Основныехарактеристики и параметры логических элементов
Основныехарактеристики логических элементов
Амплитуднаяпередаточная характеристика UВЫХ = f(UBX) определяет формирующиесвойства ЛЭ, его помехоустойчивость, амплитуду и уровни стандартного сигнала.Вид характеристики зависит от типа логического элемента (ЭСЛ, ТТЛ) и можетизменяться в определенных пределах в зависимости от разброса параметров схем,изменений напряжения питания, нагрузки, температуры окружающей среды.
Рассмотримтиповую амплитудную передаточную характеристику (АПХ) инвертирующего ЛЭ (рис.2.1). В статическом состоянии выходной сигнал ЛЭ может находиться либо наверхнем (UB), либо на нижнем (UH) уровне напряжения.
Асимптотическийверхний (т. В) и асимптотический нижний (т. А) уровни логическихсигналов находятся как точки пересечения АПХ (кривая 1) с ее зеркальнымотображением (кривая 2) относительно прямой единичного усиления UВЫХ= UВХ. Разность /> является логическим перепадом UЛвыходных уровней ЛЭ. На практике из-за влияния помех и разбросов амплитудныхпередаточных характеристик для каждого типа ЛЭ устанавливается минимальныйлогический перепад: />, где /> - соответственно верхний и нижний уровни выходногопорогового напряжения. Выходные пороговые напряжения находят с помощьюпороговых точек b и ана характеристике, в которых дифференциальный коэффициент усиления понапряжению KU=-1.
Зоныстатической помехоустойчивости ЛЭ по нижнему (/>)' и верхнему (/>)' уровням напряжения вкомбинационных логических цепях определяются выражениями:
/>
/>
где(/>)', (/>)'характеризуют максимально допустимые уровни статической помехи на входе ЛЭ вкомбинационных логических цепях; /> — выходное пороговое напряжение нижнего уровня; /> - выходное пороговое напряжение верхнего уровня.Однако из-за наличия схем с положительной обратной связью в техническойдокументации на все ИС зоны статической помехоустойчивости по входу ограничиваютсявходными пороговыми напряжениями: /> — по нижнему уровню и /> - по верхнему. Эти пороговые напряжения называютсясоответственно пороговым напряжением зоны переключения (порог зоны переключения)нижнего уровня и пороговым напряжением зоны переключения верхнего уровня. Взоне переключения, заключенной между пороговыми напряжениями, работа ЛЭ встатическом режиме запрещается.
/>
Рис.2.1. Амплитудная передаточная характеристика инвертирующего ЛЭ
/>
Рис.2.2. Разброс амплитудных передаточных характеристик логических элементов
Такимобразом, статическая помехоустойчивость ЛЭ по нижнему уровню входного сигналаопределяется выражением /> а по верхнему уровню входного сигнала — выражением />.
Максимальнаяпомехоустойчивость ЛЭ по нижнему и верхнему уровням достигается при идеальнойамплитудной передаточной характеристике, для которой />.
Реализацияхарактеристик, близких к идеальным, связана с известными трудностями вследствиетехнологического разброса параметров микросхем при изготовлении, измененияпороговых напряжений в зависимости от изменения напряжения питания итемпературы окружающей среды в процессе эксплуатации. Поэтому реально зоныстатической помехоустойчивости для каждого типа ЛЭ устанавливают на основаниистатистического анализа амплитудных передаточных характеристик. На рис. 2.2заштрихованная область соответствует возможным разбросам амплитудных передаточныххарактеристик ЛЭ одного типа.
Присопоставлении амплитудных передаточных характеристик ЛЭ разных типов частоиспользуют не абсолютные значения статической помехоустойчивости, а их отношениек минимальному логическому перепаду:
/>
Чемближе амплитудная передаточная характеристика к идеальной, тем ближе значенияэтих коэффициентов к 0,5.
Входнаяхарактеристика IВХ = f(UBX)— зависимость входного тока ЛЭ отвходного напряжения определяет нагрузочную способность ЛЭ и режим работы линийсвязи. На рис. 2.3, 2.4 приведены типовые входные характеристики логическихэлементов ИС ЭСЛ и ТТЛ. На входной характеристике ЛЭ ЭСЛ можно выделитьследующие зоны, соответствующие возможным режимам работы входной цепи ЛЭ: I, V— зоны, определяющие рабочие режимы ЛЭ, т. е. входные токи при входныхнапряжениях низкого и высокого уровней, при. которых входные цепи имеютбольшое входное сопротивление (точки А и В соответствуют нижнему и верхнемууровням напряжений ЛЭ серии К500); II и IV — зоны статической помехоустойчивости;III —зона переключения ЛЭ (опорное напряжение UОП, определяемое каксреднее напряжение между высоким и низким уровнями, для ЛЭ ЭСЛ серии К500составляет примерно — 1.3 В; зона ограничивается пороговыми напряжениями /> и />); VI — зона нерабочих режимов (UВХ НАС — напряжение насыщения входноготранзистора — при увеличении входного напряжения входной ток резко увеличивается).
