivel IOL 4 mA  6 mA IOH  IIH itt is IOH 4 mA  0,404 mA ez gyakorlatilag =-ra teljesül Dárt.3. ábra

CMOS kimenet terhelhetőségének értékelése (1) A követelmény csak magas szintnél teljesül, tehát az áramkör alacsony szintű terhelését csökkenteni kell. Az előzőleg vizsgáltak alapján ez nem is könnyű. Az LS260 két bemenetének kivétele csak 0,8 mA-t ad, ez most kevés. Terhelési szempontból teljes értékű megoldást adna, ha a legnagyobb terhelést jelentő LS109 helyett HC, vagy HCT109-t lehetne használni. Az alacsony szintű terhelő áram jó közelítéssel 1,6 + 0,4 + 0,4 = 2,4 mA-el csökkenne, ami terhelési szempontból önmagában elég. Ehhez azonban meg kellene vizsgálni, hogy ez a csere sebességi szempontból megfelel-e.

CMOS kimenet terhelhetőségének értékelése (2) Mindig használható megoldás: terhelésmegosztás. A meghajtót kétszer hozzuk létre és a terhelés egyik részét az egyik kimenetre, másik felét a másik kimenetre kötjük. Itt dokumentálási szempontból vigyázni kell, hogy a két logikailag azonos nevet - egy eltérő indexel - a fizikai megosztottság miatt megkülönböztessük. Ennek alapvetően hibakereséskor van nagy jelentősége. Pl. PÉLDA0 és PÉLDA1 jelként. Kivételesen használható megoldás: Buffer kialakítása. Ekkor a meghajtó áramkörből két egy tokban lévő darabot úgy a bemenetein, mint a kimenetén páronként összekötünk. Ekkor a terhelhetőség összeadódik. Vigyázat! Csak azonos tokban lévő áramköröknél használható a megoldás.

3. Meghajtás: 4 db. összekötött tri-state kapuval Meghajtás tri-state kapuk vegyes használatával. Ha a terhelésben hagyományos (Bus-hold áramkör nélküli) CMOS kapu is van - a harmadik (lebegő) állapot-ban történő határozott szintű meghajtása miatt - felhúzó ellenállás használata is szükséges. Ekkor a magas szint teljes áramát az ellenállás biztosítja Dárt.4. ábra

Tri-state meghajtás számítása (1) Most mindkét-irányú terheléshez hozzáadódik a lezárt tri-state kimenetek terhelő árama. Ezt pluszként a terhelő áramoknál figyelembe kell venni. Jelentősebb áramterhelésre, természetesen csak sok összekötött kimenetnél kell számolni. A kimenetek meghajtóképessége - már a TTL sorozatoknál is - ezért is nagyobb, mint egy Totem-poole kimenetnél. Több különféle típusú kimenet összekötésénél, terhelési szempontból mindig a legkisebb áram-terhelhetőségű típust kell számításba venni. Ha itt a meghajtási igény kisebb a kimenet által szállítható áramnál, akkor ez a többi kimenetre is igaz.

Tri-state meghajtás számítása (2) A kapcsolásban szereplő HC sorozatú tri-state kapuk 4,5 V-nál mindkét szintnél 6 mA-s terhelést képesek meghajtani. IOZ =  5 A. Az LS 126 IOL = 24 mA, IOH = 2,6 mA meghajtására képes IOZ =  20 A. Az F125 meghajtóképessége ennél nagyobb IOL = 64 mA, IOH = 15 mA. IOZ =  50 A. Tehát az a különlegeseset áll elő, hogy a különböző szinteknél más kapura kell a vizsgálatot elvégezni. Alacsonyszintnél a HC240-re, magas szintnél az LS126-ra. IOL 6 mA  8,18 mA = (6 + 2,18) mA túl van terhelve. IOH 2,6 mA  0,404 + 0,005 + 0,005 + 0,050 mA = 0,464 mA, megfelel,

Tri-state meghajtás számítása (3) Az alacsonyszintű terhelés csökkentésére, ha végrehajtjuk az eddig bemutatott megoldásokat, még mindig az 5,2 mA + 1,3 mA (3,9k mellett) sok. Amennyiben HCT27 használatával levisszük a magas szint biztosítás igényét 2,7 V-ra, akkor 2,05V/(244 + 80) A = 6,3 k, a szabványos érték 5,1 k. Ezzel 1 mA terhelő áram adódik. A terhelésem még mindig sok 5,2 + 1 = 6,2 mA. Figyelembe véve, hogy a 6 mA-s terhelő áram melletti UOL alacsonyszint 4,5 V tápfeszültségnél 0,33 V, és 6 V-s tápfeszültségnél ugyanekkora alacsonyszint mellett 7,8 mA a terhelhetőség, viszont a kapcsolásunkban a bipoláris elemek miatt 4,75 V-nál alacsonyabb tápfeszültség nem engedhető meg, így az interpolálásból 6,2 mA már elfogadhatóra jön ki. Amennyiben a terhelhetőség nem lett volna biztosított, a kimeneti meghajtónál az eredmények ismeretében típus cserét kellene végezni.

