Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα «chip»

  

Τα ψηφιακά κυκλώματα κατασκευάζονται με ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (συντομογραφία IC) είναι ένα εξάρτημα που αποτελείται από ένα μικρό υπόστρωμα πυριτίου, που ονομάζεται «chip», όπου πάνω του έχει σχηματιστεί το επιθυμητό κύκλωμα με ηλεκτρονικά στοιχεία (τρανζίστορ, δίοδοι , αντιστάσεις) από ημιαγωγό.

Το chip τοποθετείται σε ένα κεραμικό ή πλαστικό περίβλημα, ενώνονται και συγκολλούνται οι επαφές του chip με εξωτερικούς ακροδέκτες «pins» για να σχηματιστεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα.
 Ο αριθμός των pins μπορεί να διαφέρει από 14 σ' ένα μικρό IC περίβλημα σε 64 ή περισσότερους σε ένα μεγαλύτερο περίβλημα. Κάθε IC έχει μια αριθμητική ένδειξη τυπωμένη στην επιφάνεια του περιβλήματος, για να αναγνωρίζεται.

Επίπεδα ολοκλήρωσης

Τα ψηφιακά ολοκληρωμένα, συχνά, χωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα με την κυκλωματική τους πολυπλοκότητα, όπως αυτή μετριέται με τον αριθμό των λογικών πυλών σε ένα περίβλημα. Έτσι έχουμε:

• Τα Μικρής κλίμακας ολοκλήρωσης (Small Scale Integration SSI) κυκλώματα που περιέχουν έως 10 πύλες.
• Τα Μεσαίας κλίμακας ολοκλήρωσης (Medium – Scale Integration MSI) κυκλώματα που έχουν μια πολυπλοκότητα περίπου 10 με 100 πυλών.
• Τα Μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (Large – Scale Integration LSI) κυκλώματα που έχουν μια πολυπλοκότητα περίπου 100 με μερικές χιλιάδες πύλες σε ένα περίβλημα.
• Τα Πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (Very Large – Scale Integration VLSI) κυκλώματα που έχουν χιλιάδες πύλες σε ένα περίβλημα.

Οικογένειες ψηφιακής λογικής

Οι ψηφιακές λογικές πύλες (AND, OR κ.τλ.) ταξινομούνται με την «οικογένεια» λογικού κυκλώματος στην οποία ανήκουν. Κάθε οικογένεια έχει το δικό της βασικό δομικό ηλεκτρονικό κύκλωμα από το οποίο αναπτύσσονται οι διάφορες πύλες. Ανάλογα την τεχνολογία (τρόπο) κατασκευής του βασικού κυκλώματος, έχουμε και την αντίστοιχη οικογένεια. Οι πιο πλατιά διαδεδομένες οικογένειες είναι: TTL και CMOS.

  

Η οικογένεια: TTL (Transistor – Transistor Logic) 

  

Η ΤΤL είναι μια πολύ διαδεδομένη λογική οικογένεια, που υπάρχει εδώ και καιρό. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ΤΤL κατασκευάζονται πάνω σε ένα chip ημιαγωγού με δομικό στοιχείο το διπολικό τρανζίστορ σε συνδυασμό με αντιστάσεις από ημιαγωγό.

Τα chip TTL έχουν συνήθως μια αριθμητική ονομασία των «σειρών» 5400 και 7400. Η πρώτη σειρά μπορεί να λειτουργήσει σε πλατιά ζώνη θερμοκρασιών, κατάλληλη για στρατιωτικές χρήσεις, ενώ η δεύτερη χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές εφαρμογές. Τα chips της σειράς 7400 αριθμούνται 7400, 7401, 7402 κ.τ.λ. Έτσι για παράδειγμα, το 7400 περιέχει τέσσερις πύλες NAND 2-εισόδων, το 7404 περιέχει έξι αντιστροφείς κ.τ.λ. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ΤΤL χρειάζονται τάση τροφοδοσίας 5V για σωστή λειτουργία.

