И не микросхема: Логические элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ

1.2 Микросхемы комбинационного типа малой степени интеграции.

1.2. Микросхемы комбинационного типа малой степени интеграции

Существует много типов микросхем ТТЛ малой степени интеграции, различающихся по функциональному назначению, нагрузочной способности, схеме выходного каскада. Работа логических элементов этих микросхем достаточно проста. Для элементов И выходной уровень лог. 1 формируется при подаче на все входы элемента уровней лог. 1, для элемента ИЛИ для формирования уровня лог. 1 на выходе достаточно подачи хотя бы на один вход уровня лог. 1. Элементы И-НЕ (основной элемент серий ТТЛ) и ИЛИ-НЕ дополнительно инвертируют выходной сигнал, элемент И-ИЛИ-НЕ состоит из нескольких элементов И, выходы которых подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ.

По нагрузочной способности микросхемы можно разделить на стандартные (№10 для серий К 155 и КР531 и N = 20 и 40 для микросхем серий К555 и КР1533 соответственно), микросхемы с повышенной нагрузочной способностью (N = 30 и более), микросхемы со специальным выходным каскадом, обеспечивающим значительно более высокую нагрузочную способность в одном из логических состояний. Некоторые типы микросхем выпускают с так называемым «открытым» коллекторным выходом.

Отдельно следует отметить специальный класс микросхем с третьим состоянием выходного каскада, называемым также еще «высокоимпедансным», или «Z-состоянием», при котором микросхема отключается по своему выходу от нагрузки. Это, как правило, буферные элементы с относительно большой нагрузочной способностью.

На рис. 2 приведены графические обозначения микросхем ТТЛ, выполняющих функции И-НЕ – самой многочисленной группы простых логических микросхем.

МикросхемыЛА1 -ЛА4 имеют стандартную для своей серии нагрузочную способность, микросхемыЛА6 иЛА12 всех серий, КР1533ЛА21 – КР1533ЛА24 – втрое большую (здесь и далее в тексте в названии оставлена только та его часть, которая определяет тип триггера, счетчика, логического элемента и т. п., если такие же обозначения используются в микросхемах нескольких серий).

МикросхемыЛА7 – ЛА11,ЛА13, КР1533ЛА23 выполнены с открытым коллектором, нагрузочная способность для ЛА7- ЛА11 в состоянии лог. 0 стандартная, для ЛА13 и КР1533ЛА23 – втрое большая. Максимально допустимое напряжение, которое можно подавать

на выход микросхемы ЛА11, находящейся в состоянии лог. 1, – 12 В, для остальных – 5,5 В.

МикросхемаКР531ЛА16 (рис. 2) – два мощных магистральных усилителя, выполняющих функцию 4И-НЕ. Нагрузочная способность каждого усилителя 60 мА в состоянии лог. 0 и 40 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2 В, что позволяет работать на линию связи с волновым сопротивлением 50 Ом, нагруженную на конце. Кроме того, гарантируется, что при выходном напряжении 2,7 В в состоянии лог. 1 выходной ток составляет не менее 3 мА.

МикросхемаКР531ЛА17 (рис. 2) – два элемента 4И-НЕ с возможностью перевода выхода в высокоимпедансное состояние при подаче на вход Е лог. 1. При подаче на вход Е лог. 0 выходы активны, допустимые выходные токи составляют 50 мА в состоянии лог. 0 и 32 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2 В, что обеспечивает возможность работы на линию связи с волновым сопротивлением 75 Ом. Дополнительно гарантируется, что при выходном напряжении 2,7 В в состоянии лог. 1 выходной ток составляет не менее 3 мА.

Входные токи микросхем КР531ЛА12, КР531ЛА13, КР531ЛА16, КР531ЛА17 по сигнальным входам в состоянии лог. 0-4 мА, по входам Е – 2 мА.

Микросхема К155ЛА18 (рис. 2) выполнена с открытым коллектором, ее выходное напряжение в состоянии лог. 0 не более 0,5 В при выходном втекающем токе 100 мА и не более 0,8 В при токе 300 мА. Максимальное напряжение на выходе в состоянии лог. 1 — 30 В, что позволяет коммутировать нагрузку мощностью до 9 Вт – электромагнитные реле, маломощные электродвигатели. Лампы накаливания, однако, можно использовать на номинальный ток не более 60 мА, так как сопротивление нити лампы в холодном состоянии значительно меньше номинального.

МикросхемаКР531ЛА19(рис. 2) – двенадцативходовый элемент И-НЕ с возможностью перевода выхода в высокоимпедансное состояние при подаче лог. 1 на вход Е. В состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2,4 В микросхема допускает выходной ток до 6,5 мА, в состоянии лог. 0-20 мА.

Микросхема К155ЛП7 (рис. 2) – два стандартных логических элемента И-НЕ с двумя объединенными входами и два n-р-n транзистора с предельно допустимым коллекторным напряжением 30 В и максимальным током коллектора 300 мА. Подложка микросхемы подключена к выводу 8, что позволяет, подключив ее к источнику отрицательного напряжения, коммутировать транзистором и отрицательные сигналы, не выходящие по амплитуде за напряжение этого источника.

На рис. 3 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию ИЛИ-НЕ. На входах микросхемК155ЛЕ2

, К155ЛЕЗ установлены дополнительные элементы И, позволяющие стробировать входные сигналы. Нагрузочная способность микросхем ЛЕ1 – ЛЕ4, КР531ЛЕ7 стандартная для соответствующей серии, микросхемК155ЛЕ5иК155ЛЕ6 в состоянии лог. 0-48 мА, что соответствует N = 30, в состоянии лог. 1 – выше. Микросхема К155ЛЕ5 может обеспечить при выходном напряжении 2,4 В вытекающий ток 2,4 мА, микросхема К155ЛЕ6 – 13,2 мА. Для микросхемы К155ЛЕ6

нормирован также ток при выходном напряжении 2 В – он составляет не менее 42,4 мА, то есть эта микросхема может обеспечивать работу на нагрузку 50 Ом, например, на коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом, согласованный на конце.

МикросхемыКР1533ЛЕ10и КР1533ЛЕ11 имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема КР1533ЛЕ11 выполнена с открытым коллектором, максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии, – 5,5 В.

На рис. 4 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию И. МикросхемыЛИ1, ЛИЗ, ЛИ6 имеют стандартную для своих серий нагрузочную способность, микросхемыЛИ2

и ЛИ4 выполнены с открытым коллектором, их нагрузочная способность в состоянии лог. 0 стандартная, в состоянии лог. 1 допускается подача напряжения 5,5 В.

МикросхемаК155ЛИ5 выполнена с открытым коллектором, ее нагрузочная способность такая же, как у К155ЛА18.

МикросхемыКР1533ЛИ8 и КР1533ЛИ10

имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии.

На рис. 5 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию ИЛИ. Микросхема ЛЛ1 имеет стандартную нагрузочную способность, микросхема К155ЛЛ2 выполнена с открытым коллектором и имеет нагрузочную способность такую же, как К155ЛА18.

МикросхемаКР1533ЛЛ4 имеет нагрузоч ную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии

На рис. 6 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию НЕ (инверторы). МикросхемыЛН1 имеют стандартную нагрузочную способность, аЛН2, К155ЛНЗ, К155ЛН5 выполнены с открытым коллектором и имеют стандартную нагрузочную способность в состоянии лог. 0. Для К155ЛНЗ и К155ЛН5 дополнительно гарантируется, что при втекающем токе 40 мА выходное напряжение в состоянии лог. 0 не превышает 0,7 В. Допустимое напряжение на выходе микросхемы в состоянии лог. 1 составляет 5,5, 30 и 15 В для ЛН2, К155ЛНЗ и К155ЛН5 соответственно.

МикросхемаК155ЛН6 (рис. 6) – шесть мощных инверторов с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Управление состоянием выходов производится по двум равноправным входам управления Е (1 и 15), собранным по схеме, выполняющей функцию И. При подаче на оба указанных входа лог. 0 выходы инверторов переходят в активное состояние и инвертируют входные сигналы, при подаче хотя бы на один вход лог. 1 – переходят в высокоимпедансное состояние.

Нагрузочная способность инверторов довольно велика – при лог. 0 на выходе выходной втекающий ток может достигать 32 мА, при этом выходное напряжение не более 0,4 В, при лог. 1 на выходе выходной вытекающий ток – до 5,2 мА при выходном напряжении 2,4 В.

МикросхемаКР1533ЛН7 (рис. 6) – шесть инверторов с повышенной нагрузочной способностью и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Инверторы объединены в две группы,

у каждой из которых свой вход управления. Подача лог. 0 на вход Е1 включает инверторы с выходами 1-4, на вход Е2 – с выходами 5 и 6. Нагрузочная способность микросхемы 12 мА при 0,4 В в состоянии лог. 0 и 3 мА при 2,4 В в состоянии лог. 1.

МикросхемаКР1533ЛН8 (рис. 6) – шесть инверторов с повышенной нагрузочной способностью; максимальный уровень в состоянии лог. 0 -0,4 В при втекающем токе 12 мА и 0,5 В при 24 мА, минимальный уровень в состоянии лог. 1 2,4 В при вытекающем токе 3,0 мА и 2,5 В при 0,4 мА.

МикросхемаКР1533ЛН10 имеет нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема выполнена с открытым коллектором, максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии – 5,5 В.

На рис. 7 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию И-ИЛИ-НЕ и расширителей И-ИЛИ. Все микросхемы И-ИЛИ-НЕ имеют стандартные выходы, кромеКР531ЛР10

, которая выполнена с открытым коллектором, допустимое напряжение для нее в состоянии лог. 1 – 5,5 В. Следует отметить различие микросхемК155ЛР4 и К555ЛР4, КР1533ЛР4, а такжеК555ЛР11, КР1533ЛР11 и КР531ЛР11. МикросхемыК155ЛР1, К155ЛРЗ, К155ЛР4 имеют входы для подключения расширителей И-ИЛИ К155ЛД1 и К155ЛД2, увеличивающих число групп И в функции ИЛИ этих микросхем. Аналогичные входы для расширения числа входов по ИЛИ имеет микросхемаК155ЛЕ2.

Однако более простой способ построения элементов И или ИЛИ с большим числом входов – каскадное соединение микросхем,

выполняющих функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. На рис. 8 (а) приведена схема элемента И на 16 входов, на рис. 8 (б) – элемента ИЛИ на 32 входа. На рис. 8 (в) приведена схема элемента совпадения, формирующего на своем выходе лог. 1 при лог. 1 на четырех верхних по схеме входах и лог. 0 на трех нижних. Такой элемент может использоваться для дешифрации определенных состояний счетчиков и других устройств.

На рис. 9 приведены графические обозначения микросхем – повторителей входного сигнала.

МикросхемаЛП8 – четыре повторителя входного сигнала с высокоимпедансным состоянием. При лог. 0 на управляющем входе Е сигналы с входа D элемента проходят на выход элемента без инверсии. При лог. 1 на входе Е выход элемента переходит в высокоимпедансное состояние. При лог. 0 на выходе микросхема К155ЛП8 обеспечивает втекающий ток 16 мА, при лог. 1 – вытекающий 5,2 мА, К555ЛП8 – 24 мА и 2,6 мА соответственно.

