Параметры логических ИС

Общими параметрами ИС, охватывающими всю серию, является на­пряжение источника питания, обычно +5 В +10 %, и температура окружаю­щей среды, которая для серии К155составляет -10...+70 °С, а для КМ155 -45...+85°С.

Электрические параметры логических ИС делят на статические и дина­мические. Паспортные данные статических параметров устанавливают на­пряжение логического нуля U ⁰ < 0,4 В, логической единицы U ¹ > 2,4 В и по­требление мощности от источника питания. По энергопотреблению разли­чают мощные (высокого быстродействия), стандартные (среднего быстро­действия) и маломощные. Применение переходов Шоттки в электрических схемах ЛЭ позволило значительно снизить потребляемую мощность при сохранении, а иногда, и повышении быстродействия. Это касается микросхем серий К1531 и К1533.

Наиболее массовая серия ИС К155в настоящее время вытесняется се­рией К555 с переходами Шоттки, которая при сохранении быстродействия имеет в 5 раз меньшее потребление энергии.

Важными статическими параметрами являются входные и выходные токи. Их допустимые значения различны в состояниях логического нуля и едини­цы, поэтому обычно указывают отдельно токи I ⁰ _вх, I ¹ _вх, I ⁰ _вых, I ¹ _вых и условия, при которых проводятся измерения.

Нагрузочная способность микросхем характеризуется коэффициентами разветвления. Коэффициент разветвления по выходу показывает количество входных цепей различных логических элементов данной серии подклю­чаемых к выходу ЛЭ. Коэффициент объединения по входу показывает коли­чество входных

цепей подаваемых на вход ЛЭ. В элементах И-НЕэто означа­ет количество эмиттеров, содержащихся в МЭТ.

Рис. 1. Электрическая схема (а), передаточная характеристика (б)

временные диаграммы работы (в) и условное обозначение (г)

логического эле­мента 2И-НЕ

К динамическим параметрам относится время задержки распростране­ния сигнала в логическом элементе. Задержка обусловлена ограниченной скоростью переключения транзисторов и процессами заряда-разряда внутренних емкостей. Время задержки - это временной интервал от подачи входно­го импульса до появления выходного. При подаче на вход ЛЭ логического нуля или единицы, задержка несколько различается, поэтому в справочных данных приводят t ^0,1 _зад и t ^1.0 _зад, т.е. при переходе входного сигнала из нуля в единицу и наоборот. Иногда указывают максимальную частоту переключе­ния ЛЭ.

Для ЛЭ К155ЛА3 рассмотренные параметры имеют следующие значения:

U ¹ _вых – не менее 2,4 В при I ¹ _вых = - 0,4 мА,

U ⁰ _вых – не более 0,4 В при I ⁰ _вых = 16 мА,

I ⁰ _вх – не менее 2,4 В при U ¹ _вх = < 0,4 мА,

I ¹ _вх – не менее 2,4 В при U ¹ _вх = > 2,4 В.

Время задержки t ^1,0 _зад = 15 нс и t ^0,1 _зад = 22 нс.

В таблице№ 1, называемой таблицей истинности, приведена логика работы элемента К155ЛАЗтипа 2И-НЕ,выполняющего операцию логического про­изведения с инверсией вида Y = X ₁ X ₂. На рис. 1, в приведены временные диа­граммы его работы, а на рис. 1, г - условное графическое обозначение, при­нятое при составлении принципиальных и функциональных схем.

Таблица № 1

Вход 1	Вход 2	Выход

Рассмотрим работу ЛЭпо принципиальной схеме (рис. 1, а). Условно ее можно разделить на две части. Первая включает МЭТ DT ₁с резистором R ₁ и реализует логическую операцию И, а вторая - транзисторы DT ₂ - DT ₄, диод DD ₁и резисторы R ₂… R ₄и реализует операцию НЕ, представляя собой слож­ный инвертор.

Если на входы ЛЭ подать напряжение U ¹ _вх (более 2,4В), что соответ­ствует на диаграмме временному интервалу t ₂ – t ₃, то напряжение на эмитте­рах МЭТокажется выше, чем на коллекторе, т.е. коллектор становится эмит­тером, а эмиттеры - коллектором. Такой режим работы называют инверс­ным. Важным отличием этого режима является крайне низкий коэффициент передачи тока базы (b = 0,05). Это значит, что если ток базы, определяемый сопротивлением резистора R ₁ и последовательной цепочкой трех р-п переходов DT ₁, DT ₂ и DT ₄ составляет 0,76 мА, то сумма токов эмиттеров I ¹ _вх окажется равной 38 мкА (сравните с техническими данными).

Под действием тока базы МЭТ открывается транзистор DT ₂, открывая и переводит в состояние насыщение транзистор DT ₄. Напряжение коллектор-эмиттер насыщенных транзисторов не превышает 0,3 В, а напряжение база-эмиттер составляет 0,65 В. Потому напряжение на коллекторе DT ₂ равно 0,95 В, а на коллекторе DT ₄ (выходе ЛЭ) не более 0,3 В, что соответствует состоя­нию логического нуля. Транзистор DТ ₃, находится в закрытом состоянии, так как напряжение на его базе всего на 0,65 В выше выходного. В эмиттерной цепи DТ ₃ последовательно включен диод DD ₁, поэтому для перевода его в открытое состояние необходимо подать напряжение порядка 1,3 В относи­тельно выходного.

Рассмотренное состояние соответствует правой части графика переда­точной характеристики (рис. 1, б). Ток коллектора DT ₄ определяется сопро­тивлением нагрузки, током базы и коэффициентом передачи b_min. Полагая I_б =1 мА, a b_min = 30, получим максимальное значение I ⁰ _{вых мах} = I_б b_min = 30 мА.

Если на один из входов МЭТ, или на оба, подать нулевой потенциал (не более 0,4 В), ток базы DT ₁ будет протекать через цепи эмиттеров, а пере­ход коллектор-база смещается в прямом направлении, напряжение на базе DT ₂ падает, закрывая этот транзистор и выходной DT ₄. Напряжение на коллекторе DT ₂ возрастает почти до 5 В. При этом, через резистор R ₂ проте­кает ток базы транзистора DT ₃, переводя его в открытое состояние. На вы­ходе ЛЭ устанавливается напряжение логической единицы, порядка 3,6 В. Описанное состояние будет соответствовать левому участку графика переда­точной характеристики (логическая единица).

В моменты перехода ЛЭ из состояния логической единицы в состояние логического нуля и обратно напряжение на выходе имеет промежуточное значение, соответствующее средней части передаточной характеристики.

При прохождении участка АВ, на котором транзистор DT ₂ работает в линейном режиме, выходное напряжение уменьшается примерно с такой же скоростью, с какой нарастает входное, пока в точке В не начнет открываться транзистор DT ₄. Поэтому любая помеха, воздействующая в этот момент вре­мени на входные цепи, проявляется в инвертированном виде и на выходе. Для устранения данного недостатка резистор R ₃ заменяют цепью R ₅, R ₆, DT ₅, которая задерживает открывание транзистора DT ₂. Участок АВ передаточ­ной характеристики для этого случая показан пунктирной линией.

Другим недостатком ЛЭ ТТЛ является сравнительно низкое быстродей­ствие, обусловленное насыщенным режимом открытых транзисторов. Чтобы удержать транзистор в ненасыщенном состоянии цепь коллектор-база шун­тируют переходом Шоттки.

С освоением технологии создания перехода Шоттки на транзисторных структурах ТТЛ удалось разработать ряд новых серий интегральных микросхем ТТЛШ. Наиболее быстродействующими являются микросхемы серий К1531, К1533,в которых время задержки распространения снизилась до 3-4 нc, а потребляемая мощность в 8 раз по сравнению с обычными ТТЛанало­гами.

Проведем анализ динамических параметров ЛЭ. В динамическом ре­жиме работы ЛЭ рассматривается время задержки распространения сигнала t ^1,0 _зад при переходе выходного сигнала из логической единицы в логический нуль и t ^0,1 _зад при обратном переходе. Время задержки ЛЭ в значительной сте­пени определяется временем накопления и рассасывания носителей в базе на­сыщенного выходного транзистора и влиянием емкости нагрузки внешних цепей, подключенных к выходу ЛЭ.

Явление насыщения транзистора приводит к тому, что изменение вы­ходного напряжения по отношению к входному происходит через промежут­ки времени и t ^1,0 _зад и t ^0,1 _зад (рис. 2, а). Далее при прямоугольной форме входного сигнала, выходной изменяется с определенной скоростью, обусловленной по­стоянной

времени Т = R_выхС_н.

Точные исследования этих процессов производятся методами матетического моделирования по сложному алгоритму на основе алгоритма Эберса-Молла.

Рассмотрим упрощенную процедуру оценки времени задерж­ки переключения с учетом емкости нагрузки. При включении ЛЭ транзисто­ры DT ₂, DT ₄, первоначально закрыты, a DT ₃открыт. На входы ЛЭ поступает напряжения U ¹ _вх тран-

зистор DT ₂открывается, открывая через время t ^1,0 _зад. транзистор DT ₄.Полагаем, что нагрузкой ЛЭ является резистор R_н = 1 кОм и С_н = 300 пФ.

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений на входе и выходе ЛЭ

Изменение выходного напряжения

(1)

При изменении U_вых от 3,7 В до 1,3 В состояние ЛЭ меняется c U ¹ _вых на U ⁰ _вых. Полагая b = 30, I_{б 4} = 2 мА и D U = 2,4 В, из выражения

(2)

получим t ^1,0 = 12 нс.

При включении ЛЭ через промежуток времени t ^0,1 _зад, обусловленный временем рассасывания носителей в базе DT ₂, DT ₄ эти транзисторы закры­ваются, а DТ ₃ открывается и входит в режим насыщения.

Изменение выходного напряжения происходит по экспоненте с посто­янной времени

T ₂ = C_hR_эк = C_нR ₂ R ₄ /(R ₂ + R ₄).

При С_н = 300 пФ: Т ₂ = 40 нc.

(3)

Интервал времени t ^0,1 = t ₃ - t ₂ определяется выражением

t ₃ - t ₂ = T ₂ ln [(Е_эк - U ⁰ _вых)/(Е_эк - U_{гр нас})],

где Е_эк = 4 В, напряжение, к которому стремится экспонента, a U_{rp нac} - напря­жение на выходе, при котором DТ ₃ выходит из насыщения (U_{гр нас} = 3,3 В).

(4)

Приведенные данные носят оценочный характер и определяются ем­костью нагрузки ЛЭ. Важно отметить, что если спад напряжения на участке t ₁- t ₀ протекает почти по линейному закону, то подъем по экспонециальному, что и наблюдается при эксперименте. В справочной литературе приводится среднее время задержки распространения выходного сигнала

t _{зад ср} = (t ^1,0 _{зад ср} + t ^0,1 _{зад ср})/2.

На рис. 2, б показано, что эти уровни отсчитываются относительно средних уровней импульсов. В ЛЭ ТТЛ эти уровни равны 1,3 В, а в ТТЛШ - 1,5 В.

Мощность потребления ЛЭ зависит от состояния "0" или "1". При ну­левом состоянии потребляемый ток равен сумме токов, протекающих через резисторы R ₁ и R ₂

(5)

I ⁰ _пот = (U_ип - 3 × 0,65)/ R ₁ + (U_ип - U_{кэт 1} - 0,65)/ R ₂,

I ⁰ _пот = 3,3 мА.

В состоянии логической единицы

I ¹ _пот = (U_ип - 0,65 - 0,3)/ R ₁ = 1 мА.

Во время переключения ЛЭ происходят дополнительные затраты энергии, обусловленные процессом заряда-разряда емкостей нагрузки. Обычно при оценке потребляемой мощности в справочной литературе дают значения, применительно к предельно допустимой рабочей частоте.

Дата добавления: 2015-05-06