Микросхемы серии К176

Все микросхемы серии независимо от назначения и сложности характе­ризуются электрическими параметрами, которые имеют следующие значе­ния [4,5]:

Напряжение источника питания, В..... 9±5%

Выходное напряжение логического О, В.... <0,3

Выходное напряжение логической 1, В.... >8,2

Статическая помехоустойчивость, В..... 0,9

Входной ток логического 0, мкА...... — 0,1

Входной ток логической 1, мкА...... <0,1

Коэффициент разветвления по выходу (статический) 100

Максимальный выходной ток в состояниях 0 и 1, мА 1

Наименьшее сопротивление нагрузки, яри которой сохраняется уровень логической 1 на выходе, кОм 150

Диапазон допустимых значений входного напряже­ния, iB............. — 0,2-+ U_и.п

Среднее время задержки распространения сигнала через логический элемент, нc...... 250

Наибольшая частота переключения триггера, МГц. 1

Потребляемая мощность одним логическим элемен­том в статическом режиме, мкВт..... <0,25

Конструктивно микросхемы оформлены в пластмассовые корпуса с 14 или 16 выводами.

Логические микросхемы выполняют операции И, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Каждая микросхема состоит из нескольких логических элементов, которые объ­единены по цепям питания, но функционально автономны, т. е. могут использо­ваться независимо один от другого. Элемент, выполняющий логическую операцию НЕ, т. е. инвертор, представляет собой ключ (см. рис. 4). При входном сигнале 1 на его выходе устанавливается уровень 0, а при входном сигнале 0 выходной сигнал имеет уровень 1.

Примером микросхемы с логическими элементами И-НЕ может служить К176ЛА7, содержащая четыре таких элемента с двумя входами каждый (рис. 5,а). Принципиальная схема логического элемента И-НЕ (рис. 5,6) со­стоит из двух КМДП-ключей, нижние транзисторы VT1, VT2 которых соединены последовательно, а верхние VT3, VT4 параллельно. Диоды VD1, VD2 пре­дохраняют входы от воздействия больших отрицательных напряжений. Если хотя бы на одном из входов Х₁ или х₂ присутствует сигнал с уровнем 0, то один из нижних транзисторов закрыт, а один из верхних открыт. Поэтому на выходе элемента независимо от значения сигнала на другом входе устанавливается на­пряжение высокого уровня, т. е. сигнал 1. Только при наличии 1 на обоих вхо­дах, когда нижние транзисторы открыты, а верхние закрыты, на выходе уста­навливается сигнал 0. Таким образом, логический элемент реализует функцию И-НЕ: y — XiXi.

Рис. 5. Микросхема К176ЛА7:

а — принципиальная схема; б — логиче­ский элемент И-НЕ

Рис. 6. Микросхема К176ЛЕ5:

а — принципиальная схема; б — логиче­ский элемент ИЛИ-НЕ

Примером микросхемы, содержащей логические элементы ИЛИ-НЕ, может служить К176ЛЕ5 (рис. 6,а). Она содержит четыре таких элемента с двумя входами каждый. Принципиальная схема логического элемента ИЛИ-НЕ (рис. 6,6) состоит из двух КМПД-ключей, нижние транзисторы которых сое­динены параллельно, а верхние последовательно. При поступлении „ сигнала 1 хотя бы на один из входов, например Xi, нижний транзистор VT1 откроется, а верхний VT3 закроется и независимо от сигнала на втором входе на выходе элемента установится уровень логического 0. Только при сигнале 0 на обоих входах, когда нижние транзисторы закрыты, а верхние открыты, на выходе ус­тановится уровень 1. Таким образом, логический элемент реализует функцию ИЛИ-НЕ: y=_Xi+x₂.

Сопоставлением режимов работы рассмотренных логических элементов не­трудно убедиться в том, что для их блокирования необходимо на один из вхо­дов подать сигнал 0 для элемента И-НЕ и сигнал 1 для элемента ИЛИ-НЕ. В этом случае элементы устанавливаются в состояния соответственно 1 и 0 не­зависимо от значения сигналов на других входах. Потребляемая логическими микросхемами мощность в статическом режиме составляет 1 — 2 мкВт.