МикросхемаК155ЛП9 (рис. 9) – шесть повторителей входного сигнала с открытым коллектором, ее выходные параметры такие же, как и у К155ЛНЗ.

МикросхемаК155ЛП10 (рис. 9) – шесть мощных повторителей с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние.

Логика управления и нагрузочная способность этой микросхемы такие же, как и у К155ЛН6.

МикросхемаК155ЛП11 (рис. 9) – шесть мощных повторителей, подобных повторителям микросхемы К155ЛП10, но разбитых на две группы, каждая из которых имеет свой вход управления. Подача лог. 0 на вход Е1 включает повторители с выходами 1-4, вход Е2 управляет выходами 5 и 6. Нагрузочная способность микросхемы К155ЛП11 такая же, как у К155ЛН6.

МикросхемыКР1533ЛП16 и КР1533ЛП17 имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема КР1533ЛП17 выполнена с открытым коллектором,

максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии – 5,5 В.

Основное назначение микросхем-повторителей входного сигнала, имеющих возможность перевода выходов в высокоимпедансное состояние, – поочередная подача на одну магистраль сигналов от различных источников. Причем благодаря большой нагрузочной способности микросхем магистраль может иметь большую емкость и большое число подключенных к ней нагрузок и источников сигналов. Эти микросхемы находят широкое применение также в качестве буферных элементов, в особенности в микропроцессорных микросхемах. Для таких же целей служат далее рассматриваемые микросхемы, графические обозначения которых приведены на рис. 10.

МикросхемаКР531АП2 – четыре пары буферных неинвертирующих элементов с открытым коллектором, частично соединенных между собой. Сигналы могут передаваться со входов А1 – А4 на двунаправленные выходы С1 – С4 при лог. 0 на входе ЕА и лог 1 на входе ЕВ, с двунаправленных выводов С1 – С4 на выходы В1 – В4 при лог. 0 на входе ЕВ и лог. 1 на входе ЕА. При подаче лог. 1 на оба входа ЕА и ЕВ выходы В1 – В4 и С1 – С4 переходят в высокоимпедансное состояние. Одновременная подача лог. 0 на входе ЕА и ЕВ не допускается. Попарное соединение выводов А1 – А4 и В1 – В4 превращает микросхему в четыре двунаправленных ключа, максимальный выходной ток в состоянии лог. 0-60 мА, максимальные входное и выходное напряжения в состоянии лог. 1-10,5 В, входной ток в состоянии лог. 0 не превышает 0,15 мА.

МикросхемаАПЗ (рис. 10) – восемь инвертирующих буферных элементов с повышенной нагрузочной способностью и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Элементы разбиты на две группы по четыре, у каждой из групп свой вход управления для включения элементов и их перевода в третье состояние (Е1 и Е2). Включение элементов каждой группы происходит при подаче на соответствующий вход (Е1 и Е2) лог. О, переход в высокоимпедансное состояние – при подаче лог. 1. Выходной втекающий ток микросхемы К555АПЗ в состоянии лог. О при напряжении на выходе 0,5 В может достигать 24 мА, вытекающий в состоянии лог. 1 при напряжении на выходе 2 В – 15 мА. Для микросхем КР1533АПЗ максимальный уровень лог. 0 0,4 В при втекающем токе 12 мА и 0,5 В при 24 мА. Минимальный уровень лог. 1 2,4 В при вытекающем токе 3 мА и 2,5 В при 0,4 мА. Нагрузочная способность микросхемы КР531АПЗ в состоянии лог. 0 64 мА, в состоянии лог. 1 3 мА при выходном

напряжении 2,4 В и 15 мА при 2 В. Входные токи по сигнальным входам D1 – D8 в состоянии лог. 0 0,4 мА.

МикросхемаАП4 (рис. 10) – восемь аналогичных буферных элементов без инверсии. Отличие ее в том, что один из входов включения элементов и их перевода в третье состояние (El) – инверсный, подобно АПЗ, второй (Е2) – прямой. Нагрузочная способность этой микросхемы такая же, как у АПЗ.

МикросхемаАП5 (рис. 10) – восемь неинвертирующих буферных элементов, обе группы которых имеют инверсные входы управления включением. В остальном эта микросхема аналогична АП4.

Микросхемы АПЗ – АП5 служат для буферизации и коммутации сигналов в микропроцессорных устройствах, например, сигналов адреса, сигналов управления при организации внутренних и внешних шин микро-ЭВМ. Основное их назначение – обеспечение однонаправленной передачи информации. Однако при необходимости с их помощью можно обеспечить и двунаправленную передачу. На рис. 11 в качестве примера показано соединение выводов микросхемы АП4 для получения двунаправленного буферного элемента. При подаче лог. 0 на объединенные между собой входы Е1 и Е2 происходит передача сигнала

от расположенных слева по рисунку выводов микросхемы (входы А1 -А4) к правым (В1 – В4), при подаче лог. 1 – наоборот: от В1 – В4 к А1 -А4. Два треугольника в среднем поле графического обозначения микросхемы символизируют усиление и направление передачи сигнала, верхний – при подаче активного сигнала на вход Е1 (для инверсного входа – лог. 0), нижний – на вход Е2 (для прямого входа – лог. 1).

Интересно отметить, что расположение информационных входов и выходов микросхем АПЗ – АП5 сделано специально такое, как показано на рис. 11, – для удобного их соединения.

Однако для организации двунаправленной передачи информации удобнее использовать специально предназначенные для этой цели микросхемы, описываемые далее.

Микросхема АП6 (см. рис. 10) – восемь двунаправленных неинвертирующих буферных элементов. Кроме двух групп информационных выводов А1 – А8 и В1 – В8, микросхема имеет два входа управления – Е и Т. Сигнал лог. 0, подаваемый на

вход Е, разрешает включение буферных элементов, лог. 1 – переводит все выводы микросхемы в Z-состояние. Сигнал на входе Т действует при лог. 0 на входе Е и определяет направление передачи сигналов – при лог. 1 на входе Т выводы А1 – А8 являются входами, В1 – В8 – выходами, при лог. 0 – наоборот; В1 – В8 – входы, А1 – А8 – выходы. Два треугольника у входа Т символизируют усиление и направление распространения сигнала, верхний – при лог. 1 на входе Т, нижний – при лог. 0.

Микросхема АП6 по своему функционированию (но, к сожалению, не по разводке выводов) соответствует микросхеме КР580ВА86, но потребляет в 1,7 раза меньшую мощность (К555АП6).

МикросхемаКР1533АП14 (рис. 10) содержит восемь однонаправленных буферных элементов с возможностью перевода их выходов в высокоимпедансное состояние. При подаче на оба входа разрешения Е лог. 0 выходы микросхемы переходят в активное состояние и на них появляются без инверсии сигналы с соответствующих входов D1 – D8. При поступлении на любой из входов Е лог. 1 выходы переходят в высокоимпедансное состояние. Микросхема КР1533АП15 (рис. 10) аналогична микросхеме КР1533АП14, только она инвертирует входные сигналы.

МикросхемаКР1533АП16 (рис. 10) состоит из восьми двунаправленных буферных элементов и, в основном, аналогична микросхеме

КР1533АП6. Она инвертирует сигналы при передаче их с выводов А на выводы В и не инвертирует их при передаче в обратном направлении. На графическом изображении микросхемы КР1533АП16 для отражения этого свойства у вывода Т, определяющего направление передачи информации, верхний треугольник, символизирующий передачу сигналов с выводов А на выводы В при подаче на вход Т лог. 1, дополнен кружком инверсии, а нижний треугольник (на входе Т – лог. 0) показан без такого кружка.

МикросхемаИП6 (рис. 10) – четыре двунаправленных инвертирующих буферных элемента. Логика работы входов управления Е1 и Е2

следующая: при лог. 0 на обоих входах передача сигналов происходит от выводов А1 – А4 к выводам В1 – В4, при лог. 1 на обоих входах – от выводов В1 – В4 к А1 – А4. При лог. 1 на входе Е1 и лог. 0 на входе Е2 все информационные выводы микросхемы переходят в Z-состояние, подача лог. 0 на вход Е1 и лог. 1 на вход Е2 одновременно недопустима. Треугольники на графическом обозначении микросхемы и входов Е1 и Е2 символизируют усиление и направление распространения информации при подаче активных сигналов на эти входы.

Нагрузочная способность микросхемы ИП6 такая же, как у АПЗ.

МикросхемаИП7 отличается от ИП6 только тем, что не инвертирует сигналы.

На рис. 12 в качестве примера показано использование буферных микросхем для подключения внешних устройств к компьютеру «Радио-86РК». Если из всех внешних устройств ограничиться лишь таймером КР580ВИ53, его вполне можно смонтировать на

плате компьютера без буферных элементов. Если же предполагается подключение нескольких внешних устройств (таймер, часы, АЦПУ, модем и др.), из-за малой нагрузочной способности центрального процессора КР580ВМ80 необходимы буферные элементы.

На рис. 12 микросхема DD3 обеспечивает буферизацию управляющих сигналов RD, WR, RES и двух младших адресов АО и А1. Микросхема DD2 буферизирует двунаправленную шину данных. Включение этой микросхемы по входу Е должно происходить лишь при обращении к внешним устройствам, что обеспечивается микросхемой DD1 и элементами D10.4 и D10.3.

В основном варианте компьютера «Радио-86РК» адреса А000Н -BFFFH использованы для микросхемы D14. Практически используются только четыре адреса – А000Н, А001Н, А002Н, А00ЗН. Установкой дешифратора DD1 можно обеспечить при сохранении этих адресов для D14 использование следующих четырех адресов А004Н, АООЗН, А006Н, А007Н – для первого внешнего устройства, например таймера;

следующих четырех А00ЗН – А00ВН – для второго; следующих четырех А00СН – A00FH – для третьего и т. д., всего можно будет подключить семь дополнительных внешних устройств, для каждого из которых будет отведено четыре адреса. Если входы 1,2,4 дешифратора DD1 подключить к другим выходам адреса микропроцессора D6, например, А10, All, A12, на каждое внешнее устройство будет отведено по 1024 адреса.

Элементы D10.4 и D10.3 необходимы для выключения DD2 при обращении микропроцессора к D14, то есть по адресам А000Н – А00ЗН. В этом случае лог. 0 с выхода О DD1 включает D10.3 и лог. 1 с его выхода выключает DD2. Направление передачи сигнала через DD2 определяется сигналом RD. При чтении из внешнего устройства сигнал RD

принимает значение лог. 0 и происходит передача сигналов через DD2 от внешнего устройства к микропроцессору, в остальных случаях – от микропроцессора к внешнему устройству.

На рис. 13 приведены микросхемы -инвертирующие триггеры Шмитта. Микросхема К155ТЛ1 – два четырехвходовых элемента И-НЕ, микросхемаТЛЗ – четыре двухвходовых, микросхемаТЛ2 – шесть инверторов.

Указанные микросхемы при плавном изменении входного сигнала обеспечивают

скачкообразное переключение выходного (рис. 14). При повышении напряжения на входе элемента микросхемы от нуля выходное напряжение скачком изменяется с лог. 1 на лог. 0 при напряжении на входе около 1,65 В. При снижении напряжения на входе обратное изменение выходного напряжения происходит при напряжении на входе около 0,85 В для триггеров Шмитта серий К155 и К555ТЛ2 и около 1,2 В для КР531ТЛЗ.

