Основні характеристики і параметри логічних елементів

Основні характеристики і параметри логічних елементів
Основні характеристики логічних елементів
Амплітудна передавальна характеристика U _ВИХІД = f (U _BX) визначає формують властивості ЛЕ, його завадостійкість, амплітуду та рівні стандартного сигналу. Вид характеристики залежить від типу логічного елемента (ЕСЛ, ТТЛ) і може змінюватися в певних межах залежно від розкиду параметрів схем, змін напруги харчування, навантаження, температури навколишнього середовища.
Розглянемо типову амплітудну передатну характеристику (АПХ) инвертирующего ЛЕ (рис. 2.1). У статичному стані вихідний сигнал ЛЕ може перебувати або на верхньому (U ^B), або на нижньому (U ^H) рівні напруги.
Асимптотичний верхній (т. В) і асимптотичний нижній (т. А) рівні логічних сигналів знаходяться як точки перетину АПХ (крива 1) з її дзеркальним відображенням (крива 2) відносно прямої одиничного посилення U _ВИХІД = U _ВХ. Різниця є логічним перепадом U _Л вихідних рівнів ЛЕ. На практиці через вплив перешкод і розкидів амплітудних передавальних характеристик для кожного типу ЛЕ встановлюється мінімальний логічний перепад: , Де - Відповідно верхній і нижній рівні вихідного порогового напруги. Вихідні порогові напруги знаходять за допомогою порогових точок b і а на характеристиці, в яких диференціальний коефіцієнт посилення по напрузі K _U =- 1.
Зони статичної завадостійкості ЛЕ по нижньому ( ) 'І верхньому ( ) 'Рівнями напруги в комбінаційних логічних ланцюгах визначаються виразами:


де ( ) ', ( ) 'Характеризують максимально допустимі рівні статичної перешкоди на вході ЛЕ в комбінаційних логічних ланцюгах; - Вихідна порогове напруга нижнього рівня; - Вихідна порогове напруга верхнього рівня. Однак через наявність схем з позитивним зворотним зв'язком у технічній документації на всі ІС зони статичної завадостійкості по входу обмежуються вхідними пороговими напруженнями: - По нижньому рівню і - По верхньому. Ці порогові напруги називаються відповідно пороговою напругою зони перемикання (поріг зони перемикання) нижнього рівня і граничним напруженням зони перемикання верхнього рівня. У зоні перемикання, укладеної між пороговими напругами, робота ЛЕ в статичному режимі забороняється.

Рис. 2.1. Амплітудна передавальна характеристика
инвертирующего ЛЕ

Рис. 2.2. Розкид амплітудних передавальних характеристик
логічних елементів
Таким чином, статична завадостійкість ЛЕ по нижньому рівню вхідного сигналу визначається виразом а по верхньому рівню вхідного сигналу - вираженням .
Максимальна завадостійкість ЛЕ по нижньому і верхньому рівнях досягається за ідеальної амплітудної передавальної характеристиці, для якої .
Реалізація характеристик, близьких до ідеальних, пов'язана з відомими труднощами внаслідок технологічного розкиду параметрів мікросхем при виготовленні, зміни порогових напружень в залежності від зміни напруги живлення і температури навколишнього середовища в процесі експлуатації. Тому реально зони статичної завадостійкості для кожного типу ЛЕ встановлюють на підставі статистичного аналізу амплітудних передавальних характеристик. На рис. 2.2 заштрихована область відповідає можливим разбросам амплітудних передавальних характеристик ЛЕ одного типу.
При зіставленні амплітудних передавальних характеристик ЛЕ різних типів часто використовують не абсолютні значення статичної завадостійкості, а їх ставлення до мінімального логічного перепаду:

Чим ближче амплітудна передавальна характеристика до ідеальної, тим ближче значення цих коефіцієнтів до 0,5.
Вхідна характеристика I _ВХ = f (U _BX) - залежність вхідного струму ЛЕ від вхідної напруги визначає навантажувальну здатність ЛЕ і режим роботи ліній зв'язку. На рис. 2.3, 2.4 наведені типові вхідні характеристики логічних елементів ІС ЕСЛ і ТТЛ. На вхідних характеристиці ЛЕ ЕСЛ можна виділити наступні зони, відповідні можливим режимам роботи вхідного ланцюга ЛЕ: I, V - зони, що визначають робочі режими ЛЕ, тобто вхідні струми при вхідних напругах низького і високого рівнів, при. яких вхідні ланцюги мають великий вхідний опір (точки А і В відповідають нижнього і верхнього рівнів напруг ЛЕ серії К500); II і IV - зони статичної завадостійкості; III-зона перемикання ЛЕ (опорна напруга U _ВП, яке визначається як середня напруга між високим і низьким рівнями, для ЛЕ ЕСЛ серії К500 становить приблизно - 1.3 В; зона обмежується граничними напруженнями і ); VI - зона неробочих режимів (U _{ВХ НАС} - напруга насичення вхідного транзистора - при збільшенні вхідної напруги вхідний струм різко збільшується).

Рис. 2.3. Типова вхідна характеристика ЛЕ ЕСЛ
На вхідних характеристиці ЛЕ ТТЛ (див. рис. 2.4) можна виділити такі зони: I, IX - зони неприпустимих вхідних напруг; II.VIII-зони гранично допустимих вхідних напруг, обумовлених у технічних умовах; III, VII - зони, що визначають робочий режим ЛЕ; найбільш характерний режим при напрузі низького рівня («0») - точка А, при напрузі верхнього рівня - точка В; IV, VI - зони допустимих статичних перешкод; V - зона перемикання.
Вихідна характеристика U _ВИХІД = f (I _ВИХІД) - залежність вихідної напруги ЛЕ від вихідного струму навантаження. Ця характеристика в сукупності із вхідними дозволяє визначити навантажувальну здатність ЛЕ, режим його роботи і спосіб узгодження перехідних процесів в лініях зв'язку.
Так як у кожному з двох станів ЛЕ в активному режимі знаходяться різні компоненти схеми, то розрізняють вихідні характеристики по нижньому і по верхньому рівнями вихідної напруги. Точка В на графіку вихідної характеристики ІС ЕСЛ (рис. 2.5) розташована в робочій зоні верхнього логічного рівня, точка А - в зоні нижнього рівня. Для визначення робочих точок А і В на вихідну характеристику накладають характеристики навантажень (R _H). Робочі зони вихідних характеристик по верхньому і по нижньому рівнями напруги ЛЕ ТТЛ (рис. 2.6), як і ЛЕ ЕСЛ, обмежені вихідними пороговими напругами і допустимими рівнями напруг. Статичному станом вихідного верхнього рівня при малому навантаженні відповідає точка В. Точка А, що знаходиться на перехресті вихідної характеристики нижнього рівня керуючого ЛЕ із вхідною характеристикою керованого ЛЕ, визначає статичний стан нижнього рівня.
Вхідні і вихідні характеристики ЛЕ ТТЛ можуть використовуватися для оцінки рівня перешкод, що виникають у лініях зв'язку при перемиканні ЛЕ. Зокрема, для оцінки відображень у довгих лініях зв'язку використовують також навантажувальну характеристику лінії зв'язку.