В составе серии есть также логические микросхемы, содержащие элементы с тремя, четырьмя и девятью входами, универсальный элемент, который можно использовать, в частности, как усилитель мощности с током нагрузки до 2 мА.

Рис. 7. Микросхема КП6ТМ2:

а — принципиальная схема, б — временные диаграммы D-триггера, в — временные диаграм­мы T-триггера

Триггеры являются основными элементами регистров и счетчиков. Серия со­держит JK-триггер К176ТВ1 и D-триггеры в двух вариантах исполнения: с одним установочным входом R (установка 0) КД76ТМ1 и с двумя установочны­ми входами S (установка 1) и R (установка 0) К176ТМ2. Каждая из указан­ных микросхем содержит по два одинаковых триггера, связанных по цепям питания, но функционально самостоятельных.

Все триггеры построены по двухступенчатой структурной схеме и поэтому могут быть преобразованы в триггер со счетным входом (T-триггер) [6]. Для построения регистра или счетчика-делителя можно использовать любой из триг­геров. Однако в ряде случаев, в частности при реализации регистров и счетчи­ков с последовательным переносом, отдается предпочтение D-трштерам, тре­бующим меньшего числа соединений в схемах. Из двух микросхем с ГЛтриггера-ми более универсальной в отношении установки начального состояния являет­ся микросхема К176ТМ2, содержащая два D-триггера с входами установки 0 и 1 (рис. 7,а). Рассмотрим основные режимы работы этого триггера.

Триггер имеет информационный вход D, вход С для тактовых сигналов, входы S, R для установки триггера соответственно в единичное и нулевое на­чальные состояния и два выхода — прямой Q и инверсный Q. Состояние триг­гера определяется по уровню напряжения на прямом выходе Q. Высокому уровню напряжения соответствует единичное состояние триггера, обычно обо­значаемое как Q = l. Низкому уровню напряжения на выходе Q соответствует нулево» состояние триггера Q=0. Сигнал на инверсном выходе имеет значение, обратное значению сигнала на прямом выходе.

Для установки триггера в начальное единичное состояние необходимо на вход S подать сигнал 1 и затем после установки снять его. Аналогично для ус­тановки триггера в нулевое начальное состояние сигнал 1 подается на вход R. При работе триггера на установочных входах должен быть обеспечен нулевой потенциал. Сигнал установки должен быть снят в момент изменения тактового сигнала с высокого уровня на низкий (рис. 7,6). Он может быть снят и при нулевом уровне сигнала на входе С, но в таком случае необходимо обеспечить задержку длительностью не менее 1 мкс момента поступления на входе С сигнала 1. Эта задержка необходима для записи в триггер информации со вхо­да D. Информация записывается вначале в первую ступень триггера, затем с приходом сигнала 1 на вход С она переписывается во вторую ступень и появляется на выходах триггера.

Рис. 8. Микросхемы дешифраторов: a-К176ИД2, б-К176ИД1

Для наглядного представления о том, что информация на выходе триггера появляется после измене­ния тактового сигнала с 0 на 1, вход С обозначается как прямой динамический символ треугольника, направленного вершиной вовнутрь [Такое обозначение входа С триггеров серии К176 удобно и широко рас­пространено, но не соответствует характеру процессов, происходящих в триг­герах двухступенчатой структуры [6]. Вход С у таких триггеров статический, а не динамический.]. Если аналогичное воздействие на триггер оказывается при измене­нии сигнала на входе С с) на 0, то этот вход обозначается как инверсный динамический (вершиной на­ружу).

Для применения D-триггера в счетчиках с последовательным переносом необходимо предварительно преобразовать его в Г-триггер, соединив инверсный выход со входом D. Вход С становится счетным: при подаче на него импульсов с периодом повторения Tо на выходе триггера формируется последовательность импульсов, которые имеют длительность Tо и период повторения 2Г₀. Таким образом, триггер делит частоту следования входных сигналов на два или, ина­че, считает входные импульсы по модулю 2 (рис. 7. в).

