Основные характеристики и параметры ЛЭ

Классификация

Большое разнообразие современных цифровых логических схем можно разделить

1 в зависимости от схемотехники логического элемента (ЛЭ) (типа логики):

- на схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ);

- транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ);

- эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ);

- с комплементарными МОП-транзисторами (КМОП)

2 по принципу построения активного элемента:

- на биполярные;

- полевые

3 способу передачи информации:

- на синхронные;

- асинхронные

4 типу информационных сигналов:

- на потенциальные;

- импульсные;

- импульсно-потенциальные.

В последние годы получило развитие новое направление — схемы на основе арсенида галлия.

Для удобства разработчиков аппаратуры по технологическим, схемотехническим и конструктивным признакам цифровые интегральные микросхемы (ИМС) выпускаются сериями. Серия — это совокупность ИМС различного функционального назначения, имеющих общие электрические и эксплуатационные характеристики, выполненных по единой технологии и объединенных одним конструктивным решением (видом корпуса).

Функционально полная серия обычно содержит в своем составе несколько десятков типов ИМС, выполняющих различные логические и арифметические операции и представляющих собой как простые (комбинационные) логические элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ, И-ИЛИ НЕ, так и целые узлы и блоки аппаратуры (регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, арифметическо-логические устройства (АЛУ), схемы сравнения и др.).

Степень интеграции цифровых схем определяется как

i=logN,

где N - число элементов на кристалле. В зависимости от i (исоответственно N) микросхемы делятся на простые интегральные схемы, средней степени интеграции (СИС), большие ИС (БИС) и сверхбольшие ИС (СБИС).

По функциональному назначению цифровые микросхемы разделяются на подгруппы (ЛЭ, триггеры, сумматоры и т. д.) и виды внутри подгрупп (триггеры: счетные, универсальные, Шмитта и т. д.). Условные обозначения подгрупп и видов цифровых микросхем приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 -

Формирователи

Продолжение таблицы 2.1

Отечественной промышленностью выпускается достаточно большое число серий цифровых микросхем, предназначенных для построения ЭВМ, контрольно-измерительной, аппаратуры для связи и других видов радиоэлектронных устройств.

Общие сведения о микросхеме указаны в ее условном обозначении. Для характеристики материала и типа корпуса перед цифровым обозначением серии добавляется буквы: Б — бескорпусные; И, С — стеклокерамический корпус; М — металлокерамический корпус; Н — микрокорпус; Р — пластмассовый корпус. Для микросхем широкого применения в начале обозначения серии добавляется буква К.

Итак, ИС КР1533ЛА8 означает, что микросхема предназначена для широкого использования (К), выполнена в пластмассовом корпусе (Р), имеет номер серии 1533, относится к логической подгруппе (Л), по функциональному назначению является элементом И — НЕ (А) и имеет порядковый номер разработки микросхемы в данной серии 8.

Развитие цифровых микросхем идет по следующим направлениям:

микромощные на основе КМОП-структур (561, К561, 564, К564, 564В, Н564, КР1554, КР1561, К1564);

среднего быстродействия ТТЛ-логики (133, КМ 133, К155, КМ155);

маломощные на основе ТТЛ-, ТТЛШ-логики (134, КР134, 533, КМ533, К555, КМ555, КР1533);

быстродействующие на основе ТТЛ-, ТТЛШ-логики (К130, К131, КМ131, Н530, 530, М530, КР531, КР1531);

высокого быстродействия на основе ЭСЛ-логики (100, К100, 500, К500, 1500, К1500);,

сверхвысокого быстродействия на основе арсенида галлия (К.6500).

В зависимости от требований, предъявляемых к аппаратуре, можно использовать различные серии микросхем. В радиоэлектронной аппаратуре с повышенными требованиями по быстродействию находят применение ИС 100, К500, К1500, с жесткими требованиями по потребляемой мощности при относительно невысоком быстродействии — ИС К561, К564, а быстродействующую аппаратуру с малой потребляемой мощностью позволяют создавать ИС 533, КМ533, К555, КР1533, КР1531.

Важнейшей характеристикой ЛЭ является передаточная (статическая) характеристика: зависимость выходного напряжения от входного U_о=f(U_I). Вид характеристики зависит от типа ЛЭ (ЭСЛ, ТТЛ, КМОП) и может изменяться при воздействии дестабилизирующих факторов (температуры, напряжения питания, числа нагрузок и др.).

С целью нормального функционирования цифровых устройств логические схемы потенциального типа должны иметь три точки пересечения с обращенной передаточной характеристикой (рис. 2.12). Разность между пороговыми значениями верхнего и нижнего выходных уровней U_оht-U_olt=∆U является логическим перепадом схемы. Выходные пороговые напряжения находят с помощью пороговых точек а и b, в которых дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_u = -1.

Рисунок 2.12 - Передаточная характеристика ЛЭ

Логические схемы в устройствах соединяются последовательно, поэтому их входные напряжения определяются выходными напряжениями предыдущих схем.

Помехоустойчивость микросхемы по верхнему U_NIH и нижнему U_NIL уровням входного сигнала (рис. 2.12) определяется выражениями

U _nih = U_oht — U_iht, (2.6)

U_nil = U_ilt-U_olt; (2.7)

где U_OHT и U_OLT — выходные пороговые напряжения высокого и низкого уровней;

U_1НТ и U_ILT — входные пороговые напряжения высокого и нижнего уровней.

Идеальная передаточная характеристика, для которой помехоустойчивость максимальна, должна соответствовать условиям

U

тогда

(2.8)

Выражение (2.8) определяет предельные значения помехоустойчивости для ЛЭ потенциального типа.

Для повышения статической помехоустойчивости ЛЭ, исходя из передаточной характеристики, необходимо увеличивать логический перепад и значения входных пороговых напряжений. Однако увеличение логического перепада связано с ростом напряжения питания схемы U_cc и увеличением потребляемой мощности Р, так как для большинства логических схем P~ . В свою очередь, увеличение пороговых напряжений приводит к увеличению среднего времени задержки микросхемы.

Рисунок 2.13 – Влияние технологического разброса на передаточные характеристики

Для создания рационального (оптимального) помехоустойчивого ЛЭ необходимо иметь передаточную характеристику, близкую к симметричной относительно середины области переключения (заштрихованная область на рис. 2.12). Это положение позволяет сблизить значения помехоустойчивости по верхнему и нижнему уровням входного сигнала, а также уменьшить зависимость пороговых напряжений от режима работы схемы.

На помехоустойчивость ЛЭ в значительной степени влияет технологический разброс пороговых напряжений (рис. 2.13), поэтому выбор пороговых напряжений ЛЭ с учетом их уходов (изменений) от температуры (рис. 2.14), напряжения питания (рис. 2.15), числа нагрузок является одной из важнейших задач при расчете схемы ЛЭ серии.

Рисунок 2.14 - Зависимость передаточных характеристик от температуры

Реально помехоустойчивость для каждого типа ЛЭ устанавливают на основании статистического анализа передаточных характеристик.

Рисунок 2.15 - Зависимость передаточных характеристик от напряжения питания

Входная характеристика I_I = f(U_I) — зависимость входного тока от входного напряжения, служит для определения нагрузочной способности элемента и связана с режимом работы линий связи. Типовые входные характеристики ЛЭ типов ТТЛ и ЭСЛ приведены на рисунках 2.16 и 2.17.

Рисунок 2.16- Входная характеристика ЛЭ типа ТТЛ

На входной характеристике ЛЭ ТТЛ-типа (рис. 2.16) можно выделить следующие области:

I и IX - недопустимых входных напряжений;

II и VIII - предельно допустимых входных напряжений по техническим условиям (ТУ);

III и VII - рабочие, с наиболее характерными рабочими точками А и В;

IV и VI - зоны допустимых статических помех;

V - зона переключения ЛЭ.

Рисунок 2.17 - Входная характеристика ЛЭ типа ЭСЛ

На входной характеристике ЛЭ ЭСЛ -типа (рис. 2.17) также можно выделить области, определяющие рабочий режим схем (зоны II и VI с рабочими точками А и В), области статической помехоустойчивости (III и V), зона переключения ЛЭ (IV), зоны предельных входных напряжений (I и VII).

Выходная характеристика U_O=f(1₀) — зависимость выходного напряжения от выходного тока нагрузки. Эта характеристика и параметры входной характеристики ЛЭ позволяют определить его нагрузочную способность.

Выходная характеристика ЛЭ ЭСЛ -типа показана на рисунке 2.18, где приведены характеристики по верхнему и нижнему логическим уровням и нагрузочная характеристика R_L. Точки пересечения А и В являются рабочими точками ЛЭ в зонах нижнего и верхнего уровней.

Рисунок 2.18 - Выходная характеристика ЛЭ типа ЭСЛ

Входные и выходные характеристики ЛЭ ТТЛ -типа могут быть использованы для оценки уровня помех, возникающих в линиях связи во время переключения ЛЭ.

Амплитудно-временная характеристика импульсной помехоустойчивости — временная зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности (рис. 2.19) является характеристикой, необходимой при.оценке допустимого уровня импульсных помех для бессбойного функционирования микросхем цифровых устройств. Импульсные помехи в устройствах имеют большую амплитуду, чем статические, поэтому они могут быть более опасными. Экспериментальное определение амплитудно-временной характеристики импульсной помехоустойчивости при массовом контроле микросхем является довольно сложной задачей. Отсутствие надежных критериев ее оценки при массовом производстве и ее зависимость от условий работы и применения микросхемы не позволили ввести эту зависимость в ТУ, однако она необходима при конструировании аппаратуры на основе цифровых микросхем.

На амплитудно-временной характеристике импульсной помехоустойчивости можно выделить две области: I — допустимых и II — недопустимых импульсных помех. При больших длительностях импульсов помехи t_р>t_р2 импульсная помехоустойчивость приближается к статической. Значение t_pl, к которому стремится амплитудно-временная характеристика при больших амплитудах помехи, определяет минимальную длительность импульса помехи, при которой возможен сбой схемы. Она обычно в несколько раз меньше средней задержки сигнала в схеме. При значениях длительности и амплитуде импульса помехи, лежащих в заштрихованной области (рис. 2.19), схема нечувствительна к импульсным воздействиям.

Рисунок 2.19 - Зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности

Параметры ЛЭ цифровых микросхем разделяются на параметры статического и динамического режимов работы.

К основным параметрам статического режима работы, определяющим помехоустойчивость, нагрузочную способность (коэффициенты объединения по входу М и выходу N), потребляемую мощность при заданном напряжении питания микросхем, относятся:

выходные напряжения высокого и низкого уровней U_OH, U_OL;

входные и выходные токи высокого и низкого уровней I_IH, 1_1L, I_OH, I_OL;

выходные токи высокого и низкого уровней в состоянии «Выключено» I_ozh, I_ozl — для микросхем с тремя состояниями на выходе;

входные пороговые напряжения высокого и низкого уровней U_IHT, U_IHT;

токи потребления в состоянии высокого и низкого уровней I_ССH, I_ССL;

и ток потребления в состоянии «Выключено» I_ССZ — длямикросхем с тремя состояниями на выходе.

Ток потребления зависит от типа ЛЭ. Для ЛЭ ЭСЛ -типа ток почти постоянен и не зависит от логического состояния элемента.

Для ТТЛ ИМС и ТТЛШ ИМС токи имеют разные значения для состояний высокого и низкого уровней. При переключении ЛЭ ТТЛ -типа имеют место выбросы тока, что приводит к увеличению тока потребления на высоких частотах. Амплитуда и длительность такого выброса зависят от характера нагрузки, схемотехнического решения выходного каскада, длины линии связи и т. д.

Рисунок 2.20- Зависимость мощности потребления от частоты ЛЭ типа ТТЛШ

Мощность, потребляемая схемой от источников питания, определяется как , где - напряжение i- го источника питания; I_CCi — ток потребления в соответствующей цепи питания.

Рисунок 2.21- Временная диаграмма входного и выходного сигналов инвертирующего ЛЭ

Если потребляемая мощность различна в состоянии высокого и низкого уровней на выходе схемы, то в качестве основного параметра в ТУ приводят среднюю потребляемую мощность: Р_CCaU=(Р_CCН+ Р_CCL)/2. Потребляемая мощность схемы зависит от частоты переключения (рисунок 2.20). Эта зависимость Р_сс=f(F) обычно приводится в технической документации на микросхему, где F — частота следования входных импульсов.

Рисунок 2.22 - Временная диаграмма входного и выходных сигналов для ЛЭ с тремя состояниями на выходе

Основными параметрами ЛЭ при работе в динамическом режиме являются (рисунки 2.21, 2.22):

время задержки распространения сигнала при включении и выключении t_PLH, t_PHL, представляющее собой интервал времени между входным и выходным импульсом при переходе напряжения на выходе схемы от напряжения низкого уровня к напряжению высокого уровня и наоборот, измеренное на уровне 0,5 от амплитуды сигнала или при заданном напряжении;

среднее время задержки распространения сигнала

t_Рav=(t_РHL+t_РLH)/2;

время спада t_f и нарастания t_r выходного импульса — интервал времени, в течение которого выходное напряжение изменяется от уровня 0,9 до 0,1 и соответственно нарастает от уровня 0,1 до 0,9 от установившегося значения (амплитуды сигнала);

время задержки включения t_DHL и выключения t_DLH — интервал времени между входным и выходным импульсами, измеренные на уровне 0,1 входного и 0,9 выходного сигналов и соответственно 0,9 входного и 0,1 выходного сигналов или на заданных значениях напряжения;

время задержки распространения при переходе из состояния «Выключено» в состояние низкого уровня t_PZL и обратно t_PLZ, а также из состояния «Выключено» в состояние высокого уровня t_PZH и обратно t_PHZ — для схем с тремя состояниями на выходе (рис. 2.21);

максимальная рабочая частота схемы F_max — частота, при •которой сохраняется работоспособность схемы. '

Быстродействие ЛЭ микросхемы определяется его схемотехникой, технологией и зависит от емкости нагрузки, температуры окружающей среды, напряжения источника питания.

Дата добавления: 2014-11-18