Триггеры Шмитта применяют для формирования ТТЛ-сигнала из синусоидального, для приема сигналов при большом уровне помех, в формирователях и генераторах импульсов и в других случаях.

На рис. 15, а показана схема формирователя импульса сброса при включении питания, обеспечивающего крутой фронт при большой длительности импульса, на рис. 15, б – простейшего генератора импульсов.

Изучение работы более сложных микросхем удобно продолжить с микросхем последовательностного типа.

Содержание

Цифровые микросхемы. Логический элемент НЕ (INV)

Всем доброго времени суток! Как дом строят из кирпичей, так и цифровые устройства состоят из простых элементов – цифровых микросхем. Наиболее простые из них – логические элементы (или вентили, gates). В одной микросхеме может содержаться только строго определённое количество логических элементов, их может быть или 1, или 2, или 3, или 4, или 8 в одной микросхеме. Соответственно каждый логический элемент может иметь от 1 до 12 входов и 1 выход. При этом связь между входами и выходом соответствует таблице истинности. Логические элементы относятся к так называемым комбинационным микросхемам, и у них отсутствует какая-либо внутренняя память.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Достоинством логических вентилей является высокое быстродействие и небольшая потребляемая мощность, но на их основе довольно трудно реализовать сложную функциональность, поэтому чаще всего они используются в качестве дополнения к более сложным цифровым микросхемам или микроконтроллерам.

Логический элемент НЕ (Hex Inverters)

Начнём с наиболее простого из логических элементов – логического элемента НЕ (INV) или как его ещё называют инвертора. Как понятно из названия инвертор применяется для инвертирования, то есть изменения уровня сигнала (например, на вход поступает логическая «1», а на выходе получаем логический «0»). Как самый простой из логических элементов инвертор содержит всего один вход и один выход. Инверторы могут быть с тремя типами выходов: 2С, ОК или с Z – состоянием. Как указывалось в этой статье логический элемент НЕ имеет следующую таблицу истинности:

Таблица истинности логического элемента НЕ

На принципиальных схемах логические элементы НЕ (инверторы) имеют следующее обозначение

Обозначения логических элементов НЕ (Hex Inverters): ANSI (слева) и DIN (справа).

Микросхемы инверторов содержат обычно шесть логических элементов НЕ (INV) и обозначаются префиксом ЛН (например, К155ЛН1, К561ЛН2). Как говорилось ранее, для ТТЛ микросхем с выходом ОК необходим выходной нагрузочный резистор (pull-up). Величина которого рассчитывается очень просто: R > U/I_OL, где U – напряжение источника питания, к которому подключается резистор.

Применение инверторов

Обычно, элементы НЕ применяются для преобразования уровней сигнала (из высокого в низкий или из низкого в высокий уровень). Второе предназначение – увеличения нагрузочной способности (буферизации) с инвертирование выходов более сложных микросхем. Например, когда сигнал с выхода микросхемы необходимо подать на несколько других, а выходной ток недостаточен.

Но существует и несколько нестандартных применений инверторов: построение генераторов и в случае, когда необходимо создать задержку сигнала.

Схема генератора на логических элементах НЕ

Схемы генераторов представляют собой обыкновенные RC-генераторы, но характеристики можно рассчитать только приблизительно, так как она зависит от напряжения питания и типа применённой микросхемы. Частота генератора будет равна

[math]f \approx \frac{1}{2RC}[/math]

Генераторы данного типа можно применять там, где не важна стабильность частоты, а важен лишь факт генерации импульсов. Более стабильные по частоте генераторы получаются, если вместо конденсатора применить кварцевый резонатор.

Схема кварцевого генератора на логических элементах НЕ

Довольно часто в цифровых схемах необходимо получит некоторую задержку сигнала, в этом случае инверторы могут пригодиться, на большую задержку рассчитывать не приходится (примерно до 100 нс). Для получения задержки сигнала инверторы соединяют последовательно.

Задержка сигнала на логических элементах НЕ

Схема для создания задержки сигнала на инверторах

Величину задержки можно рассчитать приблизительно по сумме задержек входного и выходного сигналов (t_PLH и t_PHL) для данной микросхемы. Например, для четырёх инверторов величину задержки можно оценить по формуле

[math]t_{З} = 2t_{PLH} + 2t_{PHL}[/math]

но необходимо учитывать, что значения реальных задержек сильно отличаются от тех что даны в справочнике (в справочнике даны максимальные величины, а реальные могут обличаться более, чем в 2 раза).

Более значительные величины задержки сигнала можно получить, используя интегрирующие RC-цепи, но и здесь нельзя точно говорить о величине задержки, потому что разные типы цифровых микросхем срабатывают при разном уровне сигнала и разных напряжениях питания.

Задержка сигнала на логических элементах НЕ и интегрирующей цепочкой

Схема для создания задержки сигнала c интегрирующей цепью

Ниже приведена таблица некоторых семейств микросхем, которые имеют в своём составе инверторы

Серия	Номер микросхемы
Серия	ЛН1	ЛН2	ЛН3	ЛН5	ЛН6	ЛН7	ЛН8	ЛН10
К155	6НЕ	6НЕ(ОК)	6НЕ(ОК)	6НЕ(ОК)	6НЕ(Z)	6НЕ(Z)	—	—
К555	6НЕ	6НЕ(ОК)	—	—	—	6НЕ(Z)	—	—
КР1533	6НЕ	6НЕ(ОК)	—	—	—	6НЕ(Z)	6НЕ	6НЕ(ОК)
К561	6НЕ(Z)	6НЕ	6НЕ(Z)	—	—	—	—	—
КР1554	6НЕ	—	—	—	—	—	—	—
КР1564	6НЕ	—	—	—	—	6НЕ(Z)	—	—

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

РадиоКот :: Логические элементы

РадиоКот >Обучалка >Цифровая техника >Основы цифровой техники >

Логические элементы

Абсолютно все цифровые микросхемы состоят из одних и тех же логических элементов – «кирпичиков» любого цифрового узла. Вот о них мы и поговорим сейчас.

Логический элемент – это такая схемка, у которой несколько входов и один выход. Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе.

Итак, какие бывают элементы?

Смотрим:

Элемент «И» (AND)

Иначе его называют «конъюнктор».

Для того, чтобы понять как он работает, нужно нарисовать таблицу, в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов. Такая таблица называется « таблица истинности ». Таблицы истинности широко применяются в цифровой технике для описания работы логических схем.

Вот так выглядит элемент «И» и его таблица истинности:

Поскольку вам придется общаться как с русской, так и с буржуйской тех. документацией, я буду приводить условные графические обозначения (УГО) элементов и по нашим и по не нашим стандартам.

Смотрим таблицу истинности, и проясняем в мозгу принцип. Понять его не сложно: единица на выходе элемента «И» возникает только тогда, когда на оба входа поданы единицы. Это объясняет название элемента: единицы должны быть И на одном, И на другом входе.

Если посмотреть чуток иначе, то можно сказать так: на выходе элемента «И» будет ноль в том случае, если хотя бы на один из его входов подан ноль. Запоминаем. Идем дальше.

Элемент «ИЛИ» (OR)

По другому, его зовут «дизъюнктор».

Любуемся:

Опять же, название говорит само за себя.

На выходе возникает единица, когда на один ИЛИ на другой ИЛИ на оба сразу входа подана единица. Этот элемент можно назвать также элементом «И» для негативной логики: ноль на его выходе бывает только в том случае, если и на один и на второй вход поданы нули.

Едем дальше. Дальше у нас очень простенький, но очень необходимый элемент.

Элемент «НЕ» (NOT)

Чаще, его называют «инвертор».

Надо чего-нибудь говорить по поводу его работы?

Ну тогда поехали дальше. Следующие два элемента получаются путем установки инвертора на выход элементов «И» и «ИЛИ».

Элемент «И-НЕ» (NAND)

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал полностью противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» – единица. И наоборот. Э то легко понять по эквивалентной схеме элемента:

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR)

Та же история – элемент «ИЛИ» с инвертором на выходе.

Следующий товарищ устроен несколько хитрее:

Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR)

Он вот такой:

Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2». На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры.

Смотрим таблицу истинности. Когда на выходе единицы? Правильно: когда на входах разные сигналы. На одном – 1, на другом – 0. Вот такой он хитрый.

Эквивалентная схема примерно такая:

Ее запоминать не обязательно.

Собственно, это и есть основные логические элементы. На их основе строятся абсолютно любые цифровые микросхемы. Даже ваш любимый Пентиум 4.

Далее мы позанудствуем о том, как синтезировать цифровую схему, имея ее таблицу истинности. Это совсем несложно, а знать надо, ибо пригодится (еще как пригодится) нам в дальнейшем.

Ну и напоследок – несколько микросхем, внутри которых содержатся цифровые элементы. Около выводов элементов обозначены номера соответствующих ног микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь, имеют 14 ног. Питание подается на ножки 7 (-) и 14 (+). Напряжение питания – смотри в таблице в предыдущем параграфе.

<<–Вспомним пройденное—-Поехали дальше–>>

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Цифровые микросхемы. Типы логики, корпуса

РадиоКот >Обучалка >Цифровая техника >Основы цифровой техники >

Цифровые микросхемы. Типы логики, корпуса

Ну сначала скажем так: микросхемы делятся на два больших вида: аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы работают с аналоговым сигналом, а цифровые, соответственно – с цифровым. Мы будем говорить именно о цифровых микросхемах.

Точнее даже, мы будем говорить не о микросхемах, а об элементах цифровой техники, которые могут быть «спрятаны» внутри микросхемы.

Что это за элементы?

Некоторые названия вы слышали, некоторые, может быть – нет. Но поверьте, эти названия можно произносить вслух в любом культурном обществе – это абсолютно приличные слова. Итак, примерный список того, что мы будем изучать:

Триггеры
Счетчики
Шифраторы
Дешифраторы
Мультиплексоры
Компараторы
ОЗУ
ПЗУ

Все цифровые микросхемы работают с цифровыми сигналами. Что это такое?

Цифровые сигналы – это сигналы, имеющие два стабильных уровня – уровень логического нуля и уровень логической единицы. У микросхем, выполненных по различным технологиям, логические уровни могут отличаться друг от друга.

В настоящее время наиболее широко распространены две технологии: ТТЛ и КМОП.

ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика;
КМОП – Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник.

У ТТЛ уровень нуля равен 0,4 В, уровень единицы – 2,4 В.
У логики КМОП, уровень нуля очень близок к нулю вольт, уровень единицы – примерно равен напряжению питания.

По-всякому, единица – когда напряжение высокое, ноль – когда низкое.

НО! Нулевое напряжение на выходе микросхемы не означает, что вывод «болтается в воздухе». На самом деле, он просто подключен к общему проводу. Поэтому нельзя соединять непосредственно несколько логических выводов: если на них будут различные уровни – произойдет КЗ.

Кроме различий в уровнях сигнала, типы логики различаются также по энергопотреблению, по скорости (предельной частоте), нагрузочной способности, и т.д.