Дешифраторы в серии К.176 выпускают в нескольких вариантах, каждый из которых имеет свою область применения. Микросхема К176ИД2 (рис. 8,а) выполняет функции дешифратора четырехэлементного кода с преобразованием его в семиэлементный код для управления семисегментным индикатором. Эта микросхема имеет четыре информационных входа и семь выходов и предназна­чена для совместного применения с двоично-десятичным счетчиком.

Входы S, М, К являются управляющими. При М=К=0 сигнал на входе S определяет либо рабочий режим преобразования (S = l) либо режим хранения выходного кода (S = 0). При М=Л независимо от значения сигналов на входах S, К выходной код инвертируется. При М=0, К=1 обеспечивается гашение ин­дикатора.

Функциональным аналогом микросхемы К176ИД2 является микросхема К176ИДЗ. Отличие этого дешифратора от рассмотренного состоит в том, что он имеет высоковольтный выход и способен выдерживать напряжение до 27 В. Такой дешифратор применяется, в частности, для управления многоразрядным катодолюминисцентным индикатором в устройствах с динамической индикацией (см. рис. 2), например в настольных электронных часах «Электроника 2-06» (см. § 11).

Дешифратор К176ИД1 (рис. 8,6) относится к другому типу дешифраторов. Он имеет четыре входа и десять выходов и предназначен для дешифрования двоично-десятичного кода: каждой из десяти комбинаций входных сигналов со­ответствует сигнал 1 на одном из выходов. Такие дешифраторы применяют для управления многокатодными газоразрядными индикаторами, а также в блоке программирования сигнального устройства (см. рис. 3).

Регистры по назначению классифицируются на два вида: регистры хране­ния и регистры сдвига. На основе регистров сдвига с перекрестной ОС построе­ны многие счетчики, входящие в серию К176, в частности К176ИЕЗ, К176ИЕ4, К176ИЕ8, К176ИЕ17 и др. В составе серии К176 регистры сдвига представлены рядом микросхем: К176ИР2 содержит два функционально автономных четырех­разрядных регистра, К176ИРЗ — один четырехразрядный регистр, К176ИР10 — 18-разрядный регистр и др.

Каждый из регистров микросхемы К176ИР2, построенный по схеме рис. 9,а, имеет информационный вход D, тактовый вход С, вход установки R и четыре выхода по одному от каждого разряда. Информация в такой регистр записыва­ется последовательно во времени через вход D так, что с каждым очередным тактовым импульсом записываемая комбинация продвигается поэлементно от старшего разряда к младшему (прямой сдвиг, иначе называемый сдвиг вправо) до заполнения всех разрядов регистра. Направление сдвига указывается стрел­кой на условном обозначении регистра (рис. 9,6). Регистр может быть постро­ен так, что его заполнение производится со входа младшего разряда (сдвиг влево или обратный сдвиг). Регистры, которые допускают сдвиг в обоих на­правлениях, называются реверсивными. К реверсивным относится регистр К176ИРЗ.

Счетчики-делители, входящие в серию КГ76, построены либо на основе ре­гистра сдвига с перекрестной ОС (К176ИЕЗ, К176ИЕ4, К176ИЕ8 и др.), либо ло схеме с последовательным переносом (К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ18).

Счетчик на регистре сдвига с перекрестной ОС с инверсного выхода послед­него триггера на вход D первого триггера (рис. 10,а) имеет коэффициент счета 2n, где n — число триггеров в схеме регистра. Следовательно, для получения де­лителя на 10 необходим пятиразрядный регистр сдвига (рис. 10,а), а делителя на 6 — трехразрядный регистр.

