4000-es sorozat

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Egy nagyon korai, RCA gyártmányó CD4029 számláló IC.

A 4000-es sorozat egy szabványos integrált áramkör-családot jelöl, amelyek áramkörei változatos logikai funkciókat valósítanak meg CMOS technológiával. Ezek az áramkörök a mai napig használatban vannak. Az RCA vezette be 1968-ban, CD4000 COS/MOS elnevezés alatt, a TTL logikájú 7400-as sorozatban található logikai csipek alacsonyabb fogyasztású és sokoldalúbb alternatívájaként.[1]

A sorozat megjelenése óta eltelt időben majdnem minden IC gyártó készített ebből a sorozatből való áramköröket. Az RCA egy időben COSMOS elnevezés alatt hirdette ezeket a termékeit, amely a COmplementary Symmetry Metal-Oxide Semiconductor rövidítése (kb. komplementer szimmetriájú fém-oxid félvezető). Az elnevezési rendszer az RCA-nál megszokott konvenciót követte, amelyben a CA az analóg, CD a digitális áramköröket jelezte, és eltért a Texas Instruments SN7400 sorozat számozási rendszerétől.

CD4007 IC szerelőlapon

A 4000-es sorozat előnye a kisebb elektromos fogyasztás, a nagyobb felhasználható feszültségtartomány (3-tól 15 V-ig), és az áramköri tervezés egyszerűsége, a meghajtóképesség (kimeneti terhelhetőség, fan-out) köszönhetően. Mindamellett kisebb sebességük (kezdetben 1 MHz körüli működés, a bipoláris TTL áramkörök 10 MHz-ével összehasonlítva) a statikus vagy kis sebességű kialakításokra korlátozta ezek felhasználását. Az újabb gyártási technológiák megoldották a sebességi problémákat, miközben megtartották a visszafelé való kompatibilitást a korábbi áramköri tervek többségével. Bár minden félvezető érzékeny az elektrosztatikus kisülésekre, a CMOS áramkörök magasabb bemeneti impedanciája a bipoláris tranzisztoros, TTL eszközöknél ellenállóbbá teszi ezeket. Végül a CMOS előnyei (különösen a későbbi sorozatokban, mint pl. a 74HC) kiszorították a régebbi TTL csipeket, ezzel egyidőben viszont a rohamosan fejlődő LSI technikák a moduláris csiptervezési megközelítést szorították ki a használatból. A 4000-es sorozatot a mai napig széles körben használják, bár talán jelentősége kisebb, mint két évtizeddel ezelőtt.

A sorozatot újabb funkciókat megvalósító elemekkel bővítették az 1970-es és 1980-as évek végén, vagy a meglévő csipek funkcióit jobban ellátó változatokkal. Az újabb csipek többsége már 45xx vagy 45xxx jelölést kapott, de még mindig a 4000-es sorozathoz tartozó áramköröknek számítanak.

Az 1990-es években néhány gyártó, pl. a Texas Instruments, a 4000-es sorozat elemeit a saját újabb HCMOS technológiájával kezdte gyártani (adaptálta a 4000-es sorozatot az újabb HCMOS technológiához), így jelentek meg pl. a 74HCT4060 csip, amely az eredeti 4060-as IC-vel megegyező funkciót lát el, csak sokkal nagyobb sebességgel.

A 4000-es sorozat áramköreit űreszközökben, műholdakban is használták évtizedeken keresztül.[2][3]

Tervezési megfontolások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az eredeti 4000-es sorozatban az áramköröknek pufferelt és nem pufferelt be és kimenetű változataik voltak. A pufferelt kimenetek több áramot szolgáltathatnak vagy nyelhetnek el, mint a nem pufferelt kimenetek, ami bizonyos kialakításokban szükségtelenné teszi a diszkrét kapcsolótranzisztorokat. A pufferelt változatok gyorsabb kimeneti kapcsolási idővel is rendelkeztek, mivel a jel felfutási ideje a pufferelt kimeneti állapotban gyorsabb, mint egy nem pufferelt eszközben. A terjedési késés (propagation delay) a pufferelt változatokban nagyobb, mint a kiegészítő áramköröké.[4][5] A pufferelt eszközök hajlamosabbak a kimenet oszcillációjára a lassan változó bemenetek mellett. A tervezőknek meg kell fontolniuk a választást a pufferelt és nem pufferelt összetevők között, a tervezett eszköz tulajdonságait figyelembe véve. A kiegészítő bemeneti és kimeneti kapuk a pufferelt alkatrészekben csökkentik az elektrosztatikus kisülésre (ESD) való érzékenységet is.