Тип логики можно узнать по названию микросхемы. Точнее – по первым буквам названия, которые указывают, к какой серии принадлежит микросхема. Внутри любой серии могут быть микросхемы, произведенные только по какой-то одной технологии. Чтобы вам было легче ориентироваться – вот небольшая сводная таблица:

	ТТЛ	ТТЛШ	КМОП	Бастродейств. КМОП	ЭСЛ
Расшифровка названия	Транзисторно-Транзисторная Логика	ТТЛ с диодом Шоттки	Комплиментарный Металл-Оксид Полупроводник		Эмиттерно-Согласованная Логика
Основные серии отеч. микросхем	К155 К131	К555 К531 КР1533	К561 К176	КР1554 КР1564	К500 КР1500
Серии буржуйских микросхем	74	74LS 74ALS	CD40 H 4000	74AC 74 HC	MC10 F100
Задержка распространения, нС	10…30	4…20	15…50	3,5..5	0,5…2
Макс. частота, МГц	15	50..70	1…5	50…150	300…500
Напряжение питания, В	5 ±0,5	5 ±0,5	3…15	2…6	-5,2 ±0,5
Потребляемый ток (без нагрузки), мА	20	4…40	0,002…0,1	0,002…0,1	0,4
Уровень лог.0, В	0,4	0,5	< 0,1	< 0,1	-1,65
Уровень лог. 1, В	2,4	2,7	~ U пит	~ U пит	-0,96
Макс. выходной ток, мА	16	20	0,5	75	40

Наиболее распространены на сегодняшний день следующие серии (и их импортные аналоги):

ТТЛШ – К555, К1533
КМОП – КР561, КР1554, КР1564
ЭСЛ – К1500

Цифровые схемы рекомендуется строить, используя микросхемы только одного типа логики. Это связано именно с различиями в логических уровнях цифровых сигналов.

Тип логики выбирают, в основном, исходя из следующих соображений:

– скорость (рабочая частота)
– энергопотребление
– стоимость

Но бывают такие ситуации, что одним типом никак не обойтись. Например, один блок должен иметь низкое энергопотребление, а другой – высокую скорость. Низким потреблением обладают микросхемы технологии КМОП. Высокая скорость – у ЭСЛ.

В этом случае понадобятся ставить преобразователи уровней.

Правда, некоторые типы нормально стыкуются и без преобразователей. Например, сигнал с выхода КМОП-микросхемы можно подать на вход микросхемы ТТЛ (при учете, что их напряжения питания одинаковы). Однако, в обратную сторону, т.е., от ТТЛ к КМОП пускать сигнал не рекомендуется.

Микросхемы выпускаются в различных корпусах. Наиболее распространены следующие виды корпусов:

DIP
(Dual Inline Package )

Обычный «тараканчик». Ножки просовываем в дырки на плате – и запаиваем.

Ножек в корпусе может быть 8, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 48 или 56.

Расстояние между выводами (шаг) – 2,5 мм (отечественный стандарт) или 2,54 мм (у буржуев).

Ширина выводов около 0,5 мм

Нумерация выводов – на рисунке (вид сверху). Чтобы определить нахождение первой ножки, нужно найти на корпусе «ключик».

SOIC
(Small Outline Integral Circuit)

Планарная микросхема – то есть ножки припаиваются с той же стороны платы, где находится корпус. При этом, микросхема лежит брюхом на плате.

Количество ножек и их нумерация – такие же как у DIP .

Шаг выводов – 1,25 мм (отечественный) или 1,27 мм (буржуазный).

Ширина выводов – 0,33…0,51

PLCC
(Plastic J-leaded Chip Carrier)

Квадратный (реже – прямоугольный) корпус. Ножки расположены по всем четырем сторонам, и имеют J -образную форму (концы ножек загнуты под брюшко).

Микросхемы либо запаиваются непосредственно на плату (планарно), либо вставляются в панельку. Последнее – предпочтительней.

Количество ножек – 20, 28, 32, 44, 52, 68, 84.

Шаг ножек – 1,27 мм

Ширина выводов – 0,66…0,82

Нумерация выводов – первая ножка возле ключа, увеличение номера против часовой стрелки:

TQFP
(Thin Quad Flat Package)

Нечто среднее между SOIC и PLCC .

Квадратный корпус толщиной около 1мм, выводы расположены по всем сторонам.

Количество ножек – от 32 до 144.

Шаг – 0,8 мм

Ширина вывода – 0,3…0,45 мм

Нумерация – от скошенного угла (верхний левый) против часовой стрелки.

Вот так, в общих чертах, обстоят дела с корпусами. Надеюсь теперь вам станет немножко легче ориентироваться в бесчисленном множестве современных микросхем, и вас не будет вгонять в ступор фраза продавца типа: «эта микросхема есть только в корпусе пэ эл си си»…

<<–Вспомним пройденное—-Поехали дальше–>>

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Микросхемы.

Микросхемы ТТЛ (74…).

На рисунке показана схема самого распространенного логического элемента — основы микросхем серии К155 и ее зарубежного аналога — серии 74. Эти серии принято называть стандартными (СТТЛ). Логический элемент микросхем серии К155 имеет среднее быстродействие t_{зд,р,ср.}= 13 нс. и среднее значение тока потребления I_пот = 1,5…2 мА. Таким образом, энергия, затрачиваемая этим элементом на перенос одного бита информации, примерно 100 пДж.

Для обеспечения выходного напряжения высокого уровня U¹_вых. 2,5 В в схему на рисунке потребовалось добавить диод сдвига уровня VD4, падение напряжения на котором равно 0,7 В. Таким способом была реализована совместимость различных серий ТТЛ по логическим уровням. Микросхемы на основе инвертора, показанного на рисунке (серии К155, К555, К1533, К1531, К134, К131, К531), имеют очень большую номенклатуру и широко применяются.

Динамические параметры микросхем ТТЛ серии
ТТЛ серия		Параметр			Нагрузка
Российские	Зарубежные	P_пот. мВт.	t_зд.р. нс	Э_пот.пДж.	C_н. пФ.	R_н. кОм.
К155 КМ155	74	10	9	90	15	0,4
К134	74L	1	33	33	50	4
К131	74H	22	6	132	25	0,28
К555	74LS	2	9,5	19	15	2
К531	74S	19	3	57	15	0,28
К1533	74ALS	1,2	4	4,8	15	2
К1531	74F	4	3	12	15	0,28

При совместном использовании микросхем ТТЛ высокоскоростных, стандартных и микромощных следует учитывать, что микросхемы серии К531 дают увеличенный уровень помех по шинам питания из-за больших по силе и коротких по времени импульсов сквозного тока короткого замыкания выходных транзисторов логических элементов. При совместном применении микросхем серий К155 и К555 помехи невелики.

Взаимная нагрузочная способность логических элементов ТТЛ разных серий
Нагружаемый выход	Число входов-нагрузок из серий
Нагружаемый выход	К555 (74LS)	К155 (74)	К531 (74S)
К155, КM155, (74)	40	10	8
К155, КM155, (74), буферная	60	30	24
К555 (74LS)	20	5	4
К555 (74LS), буферная	60	15	12
К531 (74S)	50	12	10
К531 (74S), буферная	150	37	30

Выходы однокристальных, т. е. расположенных в одном корпусе, логических элементов ТТЛ, можно соединять вместе. При этом надо учитывать, что импульсная помеха от сквозного тока по проводу питания пропорционально возрастет. Реально на печатной плате остаются неиспользованные входы и даже микросхемы (часто их специально «закладывают про запас») Такие входы логического элемента можно соединять вместе, при этом ток I^o_вх. не увеличивается. Как правило, микросхемы ТТЛ с логическими функциями И, ИЛИ потребляют от источников питании меньшие токи, если на всех входах присутствуют напряжения низкого уровня. Из-за этого входы таких неиспользуемых элементов ТТЛ следует заземлять.

Статические параметры микросхем ТТЛ
Параметр	Условия измерения	К155			К555			К531			К1531
Параметр	Условия измерения	Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Макс.
U¹_вх, В схема	U¹_вх или U⁰_вх Присутствуют на всех входах	2			2			2			2
U⁰_вх, В схема	U¹_вх или U⁰_вх Присутствуют на всех входах			0,8			0,8			0,8
U⁰_вых, В схема	U_и.п.= 4,5 В			0,4		0,35	0,5			0,5		0,5
U⁰_вых, В схема	U_и.п.= 4,5 В	I⁰_вых= 16 мА			I⁰_вых= 8 мА			I⁰_вых= 20 мА
U¹_вых, В схема	U_и.п.= 4,5 В	2,4	3,5		2,7	3,4		2,7	3,4			2,7
U¹_вых, В схема	U_и.п.= 4,5 В	I¹_вых= -0,8 мА			I¹_вых= -0,4 мА			I¹_вых= -1 мА
I¹_вых, мкА с ОК схема	U¹_и.п.= 4,5 В, U¹_вых=5,5 В			250			100			250
I¹_вых, мкА Состояние Z схема	U¹_и.п.= 5,5 В, U¹_вых= 2,4 В на входе разрешения Е1 U_вх= 2 В			40			20			50
I⁰_вых, мкА Состояние Z схема	U¹_и.п.= 5,5 В, U_вых= 0,4 В, U_вх= 2 В			-40			-20			-50
I¹_вх, мкА схема	U¹_и.п.= 5,5 В, U¹_вх= 2,7 В			40			20			50		20
I¹_{вх, max}, мА	U¹_и.п.= 5,5 В, U¹_вх= 10 В			1			0,1			1		0,1
I⁰_вх, мА схема	U¹_и.п.= 5,5 В, U⁰_вх= 0,4 В			-1,6			-0,4			-2,0		-0,6
I_к.з., мА	U¹_и.п.= 5,5 В, U⁰_вых= 0 В	-18		-55			-100			-100	-60	-150

Микросхемы.

Микросхемы ТТЛ (74…).