/>
Рис.2.3. Типовая входная характеристика ЛЭ ЭСЛ
Навходной характеристике ЛЭ ТТЛ (см. рис. 2.4) можно выделить следующие зоны: I,IX — зоны недопустимых входных напряжений; II.VIII— зоны предельно допустимыхвходных напряжений, оговоренных в технических условиях; III, VII — зоны,определяющие рабочий режим ЛЭ; наиболее характерный режим при напряжениинизкого уровня («0») — точка А, при напряжении верхнего уровня — точка В; IV,VI — зоны допустимых статических помех; V — зона переключения.
Выходнаяхарактеристика UВЫХ = f (IВЫХ) — зависимость выходного напряжения ЛЭ от выходноготока нагрузки. Эта характеристика в совокупности с входной позволяет определитьнагрузочную способность ЛЭ, режим его работы и способ согласования переходныхпроцессов в линиях связи.
Таккак в каждом из двух состояний ЛЭ в активном режиме находятся различныекомпоненты схемы, то различают выходные характеристики по нижнему /> и по верхнему /> уровнямвыходного напряжения. Точка В на графике выходной характеристики ИС ЭСЛ (рис.2.5) расположена в рабочей зоне верхнего логического уровня, точка А — в зоненижнего уровня. Для определения рабочих точек А и В на выходную характеристикунакладывают нагрузочные характеристики (RH). Рабочие зоны выходныххарактеристик по верхнему и по нижнему уровням напряжения ЛЭ ТТЛ (рис. 2.6),как и ЛЭ ЭСЛ, ограничены выходными пороговыми напряжениями и допустимымиуровнями напряжений. Статическому состоянию выходного верхнего уровня при малойнагрузке соответствует точка В. Точка А, находящаяся на пересечении выходнойхарактеристики нижнего уровня управляющего ЛЭ с входной характеристикойуправляемого ЛЭ, определяет статическое состояние нижнего уровня.
Входныеи выходные характеристики ЛЭ ТТЛ могут использоваться для оценки уровня помех,возникающих в линиях связи при переключении ЛЭ. В частности, для оценкиотражений в длинных линиях связи используют также нагрузочную характеристику линиисвязи.
/>
Рис.2.4. Типовая входная характеристика ЛЭ ТТЛ
/>
Рис.2.5. Типовая выходная характеристика ЛЭ ЭСЛ
/>
Рис.2.6. Типовая выходная характеристика ЛЭ ТТЛ
Характеристикаимпульсной (динамической) помехоустойчивости UПОМ=f(tПОМ) — зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи отее длительности — необходима для оценки допустимого уровня импульсных помехмалой длительности.
Этахарактеристика зависит от амплитуды, длительности, формы сигнала помехи и скоростипереключения ЛЭ. Обычно импульсная помехоустойчивость выше статической.Отсутствие в настоящее время достаточно надежных критериев ее оценки примассовом производстве микросхем со значительными технологическими разбросамиимпульсных параметров и их зависимостью от условий работы не позволяетприводить в технических условиях на ИС допустимую импульснуюпомехоустойчивость. Наиболее широкое распространение получил метод ее оценки спомощью характеристики, приведенной на рис. 2.7. Зависимость UПОМ ИМП= f(tПОМ ИМП) разделяет области допустимых (I) и недопустимых (II)импульсных помех. При больших длительностях импульсов помехи tПОМ ИМП > t2 динамическая помехоустойчивостьприближается к статической. При очень малых длительностях помехи (tПОМ ИМП t1) ЛЭ нечувствителен к ее амплитуде.
/>
Рис.2.7. Типовая характеристика импульсной помехоустойчивости ЛЭ
Основныепараметры логических элементов
Динамическиепараметры.Быстродействие ЛЭ при переключении определяется электрической схемой, технологиейизготовления и характером нагрузки. Для идентификации измерений динамическихпараметров в технической документации на ИС приводятся параметры эквивалентнойнагрузки, устанавливаются требования к амплитуде и длительности фронта входногосигнала. Уровни отсчета напряжений для определения динамических параметровустанавливаются относительно выходных пороговых напряжений «1» и «0» (рис. 2.8).Временные зависимости напряжений в зонах выше или ниже указанных на рисункепороговых уровней не влияют на работу ЛЭ и поэтому не представляют интереса.
/>
Рис.2.8. Входной (а) и выходной (б) сигналы инвертирующего ЛЭ
Основнымидинамическими параметрами ЛЭ являются задержка распространения сигнала tЗД Р при переключении и длительностьположительного (нарастающего) и отрицательного (спадающего) фронтов tФ выходных сигналов.
Задержкараспространения сигнала при переходе выходного напряжения от «1» к «0» /> (приположительной логике* это соответствует отрицательному фронту, приотрицательной — положительному фронту выходного сигнала) определяется какинтервал времени между фронтами входного и выходного сигналов ЛЭ, измеренногопо заданному уровню.
(*Дляположительной логики более положительное значение напряжения (высокий уровень)соответствует лог. 1, а менее положительное значение напряжения (низкийуровень) — лог. 0.
Дляотрицательной логики менее положительное значение напряжения (низкий уровень)соответствует лог. 1. а более положительное значение напряжения (высокийуровень) — лог. 0.)
Задержкараспространения сигнала при переходе выходного напряжения от «0» к «1