4. Meghajtás: nyitott kollektoros kapukkal. Kapu típusa IOL mA Ioff (IOH –ként megadva) 74S03 20 mA 250 A 7401 16 mA 74LS125 24 mA IOZ =  20 A Dárt.5. ábra.

Nyitott kollektoros meghajtás számítása A felhúzó ellenállás két lehetséges szélső értékét lehet kiszámítani, és a határadatok között kell, egy szabványos értéket választani. Rmin  (Utáp + U5% - 0) / (IOLmin - IIL) = (5 + 0,25) V / (16 – 6) mA = 5,25 V / 10 mA = 0,525 k Rmax  (Utáp – U5% - UOH) / (Ioff + IOZ +  IIH) = (5 – 0,25 – 3,7) V / (500 + 20 + 404) A = 1,05 V / 0,924 mA = 1,13 k A két érték között kell szabványos értéket választani. A választás szempontja: Ha kisebb értéket választunk, a jelfelfutási meredekség nagyobb lesz, míg a nagyobb értéknél kisebb a felvett teljesítmény. Jelen esetben egy átlagos értéket írunk elő. Rfelhuzó legyen 820 .

Nyitott kollektoros áramkörök jelváltási meredeksége A jelváltási időt az RC szorzat adja. A C-t az összekötött bemenetek és kimenetek lábkapacitásainak + a fólia kapacitásának az összege adja Csökkentéséhez az összekötött lábak szá-mának minimalizálása vezet Kkh.2. ábra Azonos technológiai sor esetei

Felfutási meredekség javítása a jel és a föld közé kötött ellenállással Az RC szorzat csökken-tését szolgálja az Ralsó. A tápegységen keresztül váltóáramúlag párhuza-mosan kapcsolódva az R-el, az RC szorzat ellenállásértékét csökkenti Dárt.6. ábra

Munkaellenállás számítása Ralsó használata esetén Ralsó az Rmax számításában játszik szerepet: IRalsó = 3,7 V / 5,6 k  0,66 mA Rmax  (Utáp – U5% - UOH) / (Ioff +  IIH + IRalsó) = (5 – 0,25 – 3,7) V / (520 + 404 + 660) A = 1,05 V / 1,58 mA = 0,66 k Rmin az előző számítás alapján 0,525 k R értékét most igen szűk tartományból kell választanunk, legyen 540 

Mi a teendő, ha az Rmin  Rmax eset fordul elő? Szigorúan meg kell szüntetnünk a kihasználatlan kapubemenetekre kötést. Összekötött kimeneti meghajtókból a kis terhel-hetőségűt ki kell cserélni, nagyobb meghajtó-képességűre. Terhelést közbe iktatott erősítőfokozattal meg kell osztanunk. (Sebesség vizsgálat) Végső esetben: logikailag párhuzamosan működő, de áramkörileg nem párhuzamosított kapcsolás alkalmazása. (Jelnevek indexálása!)

Színt illesztések CMOS meghajtása TTL kimenetről TTL kimenetről tisztán CMOS bemenet meghajtásakor, nem teljesül a megkívánt, garantált magas (H) szint. Ennek biztosításához egy külső felhúzó ellenállásra van szükség, amely a kimeneti H szint megemelését biztosítja. Rp méretezése az előzőek szerint

Eltérő logikai magasszintek illesztése (1) Nyitott kollektoros kimenetel Nyitott kollektoros meghaj-tással bármely két pozitív tápfeszültségű, földhöz és a pozitív tápfeszültséghez közeli szintű eltérő logikai szint illesztése megvaló-sítható Fontos! A magas szintet a fogadó színt tápfeszültsége biztosítsa! Dáfj.7. ábra.

Eltérő logikai magasszintek illesztése (2) Tranzisztoros illesztő fokozattal A jelfelfutás gyorsításához kiegészítő kapcsolás. Telítés gátló dióda is szükséges lehet

Eltérő logikai magasszintek illesztése (3) Szintillesztő áramkör felhasználásával Dáfj.8. ábra. 3,3 V-t használó logika kétirányú illesztése 2,5 V-s logikához. Az illesztő elem tápfeszültsége 2,5 V

Eltérő logikai magasszintek illesztése (4) Szintillesztő áramkör felhasználásával Dáfj.9. ábra. 3,3 V-t, és 2,5 V-t használó logika egyirányú illesztése 1,8 V-s logikai elemhez.

Nyitott emitteres (source) kapcsolás kialakítása tri-state kimenet felhasználásával Egyes nagyintegráltságú áram-körök kimenete nyitott source megoldású. Ehhez a tri-state kapuk megfelelő vezérlésével jutunk. A lehúzó ellenállás számítása a meghajtók IOH árama alapján a nyitott kollektoros számítási mód értelemszerű alkalmazásával történik Kkh.6. ábra.