Железо - Исследуем микросхему К561ТЛ1. .

 К561ТЛ1

   Это 4 элемента 2И-НЕ с триггерами Шмит-
та на входах. Последнее  и отличает работу
этой микрухи от всем известной логики И-НЕ
той же К155ЛА3.
   Триггер  Шмитта  меняет  свое состояние
(и, соответственно, сигнал на выходе) рез-
ко - при плавном изменении сигнала на вхо-
де в определенных пределах - у границы пе-
реключения. Таким образом, переключиться в
логический  0 триггер сможет, если входной
сигнал опустится до уровня равного или ни-
же Ul0 - границы переключения низкого уро-
вня,а переключиться в логическую 1 сможет,
если  входной  сигнал поднимется до уровня
равного  или больше Ul1 - границы переклю-
чения высокого уровня.
   Уровень  Ul1, разумеется,  выше  уровня
Ul0, и если  составить  график зависимости 
между входным и выходным напряжением триг-
гера  Шмитта, получится  петля - так назы-
ваемый "гистерезис" (в отличие от простого
элемента  с характеристикой в виде линии).
Петлю  иногда изображают в логических эле-
ментах с триггером Шмитта. При уровне сиг-
нала больше  Ul0, но меньше Ul1 триггер не
переключается, сохраняя прежнее состояние.
Благодаря  такой  холостой зоне помехи при
плавном изменении  сигнала исключены. Т.е.
при  том  ничтожном  уровне помех, которые
обычно  воздействуют  на  любой сигнал (на
уровне десятков мВ), они не могут изменить
состояние  триггера (их  амплитуда гораздо
меньше  ширины холостой зоны). Если только
входной сигнал не находился слишком близко
к границе переключения, и тем самым вероя-
тность полезного переключения была высока.
И в случае  переключения  под воздействием
помехи  оно будет равновероятным (с полез-
ной точки  зрения) и однократным, т.к. для
другого переключения сигналу придется пре-
одолеть  всю  ширину холостой зоны - много
большую уровня помех.
   Поскольку диапазон питания микрухи от 3
до 15 В, границы  переключения также зави-
сят от питания (почти линейно), и считает-
ся, что Ul0 примерно равна одной трети Ucc
(напряжения питания), т.е.ниже половины, а
Ul1 примерно  равна двум третям Ucc - т.е. 
больше  половины  питания. Хотя обычно так
обозначают допустимые пределы уровней КМОП
- технологии,а не границы триггера Шмитта.
Источники  информации  не  вполне коррект-
ны...
   Лично меня интересовал потребляемый ток
(когда делал амиговскую мышь для Speccy ).
Понятно, что он зависит от входного напря-
жения, и я  провел  несколько  опытов  для
определения   максимальной   прожорливости
К561ТЛ1. Данные держал в уме, и после сбо- 
рки мыши  просто забыл. Когда собрался пи-
сать статью - повторил опыт, но уже  с им-
портным аналогом  MC14093BCP, и заподозрил
разницу (хотя  для схемы мыши несуществен-
ную). Когда  появилась К561ТЛ1, решил пол-
ностью разобратся с этим вопросом. В итоге
появился скрин и этот текст.
   Заодно решил вписать  в экран график из
журнала  РАДИО 6/90, хотя  подозревал, что
он неверен (при низком питании граница Ul1
снижалась ниже  половины питания). Еще там
печатали сомнительную информацию об инвер-
тирующем триггере Шмитта. Выходило так,что
это 4 триггера  Шмитта  с логикой 2И-НЕ, и
можно  было  предположить  его однократное
переключение,если на один вход подали 0 (а
второй  уже не прореагирует - согласно ло-
гике элемента). Хотя  сам  по себе триггер
Шмитта  не связан  с какой-либо  логикой -
это  простое устройство, со входом и выхо-
дом.





























 

         В итоге выяснил следующее.