Динамические параметры микросхем ТТЛ серии
ТТЛ серия		Параметр			Нагрузка
Российские	Зарубежные	P_пот. мВт.	t_зд.р. нс	Э_пот.пДж.	C_н. пФ.	R_н. кОм.
К155 КМ155	74	10	9	90	15	0,4
К134	74L	1	33	33	50	4
К131	74H	22	6	132	25	0,28
К555	74LS	2	9,5	19	15	2
К531	74S	19	3	57	15	0,28
К1533	74ALS	1,2	4	4,8	15	2
К1531	74F	4	3	12	15	0,28

Взаимная нагрузочная способность логических элементов ТТЛ разных серий
Нагружаемый выход	Число входов-нагрузок из серий
Нагружаемый выход	К555 (74LS)	К155 (74)	К531 (74S)
К155, КM155, (74)	40	10	8
К155, КM155, (74), буферная	60	30	24
К555 (74LS)	20	5	4
К555 (74LS), буферная	60	15	12
К531 (74S)	50	12	10
К531 (74S), буферная	150	37	30

Статические параметры микросхем ТТЛ
Параметр	Условия измерения	К155			К555			К531			К1531
Параметр	Условия измерения	Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Тип.	Макс.	Мин.	Макс.
U¹_вх, В схема	U¹_вх или U⁰_вх Присутствуют на всех входах	2			2			2			2
U⁰_вх, В схема	U¹_вх или U⁰_вх Присутствуют на всех входах			0,8			0,8			0,8
U⁰_вых, В схема	U_и.п.= 4,5 В			0,4		0,35	0,5			0,5		0,5
U⁰_вых, В схема	U_и.п.= 4,5 В	I⁰_вых= 16 мА			I⁰_вых= 8 мА			I⁰_вых= 20 мА
U¹_вых, В схема	U_и.п.= 4,5 В	2,4	3,5		2,7	3,4		2,7	3,4			2,7
U¹_вых, В схема	U_и.п.= 4,5 В	I¹_вых= -0,8 мА			I¹_вых= -0,4 мА			I¹_вых= -1 мА
I¹_вых, мкА с ОК схема	U¹_и.п.= 4,5 В, U¹_вых=5,5 В			250			100			250
I¹_вых, мкА Состояние Z схема	U¹_и.п.= 5,5 В, U¹_вых= 2,4 В на входе разрешения Е1 U_вх= 2 В			40			20			50
I⁰_вых, мкА Состояние Z схема	U¹_и.п.= 5,5 В, U_вых= 0,4 В, U_вх= 2 В			-40			-20			-50
I¹_вх, мкА схема	U¹_и.п.= 5,5 В, U¹_вх= 2,7 В			40			20			50		20
I¹_{вх, max}, мА	U¹_и.п.= 5,5 В, U¹_вх= 10 В			1			0,1			1		0,1
I⁰_вх, мА схема	U¹_и.п.= 5,5 В, U⁰_вх= 0,4 В			-1,6			-0,4			-2,0		-0,6
I_к.з., мА	U¹_и.п.= 5,5 В, U⁰_вых= 0 В	-18		-55			-100			-100	-60	-150

Простые электронные устройства на КМОП-микросхемах

Как уже отмечалось ранее, существуют десятки и сотни самых разнообразных цифровых микросхем. Живописному описанию каждой их них можно было бы посвятить немало страниц.

Однако в целях экономии бумаги и для демонстрации неограниченных возможностей применения всего одной микросхемы из множества других ниже будут рассмотрены простейшие устройства, использующие только одну микросхему — К561ЛЕ5.

Сенсорный пульт управления

Сенсорный пульт управления, позволяющий включать/выключать нагрузку, разработан И.А. Нечаевым (рис. 1) [Р 1/85-49]. Устройство содержит генератор, вырабатывающий импульсы частотой 300…500 Гц.

Их скважность (отношение длительности импульса к паузе) составляет 1:40 и определяется отношением сопротивлений R1 и R2. Если к сенсорной пластинке Е1 приложить палец, начнет заряжаться конденсатор С2.

Скорость и время заряда этого конденсатора зависит от сопротивления между контактами. В соответствии с заряд-но-разрядными процессами будет изменяться величина управляющего сигнала, проходящего через схему управления.

Рис. 1. Схема сенсорного пульта управления.

Изменяя силу и время прижатия пальцев к сенсорным площадкам Е1 и Е2, можно управлять уровнем выходных сигналов, интенсивностью свечения светодиодов HL1 и HL2.

Для настройки схемы при использовании сенсорных площадок различной конфигурации и площади, возможно, придется подобрать емкости конденсаторов С2 и СЗ.

Цветорегулятор

Несложный цветорегулятор можно собрать используя генератор импульсов управляемой скважности (рис. 2). Изменяя соотношение пауза/импульс с помощью потенциометра R2 можно управлять средней силой тока, протекающего через светодиоды HL1 и HL2.

Рис. 2. Схема цветорегулятора.

Если эти светодиоды отличаются по цвету свечения, объединив их под общим светособирающим экраном, можно добиться плавного изменения цвета суммарного свечения. В качестве нагрузки можно включить лампы накаливания, получив таким образом регулятор света. Для этого придется выполнить выходные каскады на более мощных транзисторах.

Схема сенсорного выключателя

На рис. 3 показана схема сенсорного выключателя конструкции И.А. Нечаева [Р 4/89-62]. Прикосновение к площадкам Е1 и Е2 позволяет включать или выключать ток в нагрузке (светодиоды HL1 и HL2).

Рис. 3. Схема сенсорного выключателя.

Работает сенсорный выключатель следующим образом: в момент включения питания конденсаторы С1 и С2 разряжены, на входах соответствующих логических элементов устанавливаются логический нуль (выводы 1, 2 микросхемы DD1) и логическая единица (выводы 3, 5, 6 микросхемы DD1).

Соответственно, на выходе второго логического элемента установится логический нуль, а на выходе третьего — логическая единица, четвертого — снова нуль. Следовательно, один из элементов нагрузки — светодиод — будет включен, другой — выключен.

Резистор R3 создает цепь положительной обратной связи, обеспечивающей устойчивое состояние сенсорного выключателя. Для того чтобы переключить нагрузку, достаточно коснуться пальцем до сенсорных площадок Е1 и Е2.

С конденсатора С2 уровень логической единицы окажется поданным через сопротивление пальца и резистор R1 на вход первого логического элемента.

Поскольку на входе первого элемента устанавливается значение логической единицы, все остальные логические элементы одновременно изменят свое состояние. Выходные каскады переключатся.

На конденсаторе С1 установится значение логической единицы, на конденсаторе С2 — логического нуля. Для повторного переключения элементов схемы необходимо снова прикоснуться к сенсорным площадкам.

Это прикосновение приведет к очередной перезарядке конденсаторов С1 и С2 и переключению схемы в другое устойчивое состояние.

Сенсорный выключатель устойчиво работает в диапазоне питающих напряжений от 6 до 12 6. Взамен светодиодных индикаторов или параллельно им может быть включена и иная нагрузка, например, обмотка реле, управляющего работой бытовой техники, генератор звуковых или световых сигналов и т.п.

Модель электронного светофора

Модель электронного светофора (рис. 4) позволяет поочередно переключать разноцветные светодиоды, имитируя работу настоящего светофора [Рл 10/98-15].

Времязадающая цепь генератора (R2, С2) определяет частоту переключения зеленого и красного светодиодов, а цепь R1, С1 определяет время свечения желтого светодиода. Продолжительность свечения зеленого и красного светодиодов составляет около 10 сек и определяется постоянной времени R2C2, где сопротивление выражено в МОм, а емкость — в мкФ.

Рис. 4. Схема электронного «светофора».

Светофон

Светофон (рис. 5) представляет собой электронную игрушку — звуковой генератор [Р 1/90-60]. Частота генерации определяется уровнем освещенности чувствительного к свету (hv) элемента R1 (фотосопротивления, фотодиода) при приближении к нему руки. Для того чтобы звучание происходило по желанию «музыканта», включение звука происходит при отпускании пальца от сенсорных площадок Е1 и Е2.

Рис. 5. Схема светофона.

При использовании фоточувствительных приборов различного типа вероятно потребуется подбор емкости конденсатора С1, а также включение параллельно (или последовательно) фоточувствительному элементу (фотосопротивлению, фотодиоду) резисторов, задающих диапазон изменения генерируемой звуковой частоты.

Отметим попутно, что при самостоятельной доработке устройства в качестве управляющего элемента (рис. 5) можно использовать термосопротивление, имеющее малую тепловую инерцию, например, бусинкового типа.

Устройство, полученное при этом, можно наименовать термофоном или эолофоном (от греческого aiolos — ветер и phone — голос, звук) — оно будет изменять частоту звука при обдувании терморезистора.

Электромузыкальный прибор, управляемый наэлектризованным предметом (электронофон), можно получить, включив полевой транзистор вместо резистора R1.

Терменвокс

Идея терменвокса была предложена в эпоху раннего «средневековья» радиоэлектроники — на рубеже 20-30-х годов XX века изобретателем и музыкантом Львом Терменом.

В основу действия этого электромузыкального инструмента заложен принцип сопоставления (вычитания) частот двух генераторов.

Один из генераторов является эталонным, второй — управляется приближением (удалением) ладони руки. Чем ближе ладонь, тем заметнее уход частоты второго генератора, тем выше звук на выходе устройства.

Рис. 6. Схема простого самодельного терменвокса.

Модель терменвокса, одного из самых первых электромузыкальных инструментов, может быть собрана по схеме на рис. 6. Это устройство является упрощенной модификацией схемы Э. Апрелева [М 6/92-28].

Сигналы двух генераторов вычитаются в специальном смесителе сигналов. Разностная частота поступает на звукоизлучатель или усилитель низкой частоты.

Исходная частота работы генераторов близка к 90 кГц. Антенной устройства является медный или алюминиевый прут диаметром 2…4 мм длиной 25…40 мм.

Разумеется, представленная на рис. 6 схема формирования звука заметно упрощена. В частности, для «реального» инструмента обязательно необходима регулировка громкости звучания инструмента. Для этого обычно используют аналогичный второй канал.

Изображенная на рис. 6 наиболее упрощенная модель терменвокса построена на основе двух генераторов, выполненных на микросхеме.

Начальная частота генерации обоих генераторов одинакова и устанавливается конденсатором СЗ и потенциометром R1. Выходные сигналы с генераторов через диоды VD1 и VD2 поступают на вход усилителя низкой частоты (транзистор VT1).

При приближении руки к антенне WA1 изменяется частота работы верхнего по схеме генератора, что вызывает появление звука изменяющейся тональности в телефонном капсюле.

Оригинальный металлоискатель, реагирующий на появление металлического (токопроводящего) предмета в поле антенны устройства также может быть собран по схеме на рис. 6.

В сочетании с обычным металлоискателем это позволит более уверенно распознавать различные предметы (магнитные, диамагнитные, токопроводящие и токонепроводящие), попадающие в поле действия поисковой катушки или электрода.

Электромузыкальный инструмент

На микросхеме DD1 К561ЛЕ5 (рис. 7) может быть собран электромузыкальный инструмент [Рл 9/97-28]. Генератор импульсов на трех инверторах микросхемы DD1 управляется ключами S1 — Sn.

Генератор прямоугольных импульсов будет работать на частоте, определяемой подключаемыми к общей шине резисторами R1 — Rn (десятки, сотни кОм).

Рис. 7. Схема электромузыкального инструмента на микросхеме.

Ключи-клавиши S1 — Sn и ключ S2 должны замыкаться единовременно (зависимо). Как упростить коммутацию, исключив ключ SA2, следует подумать самостоятельно. Сигнал звуковой частоты через усилительный каскад (транзистор VT1) поступает на телефонный капсюль BF1 или внешний усилитель.

Индикатор электрического поля

Индикатор электрического поля или простейшего типа может быть собран по схемам, представленным на рис. 8 и 11 [Рл 9/98-16].

Входы неиспользуемых инверторов /ШОГ7-микросхем необходимо соединить с общим проводом или шиной питания (рис. 8). При приближении индикатора к сетевому проводу в первой схеме вырабатываются звуковые сигналы, воспроизводимые пьезокерамическим излучателем, во второй схеме устройство реагирует на переменное электрическое поле звуковыми сигналами.

Рис. 8. Схема искателя электропроводки.

Рис. 11. Схема индикатора электрического поля.

Фотореле, термореле

Фото- или термореле может быть выполнено по схеме, приведенной в книге Л.Д. Пономарева и А.Н. Евсеева (рис. 9). Устройство содержит регулируемый резистивный делитель напряжения, состоящий из резистора-датчика R1 и потенциометра R2.