Рис. 2.4. Типова вхідна характеристика ЛЕ ТТЛ

Рис. 2.5. Типова вихідна характеристика ЛЕ ЕСЛ

Рис. 2.6. Типова вихідна характеристика ЛЕ ТТЛ
Характеристика імпульсної (динамічної) завадостійкості U _ПЗЗ = f (t _ПЗЗ) - залежність допустимої амплітуди імпульсної перешкоди від її тривалості - необхідна для оцінки допустимого рівня імпульсних перешкод малої тривалості.
Ця характеристика залежить від амплітуди, тривалості, форми сигналу перешкоди і швидкості перемикання ЛЕ. Зазвичай імпульсна завадостійкість вище статичної. Відсутність в даний час достатньо надійних критеріїв її оцінки при масовому виробництві мікросхем зі значними технологічними разбросами імпульсних параметрів та їх залежністю від умов роботи не дозволяє приводити в технічних умовах на ІС допустиму імпульсну перешкодостійкість. Найбільш широке поширення отримав метод її оцінки за допомогою характеристики, наведеної на рис. 2.7. Залежність U _{ПЗЗ ІМП} = f (t _{ПЗЗ ІМП)} розділяє області допустимих (I) і неприпустимих (II) імпульсних перешкод. При великих длительностях імпульсів перешкоди t _{ПЗЗ ІМП>} t ₂ динамічна завадостійкість наближається до статичної. При дуже малих длительностях перешкоди (t _{ПЗЗ ІМП} <t ₁₎ ЛЕ нечутливий до її амплітуді.

Рис. 2.7. Типова характеристика імпульсної
завадостійкості ЛЕ
Основні параметри логічних елементів
Динамічні параметри. Швидкодія ЛЕ при перемиканні визначається електричною схемою, технологією виготовлення і характером навантаження. Для ідентифікації вимірювання динамічних параметрів у технічній документації на ІС наводяться параметри еквівалентної навантаження, встановлюються вимоги до амплітуди і тривалості фронту вхідного сигналу. Рівні відліку напруг для визначення динамічних параметрів встановлюються щодо вихідних порогових напруг «1» і «0» (рис. 2.8). Тимчасові залежності напружень в зонах вище або нижче вказаних на малюнку порогових рівнів не впливають на роботу ЛЕ і тому не представляють інтересу.

Рис. 2.8. Вхідний (а) і вихідний (б) сигнали
инвертирующего ЛЕ
Основними динамічними параметрами ЛЕ є затримка поширення сигналу t _{ЗД Р} при перемиканні і тривалість позитивного (наростаючого) і негативного (спадаючого) фронтів t _Ф вихідних сигналів.
Затримка поширення сигналу при переході вихідної напруги від «1» до «0» (При позитивній логіці * це відповідає негативному фронту, при негативній - позитивному фронту вихідного сигналу) визначається як інтервал часу між фронтами вхідного і вихідного сигналів ЛЕ, виміряного за заданим рівнем.
(* Для позитивної логіки більш позитивне значення напруги (високий рівень) відповідає лот. 1, а менш позитивне значення напруги (низький рівень) - лот. 0.
Для негативною логіки менш позитивне значення напруги (низький рівень) відповідає лот. 1. а більш позитивне значення напруги (високий рівень) - лот. 0.)
Затримка поширення сигналу при переході вихідної напруги від «0» до «1» (При позитивній логіці це відповідає позитивному фронту, при негативній логіці - негативному фронту вихідного сигналу) визначається як інтервал часу між фронтами вхідного і вихідного сигналу ЛЕ, виміряного за заданим рівнем. Затримки розповсюдження ( , ) Вимірюються, як правило, за рівнем 0,5 ( + ).
При розрахунку тимчасової затримки сигналу послідовно включених ЛЕ використовується середня затримка поширення сигналу ЛЕ:

Тривалість фронту вихідного сигналу при переході напруги з «1» в «0» ( ) Для позитивної логіки відповідає негативному фронту, для негативної логіки - позитивному фронту.
Тривалість фронту вихідного сигналу при переході напруги з 0 в 1 ( ) Для позитивної логіки відповідає позитивному фронту, для негативної логіки - негативному фронту. Іноді в технічній документації на ІС , - Позначаються відповідно , . Тривалості позитивних і негативних фронтів вимірюють за рівнями 0,1 і 0,9 (див. рис. 2.8).
Статичні параметри визначають умови формування та значення напруг високого і низького рівнів на виході ЛЕ, його здатність навантаження, споживану потужність при заданих напрузі живлення, навантаженні і температурі навколишнього середовища.
До статичних параметрів ЛЕ відносяться:
вихідні і вхідні напруги лог.0 та 1 ( , , , );
вхідні і вихідні порогові напруги лот. 0 і 1 ( , , , );
вхідні і вихідні струми лот. 0 і 1 ( , , , );
струми споживання в стані лог. 0 і 1 ( , );
споживана потужність (P _піт).
Вихідна порогове напруга лог. 0 є максимальне або мінімальне (в залежності від типу логіки) вихідна напруга лог. 0, визначається порогової точкою амплітудної передавальної характеристики в області лот. 0, в якій диференціальний коефіцієнт посилення по напрузі До _U = 1 для неінвертірующего ЛЕ і К _U = -1 для инвертирующего ЛЕ (див. рис. 2.1).
Вихідна порогове напруга лог. 1 є мінімальне або максимальне (залежно від типу логіки) вихідна напруга лог. 1, визначається порогової точкою амплітудної передавальної характеристики в області лот. 1, в якій К _U = 1 для неінвертірующего ЛЕ, К _U = -1 для инвертирующего ЛЕ.
Поріг зони перемикання лот. 0 тобто порогове напруга лог. 0, визначається порогової точкою амплітудної передавальної характеристики в області лот. 0, в якій К _U = 1 для неінвертірующего ЛЕ і К _U = -1 для инвертирующего ЛЕ (див. рис. 2.1).
Поріг зони перемикання лот. 1 тобто порогове напруга лог. 1, визначається порогової точкою амплітудної передавальної характеристики в області лот. 1, в якій К _U = 1 для неінвертірующего ЛЕ і К _U = -1 для инвертирующего ЛЕ.
Вхідний струм ЛЕ задається для несприятливого режиму роботи в межах допустимих температур навколишнього середовища і напруги харчування як для рівня лот. 0 ( ), Так і для рівня лот. 1 ( ). Вихідні струми , характеризують навантажувальну здатність ЛЕ. (Що втікають струми мають позитивний знак, що випливають струми - негативний знак.) Завадостійкість визначається щодо цих струмів. Тому збільшення коефіцієнта розгалуження призводить до зниження завадостійкості.
Вхідний струм лог.1 визначається як вхідний струм при напрузі лот. 1 на вході ЛЕ.
- Вхідний струм лот. 0 визначається як вхідний струм при напрузі лот. 0 на вході ЛЕ.
- Вихідний струм лот. 1 визначається як вихідний струм при напрузі лот. 1 на виході ЛЕ.
- Вихідний струм лот. 0 визначається як вихідний струм при напрузі лот. 0 на виході ЛЕ.
Струм, споживаний від джерела (джерел) живлення ЛЕ (I _піт), залежить від типу ЛЕ. Для ЛЕ ЕСЛ він майже постійний (якщо не брати до уваги навантаження) і не залежить від його логічного стану, для ЛЕ ТТЛ струм має різні значення для стану «0» ( ) І «1» ( ). Крім того, ЛЕ ТТЛ мають викиди струму під час перехідних процесів при перемиканні ЛЕ, що призводить до істотного збільшення струму споживання на високих частотах. Амплітуда і тривалість викиду залежать від характеру і величини навантаження, схемотехніки вихідного каскаду ЛЕ ТТЛ, довжини лінії зв'язку та ін
Потужність, споживана ЛЕ від джерел живлення ,
де U _i - напруга i-го джерела живлення; _{I i} - струм у відповідній ланцюга харчування.
Якщо споживана потужність залежить від вихідної напруги лот. 0 ( ) Або 1 ( ), То в якості основного параметру використовують середню споживану потужність Р _{піт ср} = ( + ) / 2. Для ЛЕ, які споживають значну потужність при перемиканні, середня споживана потужність в технічній документації задається у вигляді залежності Р _{піт ср} = f (F _імп), де F _імп - частота проходження імпульсів.
Інтегральні параметри відбивають рівень розвитку технології і схемотехніки та якість цифрових ІС. Основними інтегральними параметрами ІВ є енергія перемикання і рівень інтеграції N.

