[忽软忽硬] 动手做电脑 008 电路注意事项和芯片的选择

1. 教科书和现实世界的区别与联系

在前面的视频里讲布尔代数的时候,我讲到了二进制,除了布尔代数之外,还有个很重要的原因是用二进制在工程上是最简单可靠的。

我们在上学的时候,学数字电路或者计算机组成原理这门课的时 候,教材上都是讲要么输入 1,要么输入 0,画的都是非常漂亮的波形 图,像下面这样:

但是现实总是不完美的,不管我们用双极晶体管还是场效应晶体 管,都不可能产生像教科书上上画的那样完美的波形。且不说受温度 等外部条件的制约,仅仅是两个相同型号相同批次的晶体管,在同样的条件下产生的波形都可能有比较大的差距。

当晶体管用于模拟开关作用时,其工作区是晶体管的工作点从截 止区到饱和区轮换进行。无论哪种开关,都会有延迟出现。在规格书 上,往往会提供 ton、toff 的规范。

当晶体管工作在开关状态时,假设晶体管是处于截止状态(即关 闭状态)。当在晶体管的基极注入一足够大的正向电流开始,到完成一 次翻转,要经过 4 个阶段,分别是:集电极电流从“0”开始增大,升 至 Icm(最大集电极电流) 的 10% 所需的时间,称为延迟时间,记作 td; 集电极电流从 Icm 的 10% 开始,升至 Icm 的 90% 时所需的时间,称 为上升时间,记作 tr。

此时,晶体管被认为呈开启状态。此时因输入信号仍维持高电平, 所以晶体管的 Ic 将继续增大,只要此注入信号维持足够长的时间,晶 体管就会进入深饱和状态。当晶体管进入深饱和后,基极电流的增加,对集电极电流将失去控制,仅仅能起维持作用。这两段时间之和相当 于规格书中的开启时间 ton,也就是说:ton=td+tr。

当注入信号由上升转为下降,集电极电流将从饱和区退出。集电 极电流在基极注入反向电流后,从 Icm 开始下降,到下降至 90% 时, 所需的时间,称为储存时间,记作 ts。

集电极电流从 Icm 的 90% 降到 10% 的 Icm 所需的时间,称为下 降时间,记作 tf。显然,这两段时间之和,就相当于规格书中的关断时 间 toff,也就是说:toff=ts+tf。

在这四个时间段里,ts 所占用的时间最长。对电路的影响也最大。

2 连接电路注意事项

我要录的视频主要是做个实验,完成一台可以运算的电脑。类似 于把国内计算机系上的一个叫《计算机组成原理》的课用面包板和逻 辑门做出来。理论和实验总是有那么一点点出入,比如在理论上,我 们可以输入 0 和 1,但是在现实中,并没有一个信号是 0 和 1 的,只能 是高电平和低电平。

如果用的芯片不同的话,这个高电平与低电平的高与低也是不一 样的,主要是 TTL 和 CMOS,搞计算机的人喜欢缩写,TTL 的意思是Transistor-Transistor Logic,可以翻译为双晶体管逻辑电路。

2.1  电源问题

我用 74 逻辑芯片为例,如果 74LS 开始的,就是 TTL,工作电压 是 5V 左右,这个要看手册,手册里详细的标注了工作电压,可能是4.5V-55.V,也可能是 4.75V-5.25V。对输入针脚来说,低电平是 0.8V 以 下,高电平是 2.0V 以上。对输出针脚来说,低电平是 0.4V 以下,高电 平是 2.4V 以上。

我用的是 TTL,唯一的原因是我在大学时代就像女生收集鞋子或 者包一样,我收集了大量的逻辑芯片,碰到我没有的,我就买 1-2 管, 一管大概是 25 个,收集了好多年以后,现在至少有 100 来管吧,如果 卖的话,可能能买一部苹果手机了吧。这东西就像乐高积木一样,不 会坏。

我做实验的这些芯片都是比较古老的 TTL 晶体管,现在市面上有 很多种逻辑芯片。如果大家万一有人和我一样,比较变态,喜欢自己 搞这种电路,买到的是 CMOS 电路的,比如 HC 系列的,采用的是CMOS 工作电平,供电电压是 3V。

如果使用 CMOS 的芯片,连接的方式和 TTL 有一些不同。

对芯片来说,有三种状态,一种是连接高电平,比如 5V。一种是 连接低电平,比如 0V。还有一种是什么都不接,术语叫悬空。比如我 用的针脚不多,有几个多余的,用不到,索性我就不管了。对 TTL 来 说,这没问题,如果大家买的是 CMOS 电路的,就有问题了。

CMOS 电路的输入端是不允许悬空的,因为悬空会使电位不定, 破坏正常的逻辑关系。另外,悬空时输入阻抗高,易受外界噪声干扰, 使电路产生误动作,而且也极易造成栅极感应静电而击穿。所以“与”门,“与非”门的多余输入端要接高电平,“或”门和“或非”门的多余 输入端要接低电平。若电路的工作速度不高,功耗也不需特别考虑时, 则可以将多余输入端与使用端并联。

2.2 封装问题

如果大家有兴趣购买的话,要买 DIP 封装的,DIP(dual inline-pin package)也叫双列直插式封装技术。这种技术已经退出历史舞台了, 由于其 DIP 封装封装面积和厚度都比较大,而且引脚在插拔过程中很 容易被损坏,可靠性较差。DIP 封装的芯片在从芯片插座上插拔时应 特别小心,以免损坏管脚。

这样一个芯片大概是 5 到 15 块,以我的经验,如果买的面包板比 较差,我在前几期视频里讲过了面包板,如果面包板用的是铁,硬度 非常大,这种 DIP 的针脚用的是铜,铜和铁硬碰硬的时候,铜会比较 崩溃。而且,我们初中化学也学了,两种不同的金属接触,会加速生 锈的速度。可能过了一个潮湿的夏天,芯片的面包板就都生锈了。因 此,一定要选购镀锡铜材质的面包板。

目前最流行的技术是 SMT(Surface Mounted Technology),也叫 表面组装技术(表面贴装技术),是目前电子组装行业里最流行的一种 技术和工艺。虽然很流行,芯片也容易购买,但是这种要焊接,现在 工厂里一般都是用全自动贴片机来做,对咱们不太合适。

2.3 买什么芯片

简单来说,买相同类型的芯片能让自己麻烦少很多。我做实验的时 候会全部使用 TTL 电平的 74LS 系列的芯片。如果大家有一部分 TTL电平的 LS,有一部分 COMS 电平的芯片,比如 74HC 的,还有输入是TTL 电平,输出是 CMOS 电平的 74HCT 芯片。

这些芯片混用是可以的,但是你要知道怎么接上拉电阻和下拉电 阻。我在实验中只会讲 TTL 电平的 74LS 系列。

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