К средней точке этого делителя подключен вход триггера Шмитта, составленный из двух логических элементов КМОП-млк-росхемы. К выходу триггера подсоединены эмиттерный повторитель и тиристорный коммутатор постоянного тока. Вместо тиристора может быть использован его транзисторный аналог.

Рис. 9. Схема фотореле, термореле.

При изменении сопротивления датчика триггер Шмитта переключается из одного устойчивого состояния в другое.

Соответственно, выходной сигнал через согласующий эмиттер-ный повторитель подается на управляющий электрод тиристора VS1. Происходит включение тиристора, срабатывает реле К1 или иная нагрузка. Для отключения нагрузки необходимо «сбросить» состояние тиристора, т.е. кратковременно отключить питание.

Такая схема может быть использована для контроля технологических и иных процессов, предупреждения критических и аварийных ситуаций, оповещения персонала о нештатном режиме работы оборудования и т.д.

Для того чтобы устройство самостоятельно включалось и отключалось, вместо тиристора следует установить кремниевый транзистор, рассчитанный на ток нагрузки.

Индикатор перегорания предохранителя

Индикатор перегорания предохранителя Л. Тесленко (рис. 10) содержит генератор импульсов на микросхеме и светодиодный индикатор [Р 11/85-44].

Рис. 10. Схема индикатора перегорания предохранителя.

Когда предохранитель цел, на вход инвертора (вывод 8 микросхемы DD1) подается напряжение высокого уровня, запрещающее работу генератора.

Стоит перегореть предохранителю, вывод 8 через сопротивление нагрузки оказывается присоединенным к общей шине. Генератор начнет работать, при этом светодиод мигает с частотой около 5 Гц.

Для индикации перегорания предохранителя при «оборванной» нагрузке параллельно сопротивлению нагрузки желательно включить резистор величиной около 1 МОм.

Простой металлоискатель

Металлоискатель на микросхеме DD1 K561ЛE5, выполненный по традиционной схеме сравнения частот опорного и поискового генераторов [Р 8/89-65], показан на рис. 12.

Рис. 12. Схема металлоискателя.

Частота опорного генератора определяется емкостью конденсатора С1 и суммарным сопротивлением резисторов R1 и R2.

Частота поискового генератора зависит от параметров LC-контура поисковой катушки (L1, С2). При приближении поисковой катушки к металлическому предмету ее индуктивность меняется, изменяя частоту генерации поискового генератора.

Сигналы с обоих генераторов через развязывающие конденсаторы С4 и С5 поступают на диодный детектор, выполненный по схеме удвоения напряжения.

Нагрузкой детектора является высокоомный телефонный капсюль BF1, и в нем выделяется сигнал разностной частоты. При использовании низкоомного телефонного капсюля может потребоваться дополнительный каскад усиления. Конденсатор С6 шунтирует на общий провод высокочастотные составляющие смешиваемых сигналов.

Поисковая катушка размещена внутри алюминиевого или медного незамкнутого кольца диаметром 200 мм. Диаметр трубки — 8 мм. Для намотки использован провод, например, ПЭЛШО диаметром 0,5 мм.

Количество витков определяется по принципу «сколько войдет». Выводы катушки присоединяют к схеме, а саму трубку соединяют с общей шиной.

Налаживание металлоискателя заключается в установке частоты опорного генератора до появления в телефонном капсюле звуковых сигналов низкой частоты. При этим, возможно, придется подобрать емкость конденсатора С1 или С2.

Устройство для рефлексотерапии

Схема прибора — электронного устройства для рефлексотерапии, разработанного И. Скулкиным — показана на рис. 13 [Рл 2/97-26]. Узел поиска биологически активных точек (БАТ) содержит усилитель на составном транзисторе VT1 — VT3 и генератор импульсов на микросхеме DD1.

Рис. 13. Схема прибора для рефлексотерапии.

Поисковый (активный) электрод (А) представляет собой закругленную иглу диаметром 1 мм. Пассивный электрод (П) состоит из отрезка телескопической антенны.

При поиске БАТ на теле человека этот электрод зажимают в руке. Когда поисковый электрод попадает на БАТ, сопротивление участка кожи резко уменьшается, а устройство реагирует на это включением светодиода.

Полярность напряжения, прикладываемого к биологически активной точке, можно изменять переключателем SA1, а переключатель SA2 переводит устройство из режима поиска БАТ в режим воздействия на них. Частоту и ток воздействия задают потенциометры R2 и R4, соответственно.

Для проверки готовности прибора к работе следует в режиме «Поиск» (SA2) установить максимальный ток воздействия и замкнуть электроды. При этом должен загореться светодиод HL1.

Электронный телеграфный ключ

Электронный телеграфный ключ на одной микросхеме K561J1E5 (рис. 14) выполнен по традиционной для таких ключей схеме [Рл KB и УКВ 1/96-23]. Релаксационный генератор собран на логических элементах с разными RC-цепями, ответственными за формирование посылок тире и точек.

Рис. 14. Схема электронного телеграфного ключа.

При нажатии на телеграфный ключ (замыкании зарядной цепи) заряжается группа конденсаторов С1 — СЗ (тире) или С2, СЗ (точка). Когда напряжение на входе логического элемента DD1.1 превысит определенный пороговый уровень, произойдет его переключение, и на выходе установится значение логического нуля.

Процесс заряда конденсаторов прервется, и они начнут разряжаться через сопротивления R2 и R3. При снижении напряжения на конденсаторах ниже определенного значения первый логический элемент вновь переключится, и процесс зарядки/разрядки конденсаторов повторится.

Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока замкнута контактная группа телеграфного манипулятора. Длительность точек и тире определяется постоянными времени зарядных и разрядных цепей (RC). Конденсаторы С1 — СЗ должны иметь малые токи утечки.

Для звуковой индикации генерируемых телеграфных сигналов предназначен генератор, выполненный на третьем и четвертом элементах микросхемы.

Генератор нагружен на пье-зокерамический излучатель типа ЗП-19. При использовании индуктивного излучателя (телефонного капсюля) последовательно с ним необходимо включить разделительный конденсатор емкостью более 0,1 мкФ.

Одновременно со звуковой, в схему введена световая индикация на светодиоде НИ (АЛ307), что позволяет визуально контролировать наличие телеграфных посылок. Для коммутации цепей передающего устройства использован буферный каскад на транзисторе VT1 (КТ315), нагруженный на реле.

Как и для других простейших телеграфных ключей, использующих подобный способ формирования точек и тире, данной конструкции присущи те же недостатки: необходимость подстройки соотношения продолжительности точек/тире сопротивлением R1 при изменении скорости передачи.

Механическая часть манипулятора может быть изготовлена из отрезка ножовочного полотна с примыкающими к нему контактными группами. В качестве таких контактов можно воспользоваться контактами разобранного крупногабаритного реле.

Многоголосый имитатор звуков

«Многоголосый» имитатор звуков, описанный М. Холодовым (рис. 15), содержит два последовательно включенных и управляемых генератора [Р 7/87-34]. Один из них работает на частоте 1…3 Гц, второй вырабатывает колебания частотой 0,2…2 кГц.

Если в цепь управления (клеммы XS1 и XS2) подключить рези-стивно-емкостной датчик, то на выходе устройства можно получить различные звуковые эффекты, разнообразие проявления которых ограничено только фантазией экспериментатора.

Если ко входу имитатора подключить переменное сопротивление 100 кОм и вращать его ручку, на выходе устройства звук будет напоминать трели соловья, затем щебетание воробья, кряканье утки, кваканье лягушки…

Рис. 15. Схема многоголосого имитатора звуков.

Устройство собрано на микросхеме К561ЛА7 (элементы И-НЕ). Имитатор при желании можно выполнить и на элементах ИЛИ-НЕ (К561ЛЕ5). Для этого потребуется самостоятельная переработка схемы.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

границ | На пути к «канонической» агранулярной кортикальной микросхеме

Введение

Кора головного мозга, возможно, является одной из самых сложных физических систем. Распутывание запутанных отношений бесчисленных элементов серого вещества является одной из труднейших задач науки, о чем уже говорил Сантьяго Рамон и Кахал:

«Преданность полушариям головного мозга, загадка загадок, была во мне старым … высшая хитрость структуры серого вещества настолько запутана, что она не поддается и будет игнорировать упрямое любопытство исследователей на протяжении многих веков.Это явное расстройство мозговых джунглей, столь отличающееся от регулярности и симметрии спинного мозга и мозжечка, скрывает глубокую организацию предельной тонкости, которая в настоящее время недоступна ». (Кахал, 1937)

Десятилетия спустя картина стала более изысканной, но всестороннее понимание корковой микроархитектуры все еще остается фундаментальной научной проблемой. Важным шагом стало признание того, что кора головного мозга локально структурирована в горизонтальные отсеки («слои»), а также в вертикальные единицы («столбцы»), которые могут иметь функциональное значение.Традиционно изокортекс характеризовался в контексте шестислойной схемы (Brodmann, 1909; Vogt, 1910; von Economo, 2009), в отличие от трехслойного распределителя. Эта схема, однако, подвержена существенным изменениям в относительной заметности слоев и нарушена в значительном количестве областей коры. Тем не менее, несмотря на признание того, что «различие шести уровней может быть как произвольным, так и условным» (von Economo, 2009), сам фон Economo утверждал, что «на практическом основании мы сохраняем разделение на шесть слоев» (von Экономо, 2009).Действительно, упрощенная концепция равномерно шестислойного изокортекса возобладала (Zilles and Amunts, 2012) и стала общепринятой.