Рис. 2.9. Зміна основних параметрів цифрових інтегральних схем:
Δ - мінімальний топологічний розмір компонентів, мкм;
N _ЛЕ - ступінь інтеграції ЛЕ; N _ЗУ - число біт пам'яті на кристалі
Енергія перемикання . Як правило, при визначенні енергії перемикання використовують типові значення затримки поширення і споживаної потужності. (Якщо споживана потужність виражається в милливаттах, а затримка розповсюдження - у наносекундах, то енергія перемикання має розмірність пікоджоуль.) У міру вдосконалення технології і схемотехніки та зменшення розмірів елементів на кристалі енергія перемикання безперервно знижується - приблизно на півтора порядку за десятиліття (рис. 2.9). При заданих технології та схемотехніці, або при заданій енергії перемикання ( = Const), можна створювати різні серії ІС, що володіють або високим швидкодією (малим значенням τ _{зд р)} та великою споживаною потужністю, або низьким швидкодією і малої споживаної потужністю. За цим параметром в даний час роблять оцінку рівня розвитку цифрової мікроелектроніки та порівняння різних типів ІС.

Ступінь інтеграції N логічних цифрових мікросхем визначається числом найпростіших еквівалентних ЛЕ - зазвичай двухвходових вентилів - на кристалі (див. рис. 2.9 та табл. 2.1). Іноді ступінь інтеграції мікросхем вимірюють кількістю елементів (резисторів, транзисторів, діодів) на кристалі, але при цьому абсолютно не враховується специфіка логічних цифрових ІС, де межелементние зв'язку займають істотну частину площі кристала. Функціональну складність ІС запам'ятовуючих пристроїв, що мають регулярну структуру, можна оцінювати числом біт пам'яті на кристалі.
Таблиця 2.1
Умовні позначення серій цифрових мікросхем
За конструктивно-технологічним виконання все цифрові ІС діляться на групи. За характером виконуваних функцій в апаратурі ІС поділяються на підгрупи (наприклад, логічні елементи, тригери і т. д.) і види всередині підгруп (наприклад, тригери універсальні, лічильні, з затримкою і т. д.). Поділ цифрових ІС на підгрупи і види за функціональним призначенням наведено в табл. 2.2.
Таблиця 2.2

Підгрупа і вид ІВ	Позначення
Формувачі:
імпульсів прямокутної форми	АГ
імпульсів спеціальної форми	АФ
інші	АП
Схеми обчислювальних засобів:
схеми сполучення з магістраллю	ВА
схеми синхронізації	СБ
схеми керування введенням - виведенням (схеми інтерфейсу)	ВВ
контролери	ВГ
мікро-ЕОМ	BE
спеціалізовані схеми	ВЖ
времязадающих схеми	ВІ
комбіновані схеми	ВК
мікропроцесори	ВМ
схеми управління перериванням	ВН
інші	ВП
функціональні розширювачі (У тому числі розширювачі розрядності даних)	ВР
мікропроцесорні секції	НД
схеми управління пам'яттю	ВТ
схеми мікропрограмного управління	ВУ
функціональні перетворювачі інформації (арифметичні, тригонометричні, логарифмічні, швидкого перетворення Фур'є і ін)	ВФ
Генератори:
прямокутних сигналів	ГГ
сигналів спеціальної форми	ГФ
Схеми арифметичних і дискретних пристроїв:
арифметичне-логічні пристрої	ІА
шифратори	ІВ
дешифратори	ВД
лічильники	ИЕ

