Общая характеристика цифровых логических элементов

Техническая реализация цифровых устройств основывается на различной элементной базе. Кроме того, логические элементы отличаются различными комбинациями, реализуемых логических функций. В любых модификациях, иначе говоря, в любых сериях логических элементов, чаще всего реализуются комбинации ИЛИ-НЕ и И-НЕ.

Серии логических элементов отличаются технологией изготовления и схемотехническими решениями.

К основным сериям относятся следующие:

Ø Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ).

Ø Транзисторно-транзисторная логика, выполненная по технологии Шотки (ТТЛШ).

Ø МОП-транзисторная логика (МОПТЛ) (МОП – метал-окисел-

полупроводник), т.е. это транзисторная логика, построенная с использованием полевых транзисторов. МОП-транзисторная логика бывает двух типов – p-канальная и n-канальная.

Ø Комплементарная МОП-транзисторная логика (КМОПТЛ). Слово

комплементарная означает, что такая логика использует в своей схемотехнике МОП-транзисторы p- и n-каналов одновременно.

Ø Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ).

Ø Инжекционная логика (И²Л).

Не смотря на различия в технологии изготовления, все логические элементы характеризуются рядом общих параметров. Перечислим основные из них:

1. Быстродействие, которое определяется среднеарифметическим значением от

задержек включения и выключения, т.е.

.

По этому параметру все логические элементы можно разделить на несколько классов:

a) Сверхбыстродействующие логические элементы. Это те, у которых

быстродействие t_ср меньше 5 нс.

b) Быстродействующие – 5<t_ср<10 нс.

c) Среднего быстродействия – 10<t_ср<100 нс.

d) Низкого быстродействия – t_ср>100 нс.

К цифровым ИМС низкого быстродействия относится МОПТЛ.

ТТЛ относится к ИМС среднего быстродействия.

ЭСЛ – быстродействующая логика. Не смотря на то, что этот вид логики не получил широкого распространения, однако, данная логика позволяет получать некоторые сверхбыстродействующие функции.

ТТЛШ по данной классификации находятся между быстродействующими ИМС и среднего быстродействия.

КМОП – между низким и средним быстродействием.

2. Потребляемая мощность. Оценивается среднеарифметическим значением

потребляемой логическим элементом мощности во включенном и выключенным состояниями. По этому параметру в каждой технологической серии присутствуют мощные и маломощные модификации. При этом, в зависимости от мощности модификации меняется и быстродействие ИМС. Повышение мощности, как правило, является следствием повышения быстродействия и наоборот, чем ниже быстродействие модификации, тем ниже её потребляемая мощность.

3. Помехоустойчивость. Характеризуется наименьшим уровнем напряжения,

которое, будучи добавленным, к полезному сигналу, вызывает ошибочные переключения логического элемента.

4. Динамическая (импульсная) помехоустойчивость. Характеризуется не

только амплитудой, но и длительностью мешающего сигнала, который, будучи добавленным, к полезному сигналу, так же, вызывает ошибочные переключения. Динамическая помехоустойчивость тесно связана с таким параметром ИМС, как быстродействие, поскольку логические элементы с низким быстродействием не реагируют на импульсные помехи, длительность которых не превышает t_ср.

5. Уровень логической единицы – это то максимальное входное напряжение,

при котором схема переключается из нулевого логического состояния в единичное. Уровень логического нуля – это то минимальное входное напряжение, при котором схема переключается из единичного состояния в нулевое (для положительной логики).

Для негативной логики, соответственно, наоборот.

6. Коэффициент объединения по входу – это число, показывающее количество

выходов логических элементов, одновременно подключаемых к 1 входу.

7. Коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) – это

число, показывающее количество входов логических элементов этой же серии, одновременно подключаемых к одному выходу.

8. Энергия переключения логического элемента:

.

Это произведения быстродействия логического элемента на его среднюю потребляемую мощность. В пределах одной технологической серии от модификации к модификации энергия переключения меняется незначительно.

Прогресс в разработке новых логических элементов направлен, в основном, на снижение энергии переключения.

9. Напряжение питания.

Рассмотрим некоторые, наиболее употребимые, серии цифровых ИМС.

Исторически, первыми среди ТТЛ серий были выпущены две отечественные серии 155 и 133. 155-я серия является коммерческой, а 133-я – серией специального назначения. Зарубежными аналогами этих серий являются 155 – SN74 и 133 – SN54. Энергия переключения логических элементов в этих сериях составляет примерно 100 пДж=10^-10 Дж. В самых быстродействующих модификациях этих серий время t_ср>10 нс.

К быстродействующим сериям в ТТЛ относятся следующие: коммерческая – 131 и спец. назначения – 130 серии. Энергия переключения в этих сериях оказывается несколько больше 100 пДж. Среднее время срабатывания – несколько меньше 10 нс. Зарубежными аналогами этих серий являются SN74Н – 131 и SN54Н – 130. (HIGH).

К маломощным (медленным) сериям в составе ТТЛ относятся коммерческая – 158 (SN74L) и спец. назначения – 136 (SN54L). (LOW). Энергия переключения – около 50 пДж, а быстродействие – до 50 нс.

Рассмотренные серии позволили отработать технологии, на основе которых развивались серии ТТЛШ, с той же схемотехникой, но с использованием транзисторов Шотки.

К числу этих серий относят следующие:

531 (SN74S) – коммерческая и 530 (SN54S) – спец. назначения. (SHOTKI). Энергия переключения у этих серий не превышает 60 пДж, а быстродействие составляет порядка 5 нс.

К медленным сериям относятся коммерческая – 555 (SN74LS) и спец. назначения – 533 (SN54LS). (LOW-SHOTKI). Энергия – порядка 20 пДж, время – более 20 нс.

Отечественных быстродействующих серий ТТЛШ не выпускается. Среди зарубежных выпускаются SN74AS и SN54AS. (ADVANCE-SHOTKI). Энергия – порядка 30 пДж, время – 3 нс.

В составе ЭСЛ имеются следующие серии: коммерческая – 500 и спец. – 1500. среди зарубежных – МС 100, МС1000. Энергия – 30 пДж, время – 1 нс.

КМОП. Коммерческая – 176, спец. – 164, зарубежные – CD4000. Э=0,02 пДж, t_ср=50 нс. Кроме того, коммерческая – 561, спец. – 564, зарубежные – CD4000А. (ADVANCE – усовершенствованные).

Лекция 3.

Дата добавления: 2014-01-11