Радиальная организация коры стала предметом интереса, когда предполагалось существование вертикальных столбцов, охватывающих все кортикальные слои (Lorente de Nó, 1949; Mountcastle, 1957), с равномерными столбцами, повторяющимися по всей коре для формирования нейронного субстрата промежуточного уровня для обработки информации. В этих столбцах связь между кортикальными слоями оказалась стереотипной (Szentagothai, 1978; Gilbert and Wiesel, 1983).Хотя до сих пор ведутся серьезные споры о существовании, точном определении и степени неоднородности клеточного состава кортикальных столбцов (Rakic, 2008; da Costa и Martin, 2010; Rockland, 2010; Smith, 2010a, b, c, d; Carlo and Stevens, 2013; Herculano-Houzel et al., 2013), концепция радиальной организации коры была позже распространена на понятие «канонической» микросхемы (Douglas et al., 1989; Douglas and Martin, 1991, 2004). , как общий шаблон внутренней кортикальной схемы.Считается, что вычисления, выполняемые такой фундаментальной нейронной цепью, предписываются внутренней схемой внутри кортикального столбца, а функциональная специфичность добавляется шаблонами аксонных входов и выходов в столбец и из него. Значительная работа была посвящена вычислительным характеристикам и теоретическим свойствам «канонической» микросхемы (например, Douglas et al., 1989, 1995; Haeusler and Maass, 2007; George and Hawkins, 2009; Haeusler et al., 2009; Wagatsuma и др., 2011; Бастос и др.2012; Habenschuss et al., 2013). В префронтальной коре приматов было показано, что «каноническая» микросхема подвергается изменениям в полосатом контуре (Heinzle et al., 2007; Godlove et al., 2014). В целом, имеются многочисленные данные о вариантах внутренней связности в областях коры, таких как префронтальная кора (Melchitzky et al., 2001), соматосенсорная кора (Lübke and Feldmeyer, 2007; Petersen, 2007; Lefort et al., 2009; Feldmeyer et al., 2013) или слуховой кортекс (Barbour and Callaway, 2008; Oviedo et al.2010; Watkins et al., 2014). Тем не менее, понятие «канонической» микросхемы, которая приобрела популярность, особенно в сообществе вычислительной нейробиологии, а также вдохновила нейроинженерные решения (например, Merolla et al., 2014), все еще в значительной степени основана на работе в одной конкретной области коры, полосатая кора. Более того, большая часть этой работы была сосредоточена на мозге кошек и нечеловеческих приматов (Douglas and Martin, 2007a). Стриатная кора не только особенная по количеству зондирования, но и исключительная по своей цитоархитектонической дифференцировке.Полосатая кора – это область коры с самой высокой плотностью нейронов, спортивные показатели которой значительно выше, чем у остальной части коры (Schüz and Palm, 1989; Collins et al., 2010; Cahalane et al., 2012; Herculano-Houzel et al., 2013). Количество (под) слоев, которые могут быть идентифицированы, также выше в полосатой коре, чем в других областях коры. Вместо того чтобы все части коры были равномерно дифференцированы, цитоархитектоническая дифференциация постепенно изменяется по всей коре (Sanides, 1970; von Economo, 2009; Zilles and Amunts, 2012), как показано на рис. 1А для человеческого мозга.Спектр дифференциации варьируется от полосатой коры, наиболее четко выраженной зоны эвлаумината, до агранулярных областей, в которых отсутствует внутренний зернистый слой (L4) и которые имеют мало идентифицируемых подслоев, а также очень низкую плотность нейронов. В промежутке между этими двумя крайностями можно найти области, которые все еще являются эвлоаминированными, но без заметной ясности дифференцировки или плотной упаковки нейронов, обнаруженных в корешке полосатого тела, таких как кора предстательной железы, а также дисгранулярные области с более низкой плотностью нейронов, растворение внутреннего зернистого слоя и меньше идентифицируемых подслоев.Количественные различия во многих аспектах структурной организации кортикальной ткани были широко продемонстрированы (например, Beaulieu and Colonnier, 1989; Defelipe et al., 1999; Dombrowski et al., 2001; Yáñez et al., 2005; Collins et al. 2010).

Рисунок 1. (A) Цитоархитектоническая дифференциация варьируется по всей коре. Это боковое изображение человеческого мозга показывает широкие вариации присутствия гранулярных клеток, как описано von Economo (2009). (B) Ламинарное происхождение и закономерности внешних кортикально-кортикальных связей варьируются в зависимости от относительной архитектонической дифференциации связанных областей.Истоки проекции (окончания) смещаются от инфрагранулярного к надгранулярному слоям, поскольку область источника (мишени) становится более сильно дифференцированной. Это правило приводит к однослойным профилям для проекций между областями, которые неравны по своей дифференциации, и к многослойным профилям для областей с более сходной дифференциацией. (A) , адаптированный от von Economo (2009), (B) , адаптированный от Barbas и Rempel-Clower (1997).

При описании «канонической» микросхемы необходимо учитывать изменение локальной кортикальной структуры, поскольку маловероятно, чтобы структуры меж- и внутрислойных связей были однородными, несмотря на сильные изменения их структурной подложки.Действительно, экспериментальные результаты, например, из коры ствола грызунов, демонстрируют, что внутренняя связь не является равномерной по всей коре (Sato et al., 2008; Meyer et al., 2013; Reyes-Puerta et al., 2014). Было показано, что неоднородность в цитоархитектонической дифференциации имеет последствия для других аспектов структурной связности в мозге. Ламинарные структуры внешних связей, которые связывают области мозга вдоль путей белого вещества, тесно связаны с относительной цитоархитектонической дифференциацией связанных областей (Barbas, 1986; Barbas и Rempel-Clower, 1997; Medalla and Barbas, 2006; Hilgetag and Grant, 2010 Beul et al.2014). Стереотипные ламинарные паттерны, которые были обнаружены в коре приматов, отличных от человека, и кошачьей коры (Рис. 1B), отчетливо показывают происхождение и окончания в инфра- и надгранулярном направлениях для проекций между областями слабой дифференциации и областями сильной дифференцировки, в то время как эти модели постепенно изменяются в сторону многослойного происхождения. и профили завершения, поскольку разница в дифференциации между связанными участками становится менее выраженной.

Поскольку вариация цитоархитектонической дифференциации является аспектом корковой организации, который недостаточно рассматривается при обсуждении внутренних схем, мы здесь хотим повысить осведомленность о важности архитектурных различий, предоставляя первое приближение к общим характеристикам внутренних схем в агранулярных областях коры головного мозга.Мы делаем это путем усвоения информации из имеющейся литературы о меж- и внутриламинарном соединении в агранулярной лобной коре головного мозга грызунов, чтобы представить предварительную модель внутренней схемы в областях коры головного мозга на противоположном конце спектра дифференцировки, чем ранее были рассмотрены преимущественно для таких моделей. Это изменение имеет решающее значение для реалистичного применения выводов, полученных из таких модельных цепей, например, в биологическом обосновании экспериментов из силикона (например,g., Merolla et al., 2014).

В следующем обзоре мы кратко представим текущие сведения о «канонической» микросхеме, а затем выделим отчет об экспериментальных результатах, которые показывают изменение межслойного торможения в корковых областях различной цитоархитектуры (Kätzel et al., 2011). Впоследствии мы представляем результаты проведенного нами литературного обзора данных, которые могут пролить свет на внутреннюю микросхему в агранулярной коре головного мозга. Мы решили сосредоточиться на мозге грызунов, опираясь на относительное изобилие экспериментальных данных, доступных для этой популярной модели животных.Для сравнения, в меньшем количестве исследований сообщается о внутренней схеме у приматов, отличных от человека, и лишь о небольшой доле тех, которые считаются агранулярными кортикальными областями, которые относительно редко встречаются в мозге приматов. Сосредоточив внимание на мозге грызунов, мы можем поэтому предоставить более подробный набросок внутренней схемы в агранулярной коре без необходимости включать данные по широкому кругу видов, что было бы более неопределенным подходом.

Внутренняя схема

в зернистой коре

За последние десятилетия общие черты внутренней схемы в полосатой коре обнаружились в исследованиях на кошке и приматах, не являющихся человеком.Предполагается, что соединения образуют цикл обработки через кортикальные слои, где повторяющиеся возбуждение и торможение взаимосвязаны, что приводит к усилению входных сигналов в кортикальном столбце и соответствующей модуляции последующей деятельности (Markram et al., 2004; Douglas and Martin, 2004 , 2007a; Bannister, 2005; Lübke and Feldmeyer, 2007). Для исследования локальной микросхемы использовались разнообразные экспериментальные методы с различной степенью чувствительности и надежности. В двух исследованиях, которые предоставили наиболее полные данные о коре полосатой кошки, использовались электрофизиологический и морфологический подходы соответственно.Томсон и соавт. (2002) использовали двойные внутриклеточные записи для характеристики синаптических связей через кортикальные слои. Бинзеггер и соавт. (2004) реконструировали морфологию нейронов в полосатой коре в трех измерениях и оценили количество синаптических контактов между различными типами клеток. Оба набора данных были адаптированы и использованы в различных исследованиях, например, при построении вычислительных моделей (например, Haeusler and Maass, 2007; Haeusler et al., 2009; Bastos et al., 2012; Du et al.2012; Potjans and Diesmann, 2014). Но даже при том, что одна и та же модельная система, кошачий кортекс, рассматривалась в этих исследованиях, в настоящее время не существует определенной схемы внутренней схемы этой области. Есть, например, расходящиеся данные о том, происходит ли периодическое возбуждение между L3 и L5 или между L4 и L3 (ср. Thomson et al., 2002; Thomson and Bannister, 2003 и Binzegger et al., 2004; Douglas and Martin, 2004 ).

Такие расхождения могут быть устранены с помощью будущих экспериментальных результатов.Напротив, сообщения о различиях в характере межслойной активации в корковых областях указывают на существование подлинных изменений в внутренней цепи мозга. Кэтзел и др. (2011) использовали генетически нацеленную фотостимуляцию для комплексного картирования связывающей ингибирующей и возбуждающей связи в трех отдельных областях коры мыши. Они оценили внутри- и межслойную связность в полосатой коре, первичной соматосенсорной и первичной моторной коре. Как упоминалось ранее, полосатая кора головного мозга на сегодняшний день является наиболее дифференцированной областью коры даже в мозге грызунов (Herculano-Houzel et al., 2013), где он менее дифференцирован, чем, например, у приматов. Первичная соматосенсорная кора, хотя все еще явно эуламинирована, уже намного менее плотна и содержит меньше различимых подслоев, тогда как первичная моторная кора еще менее цитоархитектонически дифференцирована (Collins et al., 2010; Herculano-Houzel et al., 2013). Таким образом, первичная моторная кора располагается в нижней части спектра дифференциации с дисгранулярными кортикальными областями, хотя иногда ее классифицируют как агранулярную (без внутреннего зернистого слоя, L4): см. Shipp (2005) и García-Cabezas and Barbas (2014) для широкое обсуждение этого вопроса.Кроме исследования связности в трех кортикальных областях, обрабатывающих различные модальности, это исследование, следовательно, может быть использовано для демонстрации потенциальных различий в отношении внутренней схемы в трех областях, занимающих разные позиции в спектре дифференциации. В то время как Kätzel et al. (2011) сообщают об относительно однородных схемах внутриламинарного торможения в этих трех областях коры, межлиминарная ингибирующая и возбуждающая связь существенно различалась (рис. 2). В полосатой коре наблюдается значительное межслойное торможение между всеми слоями (L2 / 3, L4, L5 / 6).В первичной соматосенсорной коре сообщалось о сходном паттерне межслойного ингибирования, но без ингибирования между L2 / 3 и L5 / 6. Напротив, в первичной моторной коре существенного ингибирования между L2 / 3, L4 и L5 / 6 не наблюдалось. Таким образом, в трех выбранных областях межслойная ингибирующая и возбуждающая связь была постепенно слабее в менее цитоархитектонически дифференцированных областях. Интерпретируя результаты таким образом, мы предполагаем, что они отражают подлинные различия в присутствии межслойного торможения, а не влияние других аспектов структурных изменений в исследуемых областях.Например, систематические различия в морфологии клеток в выбранных областях могут привести к искаженным результатам от применения одного и того же подхода к измерению для всех областей. Тем не менее, эти наблюдения подтверждают мнение о том, что внутренняя схема не может быть однородной, несмотря на значительные вариации структурного субстрата, как это имеет место в областях коры головного мозга с глубоко различающейся цитоархитектонической дифференциацией.

Рис. 2. Межслойное торможение варьируется в зависимости от коры мыши .По мере ослабления цитоархитектонической дифференциации обилие межслойной ингибирующей и возбуждающей связи уменьшается. Напротив, внутриламинарное взаимодействие, включая внутриламинарное ингибирование, представляется относительно неизменным (внутриламинарные соединения, которые являются общими для всех, не показаны). Цвета столбцов соответствуют цветовой кодировке цитоархитектонической дифференциации на рисунке 1: желтая слабо дифференцированная кора к темно-зеленой сильно дифференцированной коре. Адаптировано с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Kätzel et al.(2011).