   Как и все микрухи 561 серии,эта не пот-
ребляет входной ток (разумеется, не считая
токи утечки) и потребляет  ничтожно  малый
ток питания (я не стал мерять это позорное
значение), если входные сигналы близки к 0
или напряжению питания. Разумеется, выходы
я ничем  не нагружал, а подключался  к ним
цифровым мультиметром M832 (входное сопро-
тивление 1 МОм - нагрузка  близка  к токам
утечки, можно не учитывать).
   Этим же прибором я иногда контролировал
питание микрухи (выставив его на лаборато-
рном блоке равным 5.03 В), но в основном я
мерял им входное напряжение, а именно нап-
ряжение,поступающее с делителя - многообо-
ротного  резистора  10 кОм, шунтированного
конденсатором от помех. Это позволяло при-
близиться к границам срабатывания триггера
достаточно  близко, чтобы утверждать об их
значении.
   Если был делитель,как же я мерял ток? А
очень  просто: непосредственно  от 7 ножки
панельки  через другой прибор на минус пи-
тания. Этим  прибором был Ц20-05. При неу-
добстве  использования  (набор  гнезд), он
обладает большой чувствительностью (собран
на операционном усилителе) и почти не вли-
яет на измеряемую цепь. Где бы еще тестеры
поверить? Могу лишь утверждать, что макси-
мальная погрешность напряжений была меньше
5%, а токов меньше 8%. Питание микрухи со- 
ставляло 5 В +- 0.02 В. Температура в ком-
ноте 22 градуса (возможен слабый дрейф па-
раметров микрухи от температуры).
   Сперва я решил проверить один вход. По-
дал на него напряжение с делителя, а оста-
льные, для исключения влияния, подключил к
плюсу  питания. При приближении к границам
переключения (к  Ul0, если триггер был пе-
реключен в 1, и к Ul1, если в 0) потребля-
емый ток возрастал (т.к.росли коммутацион-
ные токи), достигая максимального значения
на границе переключения, и сразу после пе-
реключения  резко падал до небольшого зна-
чения - т.к.входное напряжение заметно от-
личалось от 0 и напряжения питания.
   Я  вращал  делитель в обратную сторону,
приближаясь  к противоположной границе, на
которой процесс повторялся: сперва ток во-
зрастал, затем триггер переключался, и ток
резко  падал. Несколько раз аккуратно под-
бираясь к границам,я записал их напряжения
и сопутствующий ток потребления. Потом по-
ставил импортную микруху и повторил экспе-
римент. Результат сильно отличался по току
(пришлось  поменять  диапазон  у тестера).
Затем  я переключил неиспользуемые входы с
плюса на минус,выходы при этом безвозврат-
но переключились в единицы,и повторил экс-
перимент с тем же входом и обоими микруха-
ми. Согласно журналу РАДИО, вход не должен
был переключать триггер (раз  элемент  уже
переключил выход в 1 ).
   Да,конечно,на выходе всегда была 1. Но!
Все мои измерения  повторились без измене-
ний. Переключение триггера  было  видно по
резкому спаду тока на привычных границах.
 

   Максимальный ток,потребляемый триггером
Шмитта на входе элемента (одним триггером/ 
входом, соответственно), при соответствую- 
щих  порогах  переключения, измеренный при 
питании  Ucc=5В, выходах  без  нагрузки  и 
других входах,подключенных к плюсу или ми- 
нусу питания: 
 

     Отечественная микросхема К561ТЛ1

Ul0=2.14В Icc=0.3мА, Ul1=3.17В Icc=0.41мА 
 

  Импортный (MOTOROLA) аналог MC14093BCP

Ul0=1.98В Icc=0.11мА, Ul1=3.21В Icc=0.11мА 
 

   Я уверен, что  это  именно ток триггера
Шмитта, а не логического элемента И-НЕ, т. 
к. на элемент от триггера приходят готовые 
логические уровни, равные 0 или напряжению 
питания,и,как всегда в таких случаях,скво- 
зной ток отсутствует. Конечно,в момент пе- 
реключения элемент потребляет определенный 
ток, но  лишь очень короткое время - время 
переключения, его даже не измерить простым 
способом. В остальное время (а его больши- 
нство) можно считать, что элемент не берет 
энергию (в отсутствие нагрузки, конечно). 

   Я измерил ток потребления одним тригге-
ром (а их,как и входов, 8 ), и можно прос-
тым умножением на 8 вычислить максимальный
ток,потребляемый микросхемой без нагрузки,
при  питании 5В. Но возможен разброс пара-
метров  разных входов, и я решил это выяс-
нить.Для этого подключил все входы вместе,
к делителю,и повторил эксперимент для обе-
их микросхем.
   К порогам переключения приближался осо-
бенно осторожно,т.к.у некоторых входов они
могли  быть раньше известных мне значений.
Я наблюдал, как  значение  тока  растет  и
вблизи границы резко падает назад. Записы-
ваю  это  напряжение  переключения и осто-
рожно  перехожу  границу - еще один резкий
спад, снова записываю. Дальнейшее движение
за  границей  приводит к плавному снижению
потребляемого тока.
   Следовательно, все  триггеры уже перек-
лючились. Двигаюсь обратно,к другой грани-
це. Все повторяется,триггеры переключаются
за 2 - 3 резких спада тока, в узком диапа-
зоне изменения входного напряжения. Теория
умножения на 8 по сути  подтвердилась. А у
импортной  микросхемы оказался столь боль-
шой (относительно  нашей) разброс Ul0 вхо-
дов, что я (по  стрелке тестера - амперме-
тра) наблюдал все  8 спадов - переключений
триггеров на входах. Повторил пару раз эк-
сперимент и скорректировал измеренные зна-
чения.
 

   Максимальный ток,потребляемый микросхе-
мой без нагрузки, при Ucc=5В  и при напря- 
жении на всех входах, равном: 

     Отечественная микросхема К561ТЛ1

Ul0=2.16В Icc=2.5мА, Ul1=3.17В Icc=3.4мА 
Указаны  границы, при которых триггеры еще 
не переключились.А полностью переключились 
(все) при: Ul0=2.13В, Ul1=3.19В. 
 