Временные диаграммы (рис. 10,6) иллюстрируют особенности работы счет­чика: вначале он заполняется 1, затем, освобождаясь от них, заполняется 0. Эта особенность обусловлена характером процессов, происходящих в регистре сдви­га: с каждым тактовым импульсом сигнал переходит от одного триггера к дру­гому, продвигаясь, таким образом, от входа схемы к ее выходу. Из диаграммы нетрудно видеть, что получаемые на любом из выходов колебания характеризу­ются одинаковым периодом повторения 2я Г_о, где Г_о — период повторения вход­ных сигналов, взаимно сдвинутых во времени. Сдвиг соседних последовательнос­тей равен одному периоду Т_о входных сигналов.

Рис. 9. Регистр сдвига:

а — Функциональная схема, б — условное обозначение

Рис. 10. Счетчик на регистре с пере­крестными связями:

а — функциональная схема, б — времен­ные диаграммы

Реализация схемы счетчика возможна на всех рассмотренных ранее триггерax. При использовании D-триггеров (К176ТМ1, К176ТМ2) схема их соединения должна соответствовать рис. 10,а. В случае применения JК-триггеров (К176ТВ!) входы I, К каждого последующего разряда следует соединить соответственно с прямым и инверсным выходами предыдущего разряда, а ОС обеспечить соеди­нением прямого и инверсного выходов последнего разряда соответственно со входами К и J первого разряда. Входы С, R объединяются так же, как на рис. 10,а.

По рассмотренному принципу, как уже отмечалось, построены многие мик­росхемы счетчиков-делителей серии К176. Микросхема К176ИЕ4 (рис. 11,а) состоит из двух выполненных в одном кристалле функциональныех узлов: пятираз­рядного счетчика и дешифратора его состояний с преобразованием выходного кода счетчика в семиэлементный код для управления сегментами индикатора. Выходы дешифратора для удобства обозначают теми же символами, что и сег­менты индикатора (рис. 11,6). Формируемые на этих выходах сигналы будем называть сегментными. Для возбуждения сегмента соответствующий ему сег­ментный сигнал должен иметь уровень 1.

Рис. 11. Микросхема К176ИЕ4:

а — принципиальная схема, б — соответст­вие обозначений выходов микросхемы и сегментов индикаторов

Рис. 12. Микросхема К176ИЕЗ:

а — принципиальная схема, б — временные диаграммы сигналов на выходах 2 (вывод 3) и 6 (вывод 2)

При необходимости с помощью управляющего сигнала на входе V (вывод 6) можно инвертировать сегментные сигналы. Для этого на вход V следует по­дать напряжение с уровнем логической 1. В обычном режиме работы микросхе­мы напряжение на этом входе равно 0. Для обеспечения управления ЖКИ, тре­бующим переменного напряжения, на вход V подается последовательность им­пульсов с частотой 64 Гц (см. § 8).

Микросхема К176ИЕ4 имеет еще два выхода, которые обозначены цифра­ми 4 и 10. Выход 4 (вывод 3) — выход четвертого разряда счетчика, который на схеме рис. 10,а обозначен Q4, а выход 10 (вывод 2) — это выход Q5 пос­леднего разряда счетчика. Изменения напряжений на этих выходах в процессе работы микросхемы приведены на рис. 10,6. Как видно, это одинаковые по форме и временным характеристикам сигналы, один из которых Q4 изменяет свой уровень с 0 на 1 после четвертого входного сигнала (именно на это ука­зывает цифра 4 на условном обозначении выхода), а другой Q5 — после пятого, так что взаимный сдвиг этих сигналов равен одному периоду повторения входных импульсов. Выход 10 используется для получения сигналов с частотой следова­ния в 10 раз меньшей, чем частота входных импульсов.

Для установки нулевого состояния счетчика необходимо на вход R подать напряжение высокого уровня, которое затем должно быть снято и при работе счетчика иметь уровень 0.

