2.2
Integrované logické obvody a jejich značení
Přibližně v polovině 60. let minulého století začala výroba dodnes nejrozšířenějších diskrétních integrovaných obvodů logických hradel pomocí tzv. technologie TTL (Transistor–transistor logic) [1], [5]. Ačkoliv jsou dnes integrované obvody TTL již obvykle nahrazovány pomocí programovatelných hradlových polí FPGA, CPLD apod., stále jsou pro realizace jednoduchých a nenáročných aplikací používány jako levná a dostupná varianta logických obvodů. Od konce 60. let se pak postupně začaly objevovat i integrované obvody vyráběné technologií CMOS (Complementary metal–oxide–semiconductor) [4]. Zatímco hradla technologie TTL jsou z hlediska konstrukce založena na polovodičových bipolárních tranzistorech, v hradlech CMOS se uplatnily unipolární tranzistory typu MOSFET (Metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) [3]. Bližší popis a charakteristiky těchto integrovaných obvodů přesahují již rámec tohoto textu, přesto je vhodné zde uvést základní schéma značení těchto integrovaných obvodů a systém jejich pojmenování pro doplnění praktických informací k realizaci logických obvodů.
+
10. Ukázka integrovaných logických obvodů
Obr. 10. Ukázka integrovaných logických obvodů
S postupným rozvojem integrace a s vylepšováním parametrů technologií výroby integrovaných obvodů TTL i CMOS byly postupně odvozovány nové a v různých ohledech vylepšené řady původních základních TTL a CMOS obvodů. Pro odlišení jednotlivých vývojových řad a z nich vycházejících parametrů bylo zavedeno jednotné schéma značení těchto obvodů pro usnadnění jejich zařazení do katalogů elektronických součástek a použití v praxi. Rovněž vlastní typ integrovaných hradel či obvodů v daném pouzdře je předmětem schématu značení a pojmenování obvodů. Uvedeme si zde alespoň základ tohoto značení pro doplnění přehledu praktické realizace logických obvodů pomocí integrovaných logických hradel.
2.2.1
TTL obvody řady 7400, 5400 a 8400
Pro integrované obvody typu TTL byl vytvořen následující systém značení.
  1. Označení výrobce. Např. pro výrobce TESLA je zkratka MH, UCY a UCA pro výrobce Unitra, CEMI, SN či SNV používá firma Texas Instrument, M značí výrobce ST Microelectronics, DM používá výrobce National Semiconductor, MC pak Motorola atd.
  1. Označení teplotního rozsahu použitelnosti integrovaného obvodu. Základní řadou je tzv. 7400, která je určena pro běžné aplikace a umožňuje použití int. obvodů v rozsahu teplot 0–70 °C. Řada 5400 je označována jako tzv. military, s pracovním rozsahem teplot -55–125 °C a řada 8400 je určena pro průmyslové aplikace s rozsahem teplot -25–85 °C.
Zajímavost
V současné době řada výrobců již nedodržuje konvenci ve značení zkratky výrobce a teplotního rozsahu, pro který je integrovaný obvod určen. Například výrobce Texas Instruments místo rozlišení řad 7400 a 5400 používá písmenné odlišení – SN pro jím vyráběné řady 7400 a SNV pro řady 5400. Známý výrobce Fairchild Semiconductor používá pro označení svých int. obvodů zkratky MM nebo DM nebo dokonce žádnou zkratku apod.
  1. Vývojová řada TTL. První vyráběné int. obvody TTL nebyly nijak označeny, s postupem vývoje v různých ohledech vylepšených TTL obvodů byly do schématu názvů přidávány zkratky pro jejich rozlišení, např. tedy:
    • L – Low power TTL,
    • H – High speed TTL,
    • S – Schottky TTL,
    • LS – Low power Schottky TTL,
    • AS – Advanced Schottky TTL,
    • ALS – Advanced low power Schottky TTL,
    • F – Fast TTL.