  Импортный (MOTOROLA) аналог MC14093BCP

Ul0=2.04В Icc=0.83мА, Ul1=3.21В Icc=0.88мА 
Указаны  границы, при которых триггеры еще 
не переключились.А полностью переключились 
(все) при: Ul0=1.91В, Ul1=3.25В. 

   По результатам опытов можно сказать,что
каждый вход микросхемы снабжен независимым
триггером Шмитта, максимально потребляющим
энергию  на границе  переключения (у наших
микрух на границе Ul1, у данного импортно-
го аналога на любой границе), и, не считая
нагрузки  на  выходе  микросхемы, этот ток
потребления является основным. Это немного
опровергает информацию из журнала РАДИО, с
некорректно описанным элементом микрухи.
   Анализируя  границы переключения, можно
сказать, что они (при Ucc=5В) лежат по обе
стороны от половины  питающего напряжения,
и Ul0 немного  больше трети питания, а Ul1
чуть меньше двух третей  питания. Это ука-
зывает  на неточность в графике из журнала
(заниженное  значение Ul1 ). Скорее всего,
редакция просто переписала сведения, прис-
ланные  им от одного из читателей, не про-
верив. Человек  мог  не учесть погрешность
при  измерении, вносимую прибором в напря-
жение  делителя (тогда  приборы были более
простыми и менее чувствительными).Впрочем,
есть вероятность,что изготавливаемые тогда
микрухи  отличаются от теперешних, в чем я
сомневаюсь.
   Однако  разница между приведенными мик-
росхемами - очевидна. Несмотря  на похожие
значения  Ul1, у  них  заметно  отличается
Ul0, и ассиметрия тока на границах у нашей 
микрухи  перед симметрией тока у импортной
указывает на разную схему триггера Шмитта.
Большая  разница в токе может указывать на
различие в технологии производства микрос-
хем (как  и буквы BCP у названия аналога).
Но, возможно,причина в блочной,стандартной
структуре  нашей  микрухи. Ее триггеры (их
выходной каскад) рассчитаны на стандартную
КМОП нагрузку,а не на один вход внутри ми-
кросхемы. Поэтому такие прожорливые, а им-
портный триггер пересчитан с учетом после-
дующей единичной нагрузки.
   Несмотря   на  относительную  прожорли-
вость, нельзя сказать, что наша микросхема
хуже.Она даже более чувствительна к сигна-
лу (напряжения Ul0 и Ul1 ближе друг к дру-
гу, чем у импортной), и это маленький плюс
для использования в мышке. Кстати,максима-
льный  потребляемый  ток микросхем немного
больше указанного (т.к. границы срабатыва-
ния соответствовали самому чувствительному
входу, остальные  были не на пределе, и их
потребляемые токи были ниже предельных),но
действительно максимальные токи,наверно,не
более: 2.6мА (при Ul0 ), 3.5мА (при Ul1) -
К561ТЛ1; 0.9мА (Ul0 или Ul1) - MC14093BCP. 
А с учетом  разброса  исполнения, не более
3 - 4 мА у нашей и 1 мА у импортной микру- 
хи. При расчете универсальных схем,без до-
стоверных сведений (не под конкретную, ис-
пытанную микруху) я обычно удваиваю  изве-
стное (измеренное) значение  потребляемого
тока.
   Я полагаю,что токи импортной микрухи на
границах почти равны (это следует из изме-
ренных  значений). Несмотря  на  разницу в
0.05 мА, порог Ul0 у триггеров был с разб- 
росом почти в 0.13 В, что и объясняет раз-
ницу тока при Ul0 и Ul1. Разброс,очевидно,
допустимый, т.к.небольшой относительно пи-
тания 5В, но это маленький минус.А вот бО-
льшая симметрия  токов и напряжения границ
- маленький  плюс. Нашу микруху характери-
зует ничтожный разброс на границах - приз-
нак высокой точности исполнения (но,навер-
ное, технология не столь миниатюрная,и по-
тому проще повторить).
   Осталось  отметить  кратность тока. Она
почти равна 8 - доказывая количество и не-
зависимость триггеров. Но у импортной мик-
росхемы по Ul1 действительно 8:  0.11мА*8=
=0.88мА. И по Ul0, с учетом  разброса, это 
тоже  так. У  нашей  микрухи токи немножко
выше расчетного,8-кратного,значения.Возмо-
жно, это всего лишь из-за разброса тригге-
ров по току,а возможно,на границе переклю-
чения  выходное напряжение триггеров заме-
тно отличается  от 0 и напряжения питания,
провоцируя слабый ток утечки через логиче-
ский элемент. Последнее обстоятельство яв-
ляется маленьким минусом (возможно,немного
снижает нагрузочный ток логического элеме-
нта  на  пороге переключения), и на всякий
случай надо это учесть.
 

             Итог сравнения.

   Обе  микрухи достойны своего назначения
и с успехом могут  использоваться в мышке.
Наш чип чуть более чувствительный по вход-
ным  уровням  и  более  точный по границам
срабатывания, но прожорливый  по току. Им-
портный чип экономичен и более симметричен
по уровням  и потребляемому току, но с за-
метным  разбросом по уровню переключения в
логический 0.

                         By KSA-7G 11.2003