Серии логических микросхем 74xx и CD4000

Таблица серий

Значения — из даташитов Texas Instruments на элемент 2И-НЕ каждой серии (SN74xx00) и CD4011B. Пороги и ток выхода приведены при питании 5 В (у LVC — 3,3 В), задержка — типовая и максимальная при 25 °C.

Как читать столбцы:

• Порог «1» / «0» — минимальное входное напряжение, которое микросхема гарантированно примет за единицу (VIH), и максимальное, которое примет за ноль (VIL). Подробнее о порогах и запасе помехоустойчивости — в статье о логических уровнях и в глоссарии: запас помехоустойчивости.
• Ток выхода — ток, при котором производитель гарантирует выходные уровни. У ТТЛ ток вытекающий (минус) намного меньше втекающего: выход хорошо тянет вниз и слабо вверх. У КМОП-серий выход симметричный. Подробнее — вытекающий и втекающий ток.
• Задержка зависит от нагрузки: ТТЛ-серии 74 и LS в даташите измерены на 15 пФ, остальные — на 50 пФ. Для 74ALS указан только максимум во всём диапазоне температур, для CD4000B — при 50 пФ. Что такое задержка распространения и почему она растёт с ёмкостью — в глоссарии: задержка распространения.

Биполярные серии: TTL, LS, ALS, F

Первая серия 74 появилась в 1966 году, по логическому справочнику TI. В сериях S, LS, ALS, AS и F стоят диоды Шоттки — по справочнику TI, они введены для ускорения переключения. Питание у всех — 5 В с допуском ±5 % (74, LS) или ±10 % (ALS, F).

Особенности ТТЛ, которые важны при замене:

• выход в единице поднимается не до напряжения питания: у 7400 гарантировано не меньше 2,4 В, типовое значение — 3,4 В;
• статический ток потребления велик: у 7400 — до 22 мА на корпус в состоянии «0» на выходах, у 74LS00 — до 4,4 мА.

КМОП с питанием 5 В: HC, AC, AHC

Серия HC (High-speed CMOS) работает от 2 до 6 В, выход у неё поднимается практически до питания, а ток покоя на порядки меньше, чем у ТТЛ. Пороги входа у HC пропорциональны питанию: при 4,5 В единица — от 3,15 В, ноль — до 1,35 В. AC (Advanced CMOS) — более быстрая и сильная серия с выходным током 24 мА; по даташиту SN74AC00 выход кратковременно выдерживает тест током 75 мА продолжительностью не более 2 мс. AHC (Advanced High-speed CMOS) по скорости между HC и AC, с током 8 мА и меньшими выбросами на фронтах.

Буква T после названия серии (HCT, ACT, AHCT, LV-AT) означает входы с порогами ТТЛ: 2,0 и 0,8 В. Платят за это диапазоном питания: такие микросхемы работают только от 4,5–5,5 В. Варианты HCT и ACT нужны, когда 5-вольтовая логика получает сигнал от ТТЛ или от 3,3-вольтового устройства. Карточки популярных микросхем серии HC — 74HC00 и 74HC14.

Низковольтные серии: LV-A и LVC

LV-A работает от 2 до 5,5 В; при питании 4,5–5,5 В её выход отдаёт и принимает ±12 мА — втрое больше, чем у HC (±4 мА). LVC (Low-Voltage CMOS) — основная серия для 3,3 В: в многовыводных корпусах она питается от 1,65 до 3,6 В, а одноэлементные микросхемы «Little Logic» (например, SN74LVC1G00) — от 1,65 до 5,5 В. Выход LVC отдаёт 24 мА при 3 В.

5-вольтовые входы

Вход называют толерантным к 5 В, если на него можно подать 5 В при меньшем питании. По даташитам TI так ведут себя входы серий:

Толерантен только вход. Выход микросхемы с питанием 3,3 В остаётся 3,3-вольтовым. Подойдёт ли он для 5-вольтового входа, решают пороги: для HCT и ACT единица начинается с 2,0 В, поэтому выход 3,3 В их уверенно переключает, а у HC порог единицы пропорционален питанию — около 0,7 · VCC: 3,15 В при 4,5 В и 4,2 В при 6 В, — и выход 3,3 В его не гарантирует. Для двунаправленных линий и шин с разным питанием используют специальные преобразователи уровня, например TXS0108E.

Серия CD4000

CD4000 (в обозначениях TI — CD4xxxB) — первая КМОП-серия, её выпустила RCA в 1968 году. Микросхемы работают от 3 до 18 В (абсолютный максимум питания — 20 В), пороги задаются долей питания: при 5 В единица — от 3,5 В, ноль — до 1,5 В, при 15 В — 11 и 4 В. Выходы слабые: при 5 В гарантирован ток около 0,5 мА, и задержка у CD4011B — 125 нс типовая при 5 В. Серию выбирают за широкий диапазон питания и малый ток покоя: у CD4011B при 5 В и 25 °C он не больше 0,25 мкА. Подробнее о популярных микросхемах серии — в карточке CD4011 и CD4093.

Как читать обозначение

Полное обозначение TI разобрано в логическом справочнике SDYU001: в SN74AHCT1G08Q1 префикс SN74 означает каталожное исполнение (Catalog), SN54 — военное (Military), AHCT — серия, 1G — одиночный элемент, 08 — функция «2И», Q1 — автомобильная квалификация AEC-Q100. Буква S после серии (HCS) означает входы с триггером Шмитта, H (ALVCH) — удержание шины. У других производителей префикс свой, а буквы серии и номер функции обычно совпадают — но параметры всё равно сверяют по даташиту конкретного производителя.

Частые ошибки при замене

• Ставить 74HC вместо 74HCT после выхода ТТЛ или микроконтроллера на 3,3 В: единица 2,4–3,3 В для HC при питании 5 В не гарантирована.
• Подавать 5 В на вход 74HC при питании 3,3 В: ток пойдёт через защитный диод в шину 3,3 В.
• Брать AC или F там, где хватит HC: быстрые фронты дают звон и помехи на длинных проводниках.
• Ждать от CD4000 нагрузочной способности 74HC: при питании 5 В выход CD4011B гарантирует лишь около 0,5 мА, для светодиода или реле нужен транзистор.