  1. Typ integrovaných logických hradel (obvodů). Dvojčíslí či trojčíslí za zkratkou TTL řady určuje, jaká logická hradla (obvody) daný integrovaný obvod obsahuje. Vzhledem k tomu, že pro realizaci logických funkcí a obvodů se využívají s výhodou zejména hradla typu NAND a NOR (vysvětlení dále), případně negace (invertor), je řada integrovaných obvodů vybavena právě těmito hradly v nejrůznějších modifikacích (s různými počty vstupů, tzv. hradla s otevřeným kolektorem, s uvolněním apod.). Nalezneme však i integrované obvody s hradly AND, OR či XOR. Dále jsou často využívány tzv. klopné obvody D a JK pro realizaci sekvenčních logických obvodů (viz text „Sekvenční logické obvody, klopné obvody a stavové automaty“), ale existují integrované obvody s již integrovanými čítači, multiplexory, posuvnými registry, kodéry a dekodéry různých binárních kódů, paměťmi typu RAM, sčítačkami apod. Přehled alespoň několika málo nejpoužívanějších obvodů s jejich značením obsahuje tabulka 4.
Tabulka 4. Příklad značení několika ukázkových typů integrovaných obvodů z řady TTL
Číselná kombinace
Typ a počet integrovaných logických hradel (obvodů)
00
4x 2vstupé hradlo NAND
01
4x 2vstupé hradlo NAND s otevřeným kolektorem
02
4x 2vstupé hradlo NOR
04
6x invertor
08
4x 2vstupé hradlo AND
10
3x 3vstupé hradlo NAND
11
3x 3vstupé hradlo AND
16
6x invertor s otevřeným kolektorem
20
2x 4vstupé hradlo NAND
27
3x 3vstupé hradlo NOR
30
1x 8vstupé hradlo NAND
32
4x 2vstupé hradlo OR
48
dekodér BCD kódu na 7 segmentů
69
2x 4bitový binární čítač
70
klopný obvod JK
78
2x klopný obvod JK
94
4bitový posuvný registr
118
6x klopný obvod RS
135
4x 2vstupé hradlo XOR
151
8vstupý multiplexor
200
Paměť RAM 256 x 1 bit
  1. V názvu integrovaného obvodu se pak mohou doplňkově vyskytovat ještě 2 parametry. Tzv. spolehlivost (S) a datum výroby integrovaného obvodu.
    • S v názvu int. obvodu za číselnou kombinací – měřená a garantovaná spolehlivost,
    • S v názvu int. obvodu bezprostředně za číselnou kombinací není – standardní (negarantovaná spolehlivost).
Poznámka
Údaj o spolehlivosti a datu výroby integrovaného obvodu se v katalogu obvykle neuvádí, můžeme je však někdy najít natištěné přímo v názvu na pouzdře daného integrovaného obvodu.
Výsledné označení daného integrovaného obvodu pak vznikne jednoduše spojením výše uvedených částí v daném pořadí. Pro ukázku si můžeme uvést několik příkladů:
  • MH 74LS00 – integrovaný obvod TTL od výrobce Tesla, TTL řady Low power Shottky určený pro standardní aplikace (pracovní rozsah teplot 0–70 °C) a obsahující 4 2vstupá hradla NAND.
  • SN 54AS10S – integrovaný obvod TTL od výrobce Texas Instrument, TTL řady Advanced Schottky TTL, určený pro military sektor (rozsah pracovních teplot -55–125 °C) s garantovanou spolehlivostí a obsahující 3 3vstupá hradla NAND.
2.2.2
CMOS řady 4000 a 74C00
Stejně jako v případě integrovaných obvodů TTL, i pro integrované obvody typu CMOS bylo vytvořeno schéma jednotného značení.
První komerčně vyráběné CMOS integrované obvody dostaly označení řada 4000. Tyto obvody lze však stále zakoupit, a proto se o nich stručně zmíníme. Obdobně jako v případě TTL řad 7400 (5400, 8400) označení CMOS řady 4000 používá systém parametrů pro pojmenování a odvození konkrétních vlastností.
  1. Zkratka výrobce obvodu. Opět se využívají stejné zkratky jako v případě TTL obvodů, např. MH (Tesla), CD (Texas Instruments) apod.
  1. Teplotní rozsah aplikace obvodu. Pro jeho specifikaci slouží dvojice písmen:
    • B – běžné aplikace s rozsahem teplot 0–70 °C,
    • F – průmyslové aplikace s rozsahem provozních teplot -40–85 °C.
  1. Číselný kód určující typ integrovaných logických hradel či obvodů. Stejně jako v případě TTL řad i pro CMOS vznikla řada int. obvodů obsahujících různé typy hradel a obvodů. Opět jen několik vybraných uvádí tabulka 5.
