4000-es sorozat
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 sorozatból 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.
A 4000-es sorozat előnye a kisebb elektromos fogyasztás, a nagyobb felhasználható feszültségtartomány (3-tól 15 V-ig), és az áramköri tervezés egyszerűsége, a meghajtóképességnek (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]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 a 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.
-
Pufferelt két bemenetű CMOS NOR kapu -
Nem pufferelt két bemenetű CMOS NOR kapu
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 figyelmesebb illesztéseket igényeltek, korlátozottabb meghajtóképességükből 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]- 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]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]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
| 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]
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]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
| 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]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
| Láb száma | név | rendeltetés |
|---|---|---|
| 1 | 2s | bemenet, a 2s bit értéke a bináris számlálóból |
| 2 | 4s | bemenet, a 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, a 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]- ↑ Wright, Maury. Milestones That Mattered: CMOS pioneer developed a precursor to the processzor EDN, 6/22/2006. [2007. szeptember 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2006. július 1.)
- ↑ "Attitude control magnetometer"
- ↑ "AO-40 RUDAK Experiment Controller"
- ↑ Understanding Buffered and Unbuffered CD4xxxB Series Device Characteristics. Texas Instruments
- ↑ Lancaster, Don. CMOS Cookbook, ISBN 0-672-21398-2
Fordítás
[szerkesztés]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. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
Források
[szerkesztés]További információk
[szerkesztés]- List of 4000 series ICs manufactured by NXP Semiconductors
- Thorough list of 4000 series ICs
- 4000B Series CMOS Functional Diagrams
- 4000 Series Logic and Analog Circuitry, By James M Bryant