Habár az eredeti jelölésben megkülönböztették a pufferelt és nem pufferelt alkatrészeket ('A' vagy 'B' utótaggal, pl. 4000A = nem pufferelt, 4000B = pufferelt), néhány gyártó, így pl. a Texas Instruments később ezt megváltoztatta UB (unbuffered) és B (buffered) jelölésre (pl.: 4000UB és 4000B).

Az alábbi rajzok mutatják a szerkezeti különbségeket az egyszerű pufferelt és nem pufferelt kialakítás között egy CMOS NOR logikai kapu példáján. Megfigyelhető, hogy a pufferelt alkatrész magjában található kapu valójában egy NAND kapu, de az teljes áramkör végső funkciója ténylegesen a NOR kapu működését mutatja, a pufferek által elvégzett logikai inverziók miatt (a negált NAND negált bemenetekkel megegyezik a NOR funkcióval, a Boole-algebra De Morgan-azonosságainak megfelelően). A bemeneti megfogódiódák az ESD elleni védelmet szolgálják.

A 4000-es sorozat lehetővé teszi kész „receptek” használatát a tervezésnél, amelyben a szabványos áramköri elemek egyszerűen készíthetők, megoszthatók és egymáshoz kapcsolhatók, illesztési problémák nélkül, vagy csak minimális korrekcióval. Ez nagy mértékben gyorsítja az új hardver tervezését és növeli a korábbi tervek felhasználhatóságát, standard lépések bevezetésével. Ezzel ellentétben, pl. a TTL áramkörök, amelyek hasonlóan modulárisak, sokkal figyelmesbb illesztéseket igényeltek, korlátozottabb meghajtóklpességükből kifolyólag, bár a későbbi áramkörcsaládokban, pl. a 74LS sorozatban a fanout mértéke akár a 20-at is elérhette. Ez az LSI tervek prototípusainak 4000 sorozatú csipekkel való elkészítését is könnyítette.

A CMOS csipekkel való tervezés további gondosságot igényel. Sok alkatrész több logikai kaput tartalmaz egy tokon belül és általános a helyzet, mikor nincs szükség mindegyikre ezek közül. A lekötetlen lábak, bemenetek hibás működést okozhatnak, ui. a be nem kötött bemenetek a kapukat egy olyan állapotba húzzák, amelyek esetén a kimenetek részlegesen vezetővé válnak, emiatt a kimeneti puffer nagy áramot fogyaszt, mivel nincs se ki sem pedig bekapcsolva, és alacsony ellenállást képez az áramkörben a tápvezetékek között.

Példák általános 4000 sorozatú csipekre[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • 4000 - Kettős 3 bemenetű NOR kapu és inverter
  • 4001 - Négy 2 bemenetű NOR kapu
  • 4002 - Két 4 bemenetű NOR kapu
  • 4008 - 4 bites teljes összeadó
  • 4010 - hat nem-invertáló puffer
  • 4011 - Négy 2 bemenetű NAND kapu
  • 4017 - Dekád számláló / Johnson számláló
  • 4511 - BCD 7 szegmenses kijelző LED meghajtó

Nevezetes alkatrészek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Néhány alkatrész különösen jelentős a 4000-es sorozatban, ezeknél az integráció foka nagyobb, a többi csippel összehasonlítva. Az alábbi lista nem teljes, csak példákat mutat a sorozatból. Egyes analóg jelkapcsoló eszközök (mint a 4066, és a 4051-től a 4053-ig) továbbra is népszerűek bizonyos audio-kapcsolásokban, bár újabban sokkal alacsonyabb torzítású nem 4000-es sorozatú IC-k is megjelentek.

4017 dekád számláló[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A 4017 IC egy 16 lábú CMOS dekád számláló a 4000-es sorozatból. Bemenete órajelimpulzusokat fogad, és tíz kimenetének egyike sorban egymás után bekapcsolt állapotba kerül minden egyes órajelimpulzus hatására.

Bekötés
A 4017 bekötése
Láb száma név rendeltetés
1 6 6. szekvenciális kimenet
2 2 2. szekvenciális kimenet
3 1 1. szekvenciális kimenet
4 3 3. szekvenciális kimenet
5 7 7. szekvenciális kimenet
6 8 8. szekvenciális kimenet
7 4 4. szekvenciális kimenet
8 0 V, VDD 0 V vonalhoz csatlakozás
9 9 9. szekvenciális kimenet
10 5 5. szekvenciális kimenet
11 10 10. szekvenciális kimenet
12 CO Carry out kimenet - magas jelet ad a 0-tól 4-ig terjedő számlálóértékeknél,
alacsonyat 5-től 9-ig (9–0 átmenetnél magasra vált)
13 LE Latch enable - lezárja a kimenetet, ha magas,
tehát a csip csak akkor számol, ha a LE alacsony
14 CLK Clock in – órajelbemenet
15 RST Reset - a reset jel magas értékénél az 1. kimenetet magasra,
a 2–10 kimeneteket alacsonyra állítja
16 +9 V, VCC +VCC csatlakozás (+3 V és +15 V között lehet)

Példa: elektronikus rulett[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektronikus rulett kapcsolási rajza

A kapcsolási rajz jobbra mutatja, hogyan készíthető egy egyszerű rulett-szerű játék egy 4017 dekádszámláló áramkörrel és egyéb alkatrészekkel. A változtatható ellenállás vezérli a pörgetés sebességét.