Продовження табл. 2.2

Підгрупа і вид ІВ	Позначення
комбіновані	ІК
полусумматор	ІЛ
суматори	ІМ
інші	ІП
регістри	ІР
Комутатори та ключі:
напруги	КН
інші	КП
струму	КТ
Логічні елементи:
елемент І - НЕ	ЛА
елемент І - НЕ / АБО - НЕ	ЛБ
розширювачі	ЛД
елемент АБО - НЕ	ЛЕ
елемент І	ЧИ
елемент І - АБО - НЕ / І - АБО	ЛК
елемент АБО	ЛЛ
елемент АБО - НЕ / АБО	ЛМ
елемент НЕ	ЛН
інші	ЛП
елемент І - АБО - НЕ	ЛР
елемент І - АБО	ЛЗ
Перетворювачі сигналів:
рівня (согласователі)	ПУ
код - код	ПР
Схеми запам'ятовуючих пристроїв (ЗП):
асоціативні ЗУ	РА

Закінчення табл. 2.2

Підгрупа і вид ІВ	Позначення
матриці постійних ЗУ	РВ
постійні ЗУ (масочний)	РЕ
матриці оперативних ЗУ	РМ
інші	РП
постійні ЗУ з можливістю	РР
багаторазового електричного
перепрограмування
постійні ЗУ з можливістю	РТ
одноразового програмування
оперативні ЗУ	РУ
постійні ЗУ з ультрафіолетовим стиранням та електричної записом інформації	РФ
Тригери:
універсальні (типу JK)	ТБ
динамічні	ТД
комбіновані	ТК
Шмітта	ТЛ
із затримкою (типу D)	ТМ
інші	ТП
з роздільним запуском (типу RS)	ТР
лічильні (типу Т)	ТТ
Багатофункціональні схеми:
цифрові	ХЛ
комбіновані	ХК
Цифрові матриці	ХМ
Інші	ХП

Таблиця 2.3
Тип логіки	Серія	Параметри логічного елемента (вентиля)			Ступінь інтеграції	Функціональний аналог
			P, мВт	, ПДж
ТТЛ	К155	10	10	100	ІС, СІС	SN74
	КМ155
ТТЛШ	К531	3	20	60	ІС, СІС	SN74S
	КР1531	3	4	12	ІС, СІС	SN74F
	К555	10	2	20	ІС, СІС	SN74LS
	КМ555
	КР1533	4	2	8	ІС, СІС	SN74ALS
	К589	5	8	40	МП ВІС	13000
	КР1802	5	4	20	МП ВІС	-
	К1804	5	4	20	МП ВІС	Ат2900
ЕСЛ	К500	2	25	50	ІС, СІС	мсюк
	К1500	0,75	40	30	ІС, СІС	F100K
	К1800	1,5	20	30	МП ВІС	МС10800
	К1520ХМ1	0,8	12	10	МаБІС	F200
	К1520ХМ2	1	10	10	МаБІС	-

За прийнятою системі ГОСТ 17021-75 позначення ІС має складатися з чотирьох елементів. Перший - цифра (1, 5, 7), що позначає конструктивно-технологічне виконання ІС, другий - цифри, що позначають порядковий номер серії мікросхеми від 000 до 999 або від 00 до 99. Перші два елементи визначають номер серії ІС. Третій елемент - дві літери, що відповідають підгрупі та виду за функціональним призначенням, четвертий - порядковий номер ІС за функціональною ознакою в даній серії. Букви К, KM, KP перед умовним позначенням мікросхем характеризують умови їх приймання на заводі-виробнику і особливості конструктивного виконання. Іноді в кінці умовного позначення додається літера, що визначає технологічний розкид електричних параметрів даного тіпономінала.
Наприклад, запис КР1533ЛАЗ позначає, що маємо мікросхему широкого застосування (К), в пластмасовому корпусі (Р), напівпровідникову (1), серії 533, що виконує функцію логічного елемента І-НЕ, порядковий номер у підгрупі - 3.
У табл. 2.3 наведені умовні позначення і основні параметри серій біполярних цифрових ІС і БІС, описані в даному довіднику.