Предварительная внутренняя схема агранулярной коры

На рисунке 3 обобщен наш обзор доступной литературы по внутренним межслойным схемам в лобной коре головного мозга головного мозга грызунов и дано сравнение с недавним рендерингом внутренних схем в полосатой коре. Возбуждающие-возбуждающие связи от L2 / 3 до L5 были четко продемонстрированы в лобной коре головного мозга крысы путем измерения возбуждающих постсинаптических токов (EPSC) в моносинаптически связанных пирамидных нейронах в L5, индуцированных стимуляцией в L2 / 3 (Kang, 1995; Otsuka) и Kawaguchi, 2008, 2009, 2011; Hirai et al.2012). Одно из этих исследований парной записи (Otsuka and Kawaguchi, 2009) дополнительно продемонстрировало существование возбуждающих-ингибирующих связей от L2 / 3 до L5, о чем также сообщили Apicella et al. (2012) в двигательной коре мыши. Эксперименты Hirai et al. (2012) показали, что взаимные связи с возбуждающими-возбуждающими соединениями от L2 / 3 до L5 существуют от пирамидальных клеток L5 до пирамидальных клеток L2 / 3. Это наблюдение подтверждается в медиальной энторинальной коре крысы (van Haeften et al., 2003), который можно считать агранулярным, поскольку его слой IV («lamina dissecans») в основном является бесклеточным (Andersen et al., 2007). Микроскопическое исследование van Haeften et al. (2003) проследили процессы пирамидальных клеток в глубоких слоях, разветвляющихся в поверхностных слоях, и определили синаптические контакты, сделанные этими нейронами. Анализ выявил возбуждающе-возбуждающие, а также возбуждающе-тормозящие соединения из глубоких в поверхностные слои.

Рисунок 3.(A) Внутренняя схема в гранулированной полосатой коре. Адаптировано из Potjans and Diesmann (2014), которые в значительной степени основали свою диаграмму на Binzegger et al. (2004). (B) Предполагаемая схема внутренней схемы в лобной коре головного мозга грызунов. Внутриламинарная связность в агранулярной коре сходна с таковой в гранулярной коре, но межслойная связь отличается. Цвета столбцов соответствуют цветовой кодировке цитоархитектонической дифференциации на рисунке 1: желтая слабо дифференцированная кора к темно-зеленой сильно дифференцированной коре.

Принимая во внимание тенденцию ослабления связывающей способности между ингибитором и возбудителем в цитоархитектонически менее дифференцированных областях (Kätzel et al., 2011, см. Выше), мы считаем вероятным отсутствие существенного межслойного ингибирования возбуждающих нейронов в лобной коре головного мозга грызунов, которая отражено в нашей предварительной схеме. Исследование van Haeften et al. (2003) в медиальной энторинальной коре, которая сообщает об отсутствии тормозных синапсов от глубокого до поверхностного, подтверждает тот же вывод.Van Haeften et al. кроме того, сообщают, что только небольшой процент наблюдаемых синапсов потенциально может быть классифицирован как ингибирующий к ингибирующему, что дает мало доказательств такой связи между глубокими и поверхностными слоями. Рассматривая взаимную ингибирующую связь между поверхностными и глубокими слоями, мы не смогли найти исследований, сообщающих об отсутствии или наличии такой связи. В принципиальную схему (рис. 3) мы не включили связи, которые могли быть выведены только из исключительно морфологических результатов (например,г., Кавагути, 1993, 1995; Кавагути и Кубота, 1997; Kubota et al., 2011), поскольку мы не считали данные о пространственном распространении аксонных коллатералей достаточно надежными, чтобы продемонстрировать функциональную связь, поскольку было показано, что образование синапсов является высокоспецифичным (например, Kozloski et al., 2001; Браун и Хестрин, 2009). По этим причинам на Рисунке 3B показано отсутствие ингибирующих межслойных связей, хотя достоверность этой оценки, конечно, зависит от дальнейших экспериментальных данных.

В отличие от этого, имеется множество доказательств богатой внутриламинальной связности, включая возбуждающие-ингибирующие и ингибирующе-возбуждающие соединения (Kang, 1995; Somogyi et al., 1998; Kawaguchi and Kondo, 2002; Barthó et al., 2004; Otsuka and Kawaguchi, 2009; Fino and Yuste, 2011; Kätzel et al., 2011). Таким образом, мы предположили стереотипную схему связи внутри глубоких и поверхностных слоев, как показано на рисунке 3B.

Собственная электрическая схема, которую мы здесь описали, таким образом, включает межслойные возбуждающие соединения, которые соединяют популяции нейронов как из верхнего, так и нижнего слоев с возбуждающими, а также ингибирующими популяциями нейронов в комплементарных корковых слоях.Внутри верхнего и нижнего слоев внутриламинарные соединения взаимно соединяют возбуждающие и ингибирующие популяции нейронов. Эта внутренняя межслойная схема поразительно похожа на упрощенную исходную принципиальную схему для полосатой коры Дугласа и соавт. (1989), и допускает периодическое возбуждение и торможение. Предполагалось, что эти физиологические взаимодействия лежат в основе необходимых вычислительных механизмов в полосатой коре (Douglas et al., 1995; Douglas and Martin, 2007b, 2009). Микросхема в том виде, в котором мы ее здесь описываем, должна, соответственно, поддерживать элементарные нейронные функции, такие как усиление слабых входов через положительную обратную связь или регулировку усиления и нормализацию сигнала через отрицательную обратную связь.

Обсуждение

Исходным вопросом этого обзора было то, существует ли общий шаблон внутренней микросхемы в коре, несмотря на выраженные региональные различия в цитоархитектонической организации. Ответ сильно зависит от того, насколько широко сформулирована концепция стереотипии (Silberberg et al., 2002), но даже для кортикальной области, наиболее интенсивно изучаемой в этом контексте, полосатой коры, пока еще нет консенсуса по подробному «каноническому» микросхема.Кроме того, были отмечены различия в схемах по всей коре, которые согласуются с изменениями в структурном субстрате, в который встроена внутренняя связь. Чтобы учесть эти структурные различия, мы предлагаем предварительную принципиальную схему агранулярной лобной коры головного мозга грызунов, агранулярной области, которая поразительно противоположна полосатой коре в своей цитоархитектонической организации. Наш обзор существующей литературы указывает на внутреннюю цепь, которая имеет возбуждающие-возбуждающие и возбуждающие-ингибирующие связи от верхних слоев к нижним слоям, а также от нижних слоев к верхним слоям (рис. 3В), но не показывает межслойный ингибирующие-ингибирующие или ингибирующие-возбуждающие соединения.Эта схема основана на множественных подходах для исследования структурных и функциональных цепей (таких как электрофизиологические парные записи с использованием микростимуляции, эксперименты по анатомическому отслеживанию или исследование морфологических признаков с использованием световой и электронной микроскопии) с различными оговорками и различными уровнями надежности. Важно отметить, что информация была взята из исследований, основной целью которых была не обязательно характеристика межслойной схемы. Поэтому наша принципиальная схема подлежит обсуждению и должна быть изменена в свете будущей информации.При составлении принципиальной схемы мы участвовали в некоторых общих упрощениях, касающихся анатомической подложки, в которой расположены соединения. При изучении внутренней схемы отдельные подслои часто разрушаются, как, например, когда слои 5А, 5В и 6 все вместе рассматриваются как «подзерновые» слои. Эта обработка может вводить в заблуждение, поскольку было показано, что различные (под) уровни участвуют в различных схемах обработки (например, Lübke and Feldmeyer, 2007). То же самое относится и к объединению различных типов нейронов в два основных класса тормозных и возбуждающих нейронов.Он отбрасывает большое количество функционально релевантной информации о морфологических и физиологических различиях между типами нейронов, а также о специфической связности типов клеток (Kozloski et al., 2001; Silberberg et al., 2002; Thomson and Bannister, 2003; Kampa et al. , 2006; Otsuka and Kawaguchi, 2008, 2009, 2011; Brown and Hestrin, 2009; Xu and Callaway, 2009; Apicella et al., 2012; Hirai et al., 2012). Не устранение неоднозначности таких значительных анатомических особенностей вносит дополнительную неопределенность в обоснованность любой внутренней принципиальной схемы.Кроме того, обратите внимание, что описание общей межслойной связности внутри столбца, как мы предлагаем здесь, не обязательно отражает синаптические контуры, образованные отдельными нейронами в разных слоях, как, например, Binzegger et al. (2004) оценили. Таким образом, могут существовать функционально значимые различия между средними ламинарными взаимосвязями, описанными здесь, и конкретными ламинарными микросхемами, сформированными в этих средних структурах. Еще одно измерение, которое отсутствует во многих описаниях локальной микросхемы, – это оценка прочности соединения.Однако при использовании современной технологии структурные показатели прочности, такие как частота соединений от одного типа клеток к другому или количество задействованных синапсов и их морфология, могут быть получены только с помощью тяжелого ручного труда. Более того, трансформация структурной прочности в функциональную, выраженную амплитудой вызванных постсинаптических токов, непрозрачна: значение имеют количество, размер, морфология и положение синапсов, а также многочисленные молекулярные механизмы, регулирующие синаптическую функцию как на пре-, так и на постсинаптическом участке. ,Кроме того, влияние вызванных токов на функцию постсинаптических клеток зависит от многих других факторов. Все эти аспекты не являются статичными, но потенциально могут изменяться в короткие промежутки времени (Squire et al., 2008; Buonomano and Maass, 2009; Dityatev et al., 2010; Eroglu and Barres, 2010; Silver, 2010; Ribrault et al. 2011; Arnsten et al., 2012; Camiré and Topolnik, 2012; Caroni et al., 2012; Cortés-Mendoza et al., 2013; Dallérac et al., 2013; Vitureira and Goda, 2013; Chevaleyre and Piskorowski, 2014 ).

Хотя предложенная внутренняя схема агранулярной коры все еще является спекулятивной, проблема, которую мы решаем, остается критической (Marcus et al., 2014). Должны быть различия в внутренней схеме всей коры головного мозга, потому что состав коры не является однородным, но сильно варьируется по ряду измерений. Мы убеждены, что лучшее понимание внутренней кортикальной схемы необходимо для лучшего понимания ее физиологии и должно учитывать различия в структурном субстрате коры.Мы надеемся, что мы предоставили отправную точку для обсуждения, которое приведет к обобщению новых выводов из имеющихся данных или дальнейшим экспериментальным усилиям по выяснению схем за пределами полосатой коры с учетом структурных изменений.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

При поддержке гранта DFG SFB 936 / A1.Мы благодарим К.А.С. Martin и H. Barbas за полезные комментарии к рукописи.

Отзывы

Andersen P., Morris R. и Amaral D. G. eds. (2007). Гиппокамп Книга. Нью-Йорк: издательство Оксфордского университета.

Google Scholar

Apicella, A.J., Wickersham, I.R., Seung, H.S., and Shepherd, G.M.G. (2012). Ламинарно-ортогональное возбуждение быстрорастущих и низкопороговых межнейронов в моторной коре мыши. J. Neurosci. 32, 7021–7033. doi: 10.1523 / JNEUROSCI.0011-12.2012