Обзор Части 12



==875

В пунктах с @A по @S подытоживается всё, изложенное в Части 12 . В обзор вошли базовые принципы, факты и советы по применению.

@A Связь между логическими элементами

Предметом рассмотрения в данной части служат методы передачи цифровых сигналов между логическими ИМС и остальным миром . Под «остальным миром» понимается «всё», что включает:

1. другие логические элементы,
2. источники данных ( переключатели, датчики, кабели ) и
3. исполнительные устройства ( нагрузка постоянного и переменного тока, кабели, оптопары ).

Это длинная часть, насыщенная разными сведениями. В данном обзоре предпринята попытка организовать столь разные сведения в удобоваримую форму.

@B Логические семейства

§12.1.1 . Современные логические микросхемы практически полностью выполняются по КМОП технологии. Есть некоторые исключения: семейства эмиттерно-связанной логики ( ECL, PECL и LVPECL ) и немного BiCMOS ( ABT’, BCT’ ). КМОП микросхемы не потребляют ток по входу, а их порог переключения близок к среднему уровню питания. Исключение составляют семейства с расширением «-T» (HCT’, ACT’, AHCT’, VHCT’ ), у которых входные пороги совпадают со старыми ТТЛ микросхемами ( ∼1.4 V ), см. рис. 12.5 .

Серия 74HC(T)’ удобна для макетирования и схем общего назначения, доступна в корпусах DIP и SOIC. Для задач, требующих повышенного быстродействия, её можно заменить на 74AC(T)’ или 74LV’. Если требуется низкое напряжение и умеренная скорость, подойдёт 74LVC’ или 74VCX’, но эти семейства доступны только в корпусах для поверхностного монтажа. Если нужен широкий диапазон питающих напряжений, подойдёт 4000B, но это медленное семейство. Для передачи дифференциальных сигналов используется LVDS ( или LVPECL ). См. рис. 12.2 и 12.3 для сравнительных графиков зависимости скорости от потребляемой мощности и скорости от напряжения питания.

@C Входные и выходные характеристики

§12.1.2.A и §12.1.2.B . КМОП входы не потребляют тока, если \(0≤V_{in}≤V_{DD}\) ( и даже если \( V_{in}\) заходит на несколько десятых вольта за указанные границы ). Большинство логических семейств имеет на входах защитные диоды на шины земли и питания, поэтому входное напряжение, вышедшее за уровни питания более чем на вольт вызовет появление существенного тока и может привести к тиристорному защёлкиванию. Существуют также семейства с входным ограничителем, напоминающим стабилитрон. Такая конфигурация позволяет входу подниматься выше уровня питания ( даже при отсутствии самого питания ). К таким ИМС относятся 5V-совместимые 74LVC’ и 3.3V-совместимые 74AUP’, см. рис. 12.4 .

КМОП выходы переключаются между шинами питания и для небольших токов нагрузки выглядят как резисторы ( рис. 12.7 ). Величина выходного тока сильно зависит от семейства. Внутри одного семейства выходной ток растёт вмести с ростом питающего напряжения [* если такой рост предусматривается техническими условиями ] , см. рис. 12.6 , где приведены пороги переключения и допустимые диапазоны сигналов для разных семейств. Отметим, что выходы биполярных ТТЛ ( ныне покойных ), а также n-МОП, микросхем не доходят до шины питания, см. §12.4.5.A .

@D Сопряжение различных логических семейств

Логические семейства можно смешивать в одной схема, если удовлетворяются требования спецификаций по входным и выходным параметрам. В первом приближении это означает, что

1. всегда можно соединять семейства с одним питанием [* речь идёт о ИМС, выпускаемых по одной технологии 3.3 V КМОП НЕЛЬЗЯ подключать к 3.3 V LVPECL ] .
2. Микросхема с бОльшим напряжением питания ( например, +5V ) может стоять на входе низковольтовой логики, если последняя имеет т.н. «совместимые» входы.
3. Наконец, низковольтовая логика может переключать более высоковольтовую, если у последней «ТТЛ совместимые входы», а питание низковольтовой не ниже 2.5 V .

С учётом десятков логических семейств, большая часть которых может работать в некотором диапазоне напряжений, открывается бездна возможных сочетаний. Большая часть вариантов рассмотрена в §12.1.3 и показана на рис. 12.9 .

@E Работа с логическими входами

§12.1.4 . Механические кнопки с подтяжкой ( §12.1.4.A ) выдают правильные логические уровни, но дребезжат при переключении. Где-то это приемлемо, но, если нужен чистый фронт, то от дребезга придётся защищаться. Некоторые варианты описаны в §12.1.4.B . На логический вход может поступать сигнал с компаратора ( эта тема разбирается в @G и §12.3 ), чей выход может быть с активной подтяжкой к питанию либо с «открытым коллектором» ( «открытым стоком» ). В последнем случае понадобится внешний резистор подтяжки к \( V_{DD}\) . Возможные варианты показаны на рис. 12.25 .

При подключении к логическому входу сигналов нелогической природы следует соблюдать умеренность и не перегружать входные цепи чрезмерной амплитудой или эффектами отражений в плохо согласованной линии связи. Вопиющие примеры таких сигналов можно увидеть на рис. 12.104 - 12.106 . Неиспользуемые входы нельзя оставлять висящими в воздухе.

Современные микросхемы проектируются в расчёте на существенную энергию статических разрядов. Подобные разряды описываются в терминах стандартной модели человеческого тела ( HBM ): 100 pF , включённые последовательно с 1.5 kΩ , см. §12.1.5 . Испытывать удачу не следует, при общении с электроникой аккуратно разряжайтесь сами, используйте антистатические материалы и т.д. См. также предыдущее обсуждение в §3.5.4.H .

@F Использование логического выхода для управления нагрузкой

§12.4 . Небольшие нагрузки ( светодиод, твердотельное или небольшое электромеханическое реле ) можно подключать прямо к логическому выходу ( §12.4.1 и рис. 12.39 ). При этом необходимо учитывать нагрузочную способность выходного каскада ( размах напряжения, ток ), а для механических реле не забывать защитный диод параллельно обмотке. Если напряжения и тока не хватает, можно использовать мощные драйверы с открытым коллектором, которые способны работать при 100 V ( 75468 ) или выдавать 350 mA (ULN2003 ). Есть похожие микросхемы с последовательным входом ( требуют микроконтроллера ), см. рис. 12.40 и 12.41 , а также табл. 12.3 на стр. 819 .



==876

Для мощных нагрузок можно добавить внешние транзисторы или использовать специализированные готовые модули. Для нагрузок с положительным питанием см. §12.4.2 и рис. 12.42 и 12.43 , для отрицательных или нагрузок переменного тока см. §12.4.3 и рис. 12.44 . Правильные ключи для таких задач должны иметь защиту от сбоев , см. §12.4.4 и рис. 12.45C , 12.47 и 12.48 .

@G компараторы

Компаратор - дифференциальный каскад с высоким коэффициентом усиления и без частотной коррекции [* т.к. не предназначен для работы с обратной связью ] . Компараторы сообщают, какое из двух напряжений больше, и являются важной частью интерфейса между аналоговым и цифровым миром. Впервые они упоминаются в §4.3.2 , а в деталях разбираются в §12.3 ( табл. 12.1 на стр. 812 и табл. 12.2 на стр. 813 ).

Подобно операционным усилителям компараторы различаются по быстродействию ( от менее чем 1 ns до десятков микросекунд ), напряжению питания ( с общим напряжением от 1.1 до 40 V ), входному напряжению смещения ( от 0.25 mV до 10 mV ), входному току ( от 1 pA до > 10 μA ), допустимому входному синфазному напряжению ( до обоих уровней питания, до одного, ни до какого ) и току холостого хода ( от менее 1 μA до десятков миллиампер ). В отличие от ОУ, рассчитанных на работу в линейном режиме, где аналоговое выходное напряжение не должно доходить до уровня ограничения, компаратор имеет цифровой выход, который постоянно находится в одном из двух возможных состояний. Сигнал с компаратора можно подавать на вход логических схем, или управлять с его помощью нагрузкой с состояниями ВКЛЮЧЕНО /ВЫКЛЮЧЕНО, например, реле или светодиодом. Чтобы увеличить удобство использования, для компараторов напридумывали чуть не десяток вариантов выходного каскада ( рис. 12.33 ). В их число входят:

1. «rail-to-rail» ( аналогичный такому же выходному каскаду ОУ [* §4.6.3 ] ),
2. открытый коллектор или сток,
3. логический выход с опциональным отдельным питанием \( V_L\) ,
4. логический выход с \( V_L\) и отдельной землёй и
5. плавающий транзистор.

Дополнительные вопросы, связанные с компараторами. Обычные компараторы включаются с некоторым гистерезисом ( триггер Шмитта ), чтобы не допустить множественных переключений и генерации. Некоторые модели компараторов имеют очень узкий диапазон входных дифференциальных напряжений ( иногда меньше вольта ). В компараторах с биполярным входом входные токи могут скачком менять величину в околонулевой зоне входного дифференциального напряжения ( рис. 12.36 ). Скорость срабатывания и задержка в компараторах зависят от величины избыточного напряжения на входе ( рис. 12.38 ).

@H Оптоэлектроника

§12.5 . Продолжая тему «подключи логическую схему ко всему на свете» в направлении оптоэлектроники, следует помянуть тех специалистов , которые обрели способность наслаждаться видео-презентациями ⁸⁸ [* ну, не чокаясь! ] . Оптоэлектроника - очень насыщенная тема. В неё попадают излучатели, индикаторы, дисплеи, детекторы и оптопары. Некоторые из упомянутых устройств можно увидеть на фото 12.58 ( стр. 830 ), 12.71 ( стр. 837 ), 12.80 ( стр. 841 ), 12.84 ( стр. 843 ) и 12.95 ( стр. 852 ). Чтобы напомнить широту темы, приведём примеры по каждому упомянутому разделу ( подробности раскрываются в параграфах @I - @M ).

Излучатели: светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные устройства.

Индикаторы и дисплеи: светодиодные, ЖКИ, электролюминесцентные, OLED, E-ink.

Детекторы: фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, лавинные фотодиоды, фотоумножители, микроканальные пластины.

Оптопары: со светодиодом или логической схемой на входе, с транзистором, тиристором или логической схемой на выходе.

Прочее: оптические концевые датчики, срабатывающие на просвет или отражение, детекторы приближения, считыватели штрих-кодов, оптические мыши.

@I Светодиодные индикаторы

Светодиоды имеют сходную с диодом вольтамперную характеристику, но заметно большее прямое падение, величина которого зависит от излучаемого цвета ( рис. 2.8 ). Выпускаются в разном исполнении ( для монтажа на панель, на печатную плату, сборки в виде линеек, матриц, сегментных индикаторов ), разных размеров, с разными углами обзора и цветами ( §12.5.1 ). Зажигать их можно от логического выхода с разумным перепадом напряжения и с последовательным токоограничивающим резистором. СтОит напомнить, что синие, белые и ярко-зелёные светодиоды имеют прямое падение 3V и более. Можно добавить внешний транзистор, если требуется более высокое напряжение или ток ( рис. 12.61 ). Если хочется осветить стадион, то правильнее будет задействовать импульсный dc-dc с выходом по току ( рис. 12.62 ), а при работе с лазерным диодом придётся городить схему управления током, использующую выход контрольного фотодиода ( см. рис. 12.67 и сопровождающий текст ).

@J Дисплеи

Популярным устройством для отображения цифр является 7- или 16-сегментный индикатор ( §12.5.3.A ). Их выпускают одиночные, сдвоенные и многоразрядные. Бывают простые индикаторы ( рис. 10.90 ), а встречаются и «умные» варианты со встроенным управлением ( рис. 12.77 ). Как только станет понятен принцип работы многоразрядных индикаторов, можно переходить к многоразрядным многострочным алфавитно-цифровым ЖКИ моделям ( рис. 12.78 ) и более заметным VFD ( см. рис. 12.71 и 15.25 ).

@K Детекторы



==877

Тема фотодетекторов начинается фотодиодами , которые преобразуют свет в фототок и могут работать в двух режимах: фотогенераторном ( источник фототока, работающий на короткозамкнутую цепь ) и фотокондуктивном ( в режиме обратного смещения ) ( рис. 12.81 ). Последний вариант быстрее, но имеет проблемы с токами утечки и повышенным шумом. Фототранзистор работает только в фотокондуктивном режиме, комбинируя транзистор и фотодиод для увеличения тока, правда с одновременным снижением быстродействия. Так же устроен фото-Дарлингтон . Его усиление ещё больше, а скорость ещё меньше. Лавинный фотодиод использует принцип лавинного усиления в p-n переходе, находящемся вблизи от точки обратного пробоя. Каждый попавший на детектор фотон выбивает множество электронов. Такое явление даёт для каждого фотона либо большое усиление ( при работе в линейном режиме ), либо полноценный импульсный «режим Гейгера» ( если продолжать смещать детектор в обратном направлении ). Детекторы на сульфиде кадмия относятся к другому виду детекторов - фоторезистивных . Они ведут себя как сопротивление ( \(I ∝ V\) ) , линейно пропорциональное освещённости. Сенсоры на CdS медленные, а благодаря директиве RoHS, скоро станут раритетом ( кадмий ядовит ), но очень хороши в задачах, где требуется линейное сопротивление, управляемое светом ( например, схема 7.21 ). Наконец, есть всё ещё популярные электровакуумные фотоумножители ( PMT, §12.6.2 ). В них каждый фотоэлектрон разгоняется электрическим полем динодов и выбивает из них каскад электронов. На анод их прилетает уже в \(10\space^6\) раз больше ( см. рис. 12.82 и 12.83 ).

@L Оптоизоляторы и твердотельные реле

Оптоизоляторы ( или оптопары ) состоят из излучателя и детектора в одном корпусе ( §12.7 ). Они используются для передачи цифровых ( и иногда аналоговых ) сигналов между схемами, имеющими разные потенциалы земли. Такого рода гальваническая изоляция препятствует возникновению контуров в цепях земли чувствительных устройств, зато позволяет безопасно управлять нагрузкой переменного тока и общаться со схемами внутри высоковольтных узлов.

Все оптоизоляторы используют на входном конце светодиод, часто просто выводя наружу анод (+) и катод (-). Это означает, что заботы о подборе токоограничивающего резистора ложатся на пользователя, см. рис. 12.85A . Есть варианты, уже имеющие токоограничение ( SSR, рис. 12.92C ), или полноценную логическую схему на входе ( рис. 12.86C ). На выходном конце бывает несколько вариантов: транзистор или «Дарлингтон» ( рис. 12.85D ), логическая схема с открытым коллектором или активным выходом ( рис. 12.86 ), драйвер затвора с активным выходом ( рис. 12.87 ), SSR для управления нагрузкой переменного тока ( рис. 12.92 ) и SSR для нагрузки постоянного тока ( рис. 12.91 ). Существуют оптоизоляторы для аналоговых схем ( рис. 12.88 , 12.89 и 12.90 ), оптопары со входом по переменному току ( рис. 12.94 ) и множество модулей ввода-вывода для промышленной автоматики ( §12.7.7 ).

@M Оптические концевые датчики, датчики присутствия и угловые энкодеры

Концевые датчики , работающие на просвет - простая оптопара в открытым пространством между излучателем и детектором ( рис. 12.84 ). Они широко используются в механических устройствах для ограничения области перемещения. Оптические датчики приближения ловят отражение от внешнего объекта. Измерительные датчики имеют детекторы, использующие триангуляцию ( параллакс) для измерения расстояния ( до нескольких метров ). Оптические угловые энкодеры измеряют угловую позицию вала. Они бывают «инкрементальные» ( с квадратурным выходом [* показывающим направление вращения и количество элементарных шагов ] ) и с абсолютным позиционированием. Точность варьируется от 32 до 128 шагов на оборот для панельных вариантов [* органов управления ] и до 30000 шагов на оборот для моделей с высоким разрешением.

@N Волоконная оптика

Свет любит свободно двигаться по стеклянным или пластиковым световодам. Для больших участков с высокой скоростью передачи используются одномодовое стеклянное волокно со скоростью до 100 Gbps . Для скоростей пониже можно брать многомодовые жилы, которые закрывают диапазон от пластикового ∅1 mm до очень популярного стеклянного волокна 62.5/125 µm . Есть модули простых приёмников и передатчиков ( §12.8.1 - §12.8.3 ), а есть и высокоскоростные, включающие всю необходимую для приёма или передачи обвязку ( §12.8.4 ).

@O Цифровые сигналы и длинные линии

Почти четверть этой части ( §12.9 ) отведена проблемам передачи цифровых сигналов куда-то ещё, где куда-то может быть точка на той же плате, или трасса на объединительной панели, или другое устройство, связанное с первым кабелем. Простой вид задачи обманчив: на пути есть ловушки, готовые погубить дилетанта. Например, авторы были удивлены ( хотя и не следовало бы ), обнаружив ошибки при передаче параллельных данных на умеренной скорости ( ’HC логика ) по 10-сантиметровому ( 4" ) плоскому шлейфу. Читайте §12.9 , чтобы не попадать в подобную ситуацию.

@P Короткие дистанции

Для малых расстояний , которые остаются в пределах одной платы, выбросы и сбои при работе логических схем возникают из-за емкостной нагрузки и сопутствующих ей токовых иголок в земляной шине ( §12.9.1.A ). В данном случае помогает активное использование конденсаторов в цепях питания ( это всегда полезно ) и разводка, снижающая индуктивность шины земли. Проблема облегчается для синхронных схем, и наоборот, усугубляется для быстрой логики, которой может потребоваться соединение в виде линии передачи с постоянным волновым сопротивлением ( см. §X1.1.4.C ). Все проблемы становятся заметнее, когда сигналы выходят за пределы платы. В таком случае могут потребоваться специализированные микросхемы приёмников и передатчиков, возможно, в сочетании с использованием линий передачи и аккуратным её согласованием. Последний вариант является стандартной практикой для дифференциальной шины LVDS, которая показана на рис. 12.127 .



==878

@Q Кабельные линии

Участки большой протяжённости требуют использования согласованных линий ( §12.10 ). Их можно делать коаксиальным кабелем, ( например, стандартным приборные кабели из RG-58 с BNC разъёмами на концах ), плоским шлейфом , витой парой ( современные сетевые кабели Cat-5 или Cat-6 ) или волоконно-оптическим ( его легко узнать: тонкий яркий и разноцветный ). Если исключить «медленные» сигналы ⁸⁹ , кабели следует рассматривать как линии передачи ( см. Приложение _H ), имеющие характеристический импеданс \(Z_0\) ⁹⁰ [* он же «волновое сопротивление» ] . Для коаксиальных кабелей \(Z_0\) принимает значения 50 и 75 Ω , для витой пары - 100 Ω . Эта величина важна для согласования, потому что сигнал, идущий по правильно согласованному кабелю, полностью поглощается согласующим сопротивлением \(R=Z_0\) и не отражается от концов .

@R Согласование коаксиальных кабелей

Согласовать кабель можно следующими способами.

1. Поставив на удалённом конце коаксиальной линии согласующий резистор \(R=Z_0\) . Для драйвера линия становится чисто резистивной \(R=Z_0\) , а вся ёмкость кабеля исчезает и получается «согласованная линия» ( рис. 12.107 ).
2. Можно подавать в согласованную по предыдущему пункту линию сигнал от источника с сопротивлением \(R=Z_0\) ( рис. 12.110 ), но в этом случае в два раза падает амплитуда сигнала.
3. Подавать в линию без согласующего резистора на дальнем конце сигнал от источника с сопротивлением \(R=Z_0\) ( рис. 12.107 ). Такой способ сохраняет амплитуду за счёт отражения от дальнего конца.

См. весьма поучительный рис. 12.115 . В §12.10.1 есть и другие весёлые картинки, и даётся масса пояснений.

@S Дифференциальные линии

Дифференциальные сигналы ведут себя также, но согласующие резисторы ставятся между сигнальными жилами. Для больших сегментов ( до 1 km ) и умеренных скоростей ( 10 kbps...10 Mbps ) популярен давно и хорошо знакомый RS-422/485, а для коротких дистанций ( до 10 m ) и высоких скоростей ( 10 Mbps...1 Gbps ) часто используется шина LVDS. См. графики скорость-дальность на рис. 12.134 . Наивысшая скорость и дальность достигаются при использовании предыскажений в передатчике и нормализации АЧХ в приёмнике. См. рис. 12.130 - 12.132 и сопровождающий текст.



==878