Στα ολοκληρωμένα κυκλώματα τύπου TTL, για ορθή λειτουργία, μια είσοδος χαμηλής στάθμης (λογικό «0») πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ γείωσης και 0,8V, ενώ μια είσοδος υψηλής στάθμης (λογικό «1») πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 2,0V έως 5,5V. Μια έξοδος χαμηλής στάθμης μπορεί να είναι έως 0,4V ενώ μια έξοδος υψηλής στάθμης μπορεί να είναι από 2,4V έως 5,5V, η οποία εξαρτάται από το ρεύμα στην αντίσταση φορτίου της εξόδου.

Τα ολοκληρωμένα τύπου ΤTL χωρίζονται σε υποοικογένειες. Οι ποιο συχνά χρησιμοποιούμενες είναι η standard TTL εκπροσωπείται με τη σειρά που αρχίζει με 74 και η Χαμηλής ισχύος Schottky που εκπροσωπείται με τη σειρά που αρχίζει με 74LS. Οι διαφορές μεταξύ διάφορων σειρών TTL είναι στα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά, όπως η κατανάλωση ισχύος, η καθυστέρηση διάδοσης και η ταχύτητα εναλλαγής. Δεν διαφέρουν στις συνδέσεις των εξωτερικών ακροδεκτών ή στη λογική λειτουργία που επιτελείται από τα εσωτερικά κυκλώματα. Έτσι π.χ. τα 7486 και 74LS86 περιέχουν τέσσερις πύλες XOR με τις ίδιες συνδέσεις για τους εξωτερικούς ακροδέκτες σε κάθε περίβλημα.

Η οικογένεια: CMOS (Complementary MOS)
Η τεχνολογία συμπληρωματικού MOS (CMOS) χρησιμοποιεί ένα PMOS και ένα NMOS τρανζίστορ συνδεδεμένα με ένα συμπληρωματικό τρόπο σε όλα τα κυκλώματα.

  

 Τα PMOS και NMOS είναι MOSFET μονοπολικά τρανζίστορ P και Ν καναλιού αντίστοιχα. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα ΜΟS έναντι των διπολικών τρανζίστορ είναι η υψηλή πυκνότητα κατασκευής των κυκλωμάτων, απλούστερη τεχνική επεξεργασίας κατά τη διάρκεια της κατασκευής, και η χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα CMOS μπορούν να λειτουργήσουν ορθά για τάσεις τροφοδοσίας από +3V έως +15V. Τάσεις στην είσοδο από 0 έως 30% της τάσης τροφοδοσία θεωρούνται σαν το λογικό «0», ενώ τάσεις από 70% έως 100% της τάσης τροφοδοσίας θεωρούνται σαν λογικό «1» στην είσοδο. Για παράδειγμα, με τάση τροφοδοσίας 5V, η χαμηλή στάθμη εισόδου κυμαίνεται από 0 έως 1,5V, ενώ για τη υψηλή στάθμη εισόδου είναι από 3,5V έως 5V. Οι τάσεις εξόδου είναι σχεδόν ίσες με τις τάσεις τροφοδοσίας. Για παράδειγμα, για τάση τροφοδοσίας 5V, η έξοδος υψηλής στάθμης είναι περίπου 5V ενώ η χαμηλή στάθμη εξόδου είναι σχεδόν 0V.

Η αρχική σειρά 4000 των CMOS κυκλωμάτων σχεδιάστηκε ανεξάρτητα από τη σειρά TTL.

 Επειδή όμως τα TTL έγιναν βασικά κυκλώματα στη βιομηχανία οι κατά σκευαστές άρχισαν να παράγουν άλλα κυκλώματα CMOS των οποίων οι εξωτερικοί ακροδέκτες είναι συμβατοί με παρόμοια ολοκληρωμένα TTL. Aπό αυτές, οι πιο διαδεδομένες CMOS σειρές είναι οι 74ΗC και 74HCT. H σειρά 74ΗC λειτουργεί σε υψηλότερες ταχύτητες από την αρχική σειρά, ενώ η σειρά 74ΗCT είναι και ηλεκτρικά και σε επίπεδο ακροδεκτών συμβατή με την οικογένεια ΤΤL. Αυτό σημαίνει ότι τα ολοκληρωμένα της σειράς 74ΗCT μπορούν να συνδεθούν απευθείας με ολοκληρωμένα TTL χωρίς τη χρήση ενδιάμεσων κυκλωμάτων.

Ικανότητες οδήγησης

Τα ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν μια προδιαγραφή που λέγεται fan-out. Το fan-out ενός ψηφιακού ΙC είναι ο αριθμός των «τυπικών» εισόδων που μπορούν να οδηγηθούν από την έξοδο της πύλης. Εάν το fan-out μιας τυπικής TTL πύλης είναι 10, αυτό σημαίνει ότι η έξοδος μιας πύλης μπορεί να οδηγήσει έως και 10 εισόδους πυλών της ίδιας υπο-οικογένειας. Μια τυπική τιμή για το fan-out συνηθισμένων ολοκληρωμένων ΤΤL είναι 10.

Το fan-out για χαμηλής ισχύος Schottky TTL (LS – TTL) είναι 20 και για τη σειρά 4000 CMOS είναι περίπου 50.

Οι λογικές στάθμες (τάσεις) για είσοδο και έξοδο ψηφιακών κυκλωμάτων, είναι διαφορετικές για τα ολοκληρωμένα CMOS και TTL. Γι' αυτό αυτά τα ολοκληρωμένα συνήθως δεν μπορούν να συνδεθούν μαζί. Εξίσου σημαντικές είναι και οι διαφορετικές απαιτήσεις ρεύματος. Παρακάτω φαίνονται τρόποι διασύνδεσης TTL με CMOS και CMOS με ΤΤL

Στην εικόνα 1 φαίνεται το δημοφιλές LS-TTL να οδηγεί μια οποιαδήποτε πύλη CMOS. Παρατηρήστε τη χρήση αντιστάσεων pull-up 2,2kΩ (Στην περίπτωση που έχουμε Standard TTL η αντίσταση πρέπει να έχει τιμή 1kΩ). Αυτές χρησιμεύουν στο να διατηρούν τη HIGH TTL έξοδο κοντά στα 5V ώστε να είναι συμβατή με τα χαρακτηριστικά τάσης εισόδου των CMOS IC. Στην εικόνα 2 ένας αντιστροφέας CMOS (οποιαδήποτε σειράς) οδηγεί απευθείας ένα αντιστροφέα LS-TTL. Τα IC CMOS δεν μπορούν να οδηγήσουν (Standard) TTL εισόδους χωρίς ειδική προσαρμογή. Αυτό γίνεται με τον μη αντιστρέφων απομονωτή CD4050 όπως φαίνεται στην εικόνα 3.

 Ένας άλλος τρόπος διασύνδεσης TTL με CMOS, εκτός από την χρήση pull-up αντίστασης είναι η παρεμβολή οκοκληρωμένων κυκλωμάτων της σειράς CMOS 74HCT00 όπως φαίνεται στην εικόνα 4 που χρησιμοποιείται ο μην αναστρέφων IC 74HCT34.

Καθυστέρηση διάδοσης

Η ταχύτητα αντίδρασης σε μεταβολές εισόδου αποτελεί σημαντικό παράγοντα στις εφαρμογές υψηλής ταχύτητας των ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Για παράδειγμα θεωρούμε ένα αντιστροφέα TTL (όπως το IC 7404). Όταν η είσοδος του μεταβαίνει από χαμηλή σε υψηλή στάθμη (από το λογικό 0 στο λογικό 1) υπάρχει καθυστέρηση διάδοσης προς την έξοδο, που στην περίπτωση μας είναι 12ns.

 Όμοια στην μετάβαση από υψηλή σε χαμηλή στάθμη στην είσοδο έχουμε μια διαφορετική καθυστέρηση διάδοσης στην έξοδο, που εδώ είναι 7ns.

Το πρόβλημα γίνεται ακόμα μεγαλύτερο σε ψηφιακά κυκλώματα που έχουμε στη σειρά πολλά επίπεδα λογικών πυλών. Για να λύσουμε αυτό το πρόβλημα της καθυστέρησης διάδοσης του ψηφιακού σήματος, χρησιμοποιούμε παλμούς ορολογίου ώστε να έχουμε ταυτόχρονη μετάβαση των λογικών σταθμών σε όλο το ψηφιακό κύκλωμα που βηματοδοτείται, συνήθως με την θετική ή την αρνητική ακμή του παλμού ορολογίου.