Tabulka 5. Příklad značení vybraných typů integrovaných obvodů z řady CMOS 4000
Číselná kombinace
Typ a počet integrovaných logických hradel (obvodů)
00
4x 2vstupé hradlo NOR
02
2x 4vstupé hradlo NOR
11
4x 2vstupé hradlo NAND
12
2x 4vstupé hradlo NAND
13
2x klopný obvod D
24
7bitový binární čítač
30
4x 2vstupé hradlo XOR
35
4bitový posuvný registr
  1. Doplňkově lze uvést datum výroby
Příkladem značení int. obvodu v katalogu součástek pak může být např.:
  • MHB4011 – integrovaný obvod CMOS řady 4000 od výrobce Tesla určený pro běžný teplotní rozsah (0–70 °C) a obsahující 4 2vstupá hradla NAND.
Definice
Obvody TTL řad 7400, 5400, 8400 a obvody CMOS řady 4000 jsou navzájem vývodově nekompatibilní! Ačkoliv pouzdra obvodů, jejich provedení, dokonce i rozměry a rozteče vývodů mohou být shodné a tudíž zaměnitelné, tyto řady nejsou navzájem vývodově kompatibilní! To znamená, že při výměně integrovaného obvodu z řady TTL za funkčně shodný z řady CMOS 4000 je nutno přepracovat způsob jeho zapojení. Pro ukázku uvádí obrázek 11 k porovnání schéma vnitřního uspořádání int. obvodu TTL 74LS00 a obvodu CMOS CD4011. Z obrázku je zřejmé, že vývody některých logických hradel jsou navzájem zapojeny odlišně z hlediska integrovaných hradel a jejich vstupů a výstupů pouzdra.
+
11. Vzájemné porovnání vývodů int. obvodů 74LS00 a CD4011
Obr. 11. Vzájemné porovnání vývodů int. obvodů 74LS00 a CD4011
Pro odstranění tohoto problému došlo k přepracování vývodů int. obvodů CMOS. Takto nově upravené int. obvody CMOS byly posléze zahrnuty do původních řad TTL obvodů 7400 a 5400 (řada 8400 se v praxi nepoužívala).
2.2.3
CMOS řady 74C00, 54C00
Aby bylo možno v řadách int. obvodů 7400, 5400 a 8400 rozlišit, který int. obvod je realizován technologií TTL a který technologií CMOS, bylo do označení pro obvody CMOS 7400 doplněno písmeno C do jejich číselného značení.
I v případě CMOS int. obvodů probíhal postupně vývoj zlepšující jejich konkrétní vlastnosti a stejně jako v případě TTL obvodů, i pro potřeby značení CMOS int. obvodů bylo nutno doplňovat písmenným označením příslušnost daného obvodu ke konkrétní vývojové řadě.
Definice
Již zmíněná vývodová nekompatibilita původních pouzder řady CMOS 4000 není však jedinou nekompatibilitou mezi TTL a CMOS technologiemi. Dalším rozdílem jsou odlišné hodnoty napájecího napětí Vcc použité pro obě technologie (a jejich vývojové řady) a odlišné hodnoty napěťových úrovní přiřazených k hodnotám logická 1 a logická 0. Aby bylo možno odstranit i tuto vzájemnou nekompatibilitu, byly v rámci CMOS int. obvodů upraveny vývojové řady tak, aby bylo možno pro tyto int. obvody přímo použít napěťové úrovně z TTL obvodů. Tím vznikly skutečně CMOS int. obvody plně kompatibilní s TTL. Pro jejich odlišení od TTL nekompatibilních obvodů je vloženo do označení takovýchto obvodů písmeno T na konec písmenné zkraty určující vývojovou řadu CMOS int. obvodu.
Z nejvýznamnějších vývojových řad CMOS technologie lze uvést např.:
  • H – High speed,
  • A – Advanced,
  • AH – Advanced high speed,
  • ALV – Advanced low voltage,
  • F – Fast,
  • VH – Very high speed.
Po doplnění výše uvedených písmen C a T do názvů CMOS 7400, 5400 a 8400 řad lze například uvést int. obvody:
  • MH 74HC00 – CMOS int. obvod řady 7400 od výrobce Tesla, z řady High speed CMOS, s napěťovými úrovněmi nekompatibilní s TTL úrovněmi a obsahující 4 2vstupá hradla NAND.
  • CD 74ACT10 – CMOS int. obvod řady 7400 vyrobený v Texas Instruments, řady Advanced CMOS, napěťově kompatibilní s TTL úrovněmi a obsahující 3 3vstupá NAND hradla.