Микросхема К176ИЕЗ (рис. 12,а) по структурной схеме аналогична К176ИЕ4. Отличие состоит в том, что пятиразрядный счетчик (см. рис. 10,а) в процессе работы принимает шесть состояний из десяти возможных. Такой ре­жим счетчика обеспечен внутренними связями, исключающими четыре «лишних» состояния: после шестого входного импульса все триггеры в схеме счетчика сбрасываются в нулевое состояние. В результате на выходе 6 (вывод 2), кото­рый является выходом последнего триггера Q5, формируется импульсная по­следовательность с частотой повторения в шесть раз меньшей, чем частота входных сигналов (рис. 12,6). На выходе 2 (вывод 3), который является выхо­дом второго триггера Q2, получается последовательность импульсов с такой же, как на выходе 6, частотой повторения, но отличающихся по форме: на­пряжение на этом выходе изменяет свой уровень с 0 на 1 после второго импуль­са в каждой серии из шести импульсов на входе.

Сигналы с выходов 4 и 2 в микросхемах соответственно К176ИЕ4 и КД76ИЕЗ используются как сигналы ОС, устанавливающие счетчики единиц и десятков часов в нулевое состояние по достижению ими состояний, соответст­вующих 24 ч.

Микросхема К176ИЕ8 (рис. 13) состоит из пятиразрядного счетчика на основе рассмотренной схемы регистра (см. рис. 10,а) и дешифратора его со­стояний с десятичным выходным кодом: каждому из десяти состояний счетчика соответствует сигнал 1 на одном из выходов, обозначенных десятичными циф­рами от 0 до 9. Кроме выходов дешифратора у микросхем есть выход переноса Р (вывод 12), на котором выделяются импульсы, частота повторения которых в 10 раз меньше частоты входной последовательности сигналов.

Микросхема имеет три входа: для счетных импульсов — вход Т (вывод 14), для установки счетчика в нулевое состояние — вход R (вывод 15), для сигнала разрешения — инверсный вход V (вывод 13). Сигнал на входе V, имеющий еди­ничный уровень, переводит счетчик в режим хранения. Разрешающим является сигнал с уровнем 0.

Таким образом, рассмотренная микросхема может быть использована в ка­честве делителя на 10 с возможностью управления многокатодным газоразряд­ным индикатором, а также в качестве десятиканального распределителя им­пульсов. Широкое применение микросхем К176ИЕ8 находит в часах для реа­лизации блока программирования сигнального устройства (см. § 7). В таком качестве она использована в настольных электронных часах «Электроника 2-05» (см. § 11).

Рис. 13. Микросхема К176ИЕ8

Рис. 14. Счетчик с последовательным переносом:

а — функциональная схема, б — временные диаграммы

Счетчик с последовательным переносом строится на Г-триггерах соединени­ем прямого или инверсного выхода предыдущего триггера со счетным входом; последующего. Для реализации такого счетчика могут быть использованы как D-триггеры (К176ТМ1, К176ТМ2), так и JK-триггеры (К176ТВ1). Схема четы­рехразрядного счетчика на D-триггерах и временные диаграммы, иллюстрирую­щие ее работу, приведены на рис. 14. Для реализации этой схемы требуются две микросхемы К176ТМ1 или К176ТМ2.

Коэффициент (модуль) счета равен 2^п, где n — количество триггеров в схе­ме счетчика, т. е. его разрядность. Временные диаграммы показывают, что оп­рокидывание последующего триггера происходит всякий раз, когда состояние предыдущего триггера изменяется с 1 на 0. Сигналы, снимаемые с выходов Q1, Q2, Q3, Q4, имеют период повторения соответственно 2Т₀, 4Г₀, 8Г₀, 16Г₀, где То — период повторения входных сигналов.

Для дешифрования состояния счетчика используются все его выходные сиг­налы одновременно. В таком случае имеет значение, в каком режиме работает счетчик: суммирования или вычитания. В суммирующем счетчике (рис. 14) с приходом на вход Т очередного импульса результат счета в форме комбина­ции выходных сигналов Q4 (старший разряд), Q3, Q2, Q1 увеличивается на единицу. Например, после комбинации 0101, соответствующей десятичной циф­ре 5, следует комбинация 0110 (цифра 6).

Рис. 15. Микросхема К176ИЕ5: