Современная техника обладает неплохими данными. Они, обычно, указываются в паспортах к устройствам и даже рекламируются как флагманские. Однако насколько хороши на практике интегральные компоненты определить очень сложно, но всё же в некоторой степени возможно. Раньше это делали по типу логики микросхем, используемых в устройстве. Сейчас количество чипов в устройстве очень большое и типы логики могут быть различные, даже комбинированные, поэтому сложно сказать определённо какой тип логики используется в технике. Впрочем, статья написана не для покупателей аппаратов, а для радиолюбителей, чтобы им ориентироваться, какую серию микросхем предпочтительнее использовать для своих самоделок.
История и виды интегральных компонентов
Примерно с 60-х годов прошлого века началось бурное развитие электронных схем в одном корпусе. Чуть позже уже начали выпускать микросхемы, элементы которой изготавливались на одном кристалле. Практически одновременно с аналоговыми каскадами усилителей, генераторов, ключей и прочих компонентов стали использовать логические элементы. На них можно проектировать автоматику и вычислительную технику.
Интеграция микросхем
В зависимости от числа элементов, содержащихся в одном корпусе или на одном кристалле, формируется степень интеграции микросхемы. Например, число элементов до 10, 100, 1000, 10 000 в одном корпусе определяет малую, среднюю и большую степень интеграции, последняя ещё называется БИС (Большая Интегральная Схема). В ЭВМ 4-го поколения стали использовать чипы со сверхбольшими интегральными схемами (СБИС). Число элементов в них составляет от десятков тысяч до миллиона, позже нескольких миллионов.
Свойства разных типов логики
В начальном развитии логических элементов использовалась резисторно-транзисторная логика (РТЛ). Микросхемы такой структуры легко было изготавливать, работали они надёжно, но на малых скоростях. Однако из-за высокой мощности потребления и низкого быстродействия от этого типа логики стали отказываться. Подобная ей, резисторно-емкостная транзисторная логика (РЕТЛ) сохраняет свои позиции и сейчас. Применяют такой тип чипов при согласовании со структурой КМОП (Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник) или аналоговыми каскадами.
Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) выделяется малым числом деталей элемента и лёгкостью его изготовления. Однако из-за большой задержки переключения диодов распространения не получила. Хотя замена на диоды Шоттки позволяет использовать этот тип логики и сейчас. Правда каскады в ней имеют не только диоды, но и транзисторы Шоттки, поэтому именуется ТТЛШ (Транзисторно-Транзисторная Логика с диодами Шоттки). Эта логика имеет большое быстродействие и продолжает широко использоваться до сего времени.
Довольно прогрессивной в своё время была эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), называемая ещё «отрицательной» из-за минусовых уровней логических напряжений. Она обладает высокой скоростью и помехоустойчивость, но энергопотребление и дороговизна вынудили отказаться от её применения.
Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) изначально приобрела лидирующие позиции. В последнее время, когда тенденция развития техники взяла направление экономичности и увеличения интеграции, этот тип логики стали применять реже.
Заслуживает внимания интегральная инжекционная логика (ИИЛ) или её ещё называют И²Л. Особенность системы в том, что логическое действие совершается не на входе, как обычно, а на выходе многоколлекторных каскадов. По такой структуре функционируют микропроцессорные комплекты серии 583, 584. Также эта логика способна работать при напряжении питания 1В, логические уровни 0 и 1 – 0,05В и 0,85В соответственно.
КМОП-серия микросхем вначале применялась, в основном лишь в энергосберегающих приборах из-за низкого потребления. Первые образцы отличались малым быстродействием и низкой помехоустойчивостью. Однако со временем и улучшением своих характеристик этот тип микросхем стал наиболее используемым.
ТТЛ и ТТЛШ
В настоящее время такой тип логики применяется, в основном, для построения микросхем малой степени интеграции. Непременное условие – стабильность выходного напряжения с фиксированным значением +5В (реже 3,3В). Ток потребления компонентов с ТТЛ составляет от 10 до 120 mA, что при большом количестве элементов является малоэкономичным. Скоростные параметры этой серии высокие, также их удалось увеличить с использованием элементов Шоттки в ТТЛШ.
Схемы каскадов в логических элементах могут быть различными в зависимости от требуемых свойств и сферы предполагаемого применения. Свойства некоторых серий микросхем ТТЛ и ТТЛШ, также их аналоги приведены в таблице.
КМОП, N-МОП и P-МОП
Напряжение питания у элементов, построенных на полевых транзисторах, составляет от 3В до 15В. Причём многие серии логических микросхем могут стабильно работать в широких пределах питающего напряжения, чем выгодно отличаются от ТТЛ. Напряжение низкого уровня, логического ноля от 0 до 0,3В, высокого – 2,5 и 5В. Ток потребления микросхем 0,1...100 мкА, для компонентов большой степени интеграции до нескольких единиц и десятков миллиампер. Однако его значение в большой степени зависит от частоты и сопротивления нагрузки выходных каскадов.
У микросхем серий К561 и К564 замыкание выходного инверсного каскада на корпус может вывести их из строя. Однако основным недостатком чипов этой серии является их уязвимость к статическому электричеству. Для борьбы с этим явлением используют входные каскады с двойной и более степенями защиты. Однако при ничтожных размерах кристалла, на котором выполнен чип, такая защита становится малоэффективна.
Разница между структурами N-МОП, P-МОП и КМОП в структурах полевых транзисторов, последний тип логики содержит элементы как с n-каналом, так и с p-каналом. Технология изготовления чипов с однотипным каналом дешевле и менее времязатратная, однако это достигается в ущерб быстродействию и помехоустойчивости.
Также высокое входное сопротивление элементов требует дополнительных мер помехоустойчивости. Влияние паразитных связей, вызванных электромагнитными помехами или связями между дорожками монтажа, может быть критическим. Данная проблема у некачественных производителей техники решается просто – покрытием схемы лаком. Однако, элементарное попадание влаги через трещины в нанесённом на проводники схемы защитном слое, вводит технику в неработоспособнось.
Заключение
Если сравнить логический каскад ТТЛ и КМОП, а тем более N-МОП, то с коммерческой точки зрения выпускать аппаратуру с последним типом логики выгоднее. Тем более характеристики потребления и степени интеграции явно в сторону полевых транзисторов. К примеру, есть приборы, (например теплосчётчики «Струмень» и др.) работающие от аккумулятора. Его заряда хватает на несколько лет непрерывной эксплуатации. Однако есть аппараты (к примеру теплосчётчики ТЭМ-05, ТЭМ-104, ТЭМ-106 и др.) которым необходимо питание от сети с потреблением более 10Вт×ч.
Казалось бы, зачем так усложнять технику, если есть логика, потребляющая крохи. Однако вопрос становится сразу понятным, когда приходится эксплуатировать устройство в среде с повышенной влажностью. Высокоомная техника в таких условиях сразу блокируется, а логика ТТЛ продолжает работать, как ни в чём не бывало.
Персональные компьютеры (ПК) в отличие от ноутбуков изначально предполагалось разграничить по принципу типа логики. ПК рассчитывались использовать в более влажных условиях, чем ноутбуки и планшеты, имеющие уклон компактности. Однако многие производители компонентов к стационарным компьютерам под видом характеристик энергосбережения используют высокоомную логику в ущерб качества долговечности.
На данное время есть бескулерные процессоры и видеокарты, которые явно выглядят престижнее, не уступая по производительности агрегатам, потребляющим сотни ватт. Достоинство последних можно оценить лишь в процессе длительной эксплуатации. Не зря в блоках питания ПК есть отдельная шина +5В с высоким уровнем стабилизации по стандарту. Она специально рассчитывалась изначально для логики ТТЛ и ТТЛШ. Также многие адаптеры питания в стационарной аппаратуре имеют 5-вольовую шину. Вот почему некоторые производители качественной техники всё же применяют неэкономичную и капризную в питании ТТЛ.