4026 számláló és megjelenítő-dekódoló[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A 4026 IC egy 16 lábú CMOS hétszegmenses számláló a 4000-es sorozatból. Megszámolja a beérkező órajelimpulzusokat és a kimenetre olyan jeleket as, amelyek egy hétszegmenses kijelzőt vezérelhetnek. Ezzel elkerülhető a binárisan kódolt decimális értékről a hétszegmenses kijelző kódolására szolgáló bonyolult átalakítóáramkör, és a 0-tól 9-ig terjedő számjegyek egyszerűen megjeleníthetők.

Bekötés
A 4026 bekötése
Láb száma név rendeltetés
1 CLK Clock in – órajelbemenet
2 CI Clock inhibit – ha alacsony, az órajelimpulzus növeli a hétszegmenses értéket
3 DE Display enable – ha magas, a csip kimenetére teszi a hétszegmenses értéket,
tehát ha alacsony, akkor hétszegmenses kijelző ki van kapcsolva,
ez csökkenti a fogyasztást: a számnak nem kell folyamatosan világítania
4 DEO Display enable out - 4026-osok egymás után kötésére szolgál
5 CO Carry out output – 9–0 átmenetnél magas; az órajel 1/10 frekvenciája
jelenik meg ezen, több számjegyű számláláshoz több 4026-ossal
6 F kimenet a hétszegmenses kijelző F bemenetéhez
7 G kimenet a hétszegmenses kijelző G bemenetéhez
8 VDD 0 V vonalhoz
9 D kimenet a hétszegmenses kijelző D bemenetéhez
10 A kimenet a hétszegmenses kijelző A bemenetéhez
11 E kimenet a hétszegmenses kijelző E bemenetéhez
12 B kimenet a hétszegmenses kijelző B bemenetéhez
13 C kimenet a hétszegmenses kijelző C bemenetéhez
14 UCS Ungated C-segment – kimenet a hétszegmenses kijelző C bemenetéhez,
amelyre nincsenek hatással a DE bemenetek.
A kimenet magas, kivéve ha a számláló 2, amikor alacsonyra vált.
15 RST Reset - ha magas, minden kimenetet alacsony állapotba visz
16 VSS +9 V vonal

4511 BCD-ről hétszegmenses kijelzőre dekódoló[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A 4511 IC egy 16 lábú CMOS BCD-ről hétszegmenses kijelzőre alakító dekódolóáramkör a 4000-es sorozatból. Bemenete egy binárisan kódolt decimális érték egy bináris számlálóból, ezt dekódolja és egy közös katódú hétszegmenses kijelzőt vezérlő jelet ad ki.

Bekötés
A 4511 bekötése
Láb száma név rendeltetés
1 2s bemenet, az 2s bit értéke a bináris számlálóból
2 4s bemenet, az 4s bit értéke a bináris számlálóból
3 LT Lamp test – „lámpa teszt”, ha alacsony, a csip az összes
szegmensvezérlő jelet magasra állítja, teszteléshez
4 BI Blanking input – ha alacsony, az összes megjelenítő vezérlőjel
alacsony; megjelenítő kikapcsolására, fogyasztáscsökkentéshez
5 LE Latch enable – ha magas, lezárja kimenetet,
tehát a csip akkor működik, ha a LE jel alacsony
6 8s bemenet, az 8s bit értéke a bináris számlálóból
7 1s bemenet, az 1s bit értéke a bináris számlálóból
8 0 V, VDD 0 V vonal
9 E kimenet a hétszegmenses kijelző E bemenetéhez
10 D kimenet a hétszegmenses kijelző D bemenetéhez
11 C kimenet a hétszegmenses kijelző C bemenetéhez
12 B kimenet a hétszegmenses kijelző B bemenetéhez
13 A kimenet a hétszegmenses kijelző A bemenetéhez
14 G kimenet a hétszegmenses kijelző G bemenetéhez
15 F kimenet a hétszegmenses kijelző F bemenetéhez
16 +9 V, VCC +9 V vonal

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fordítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ez a szócikk részben vagy egészben a(z) 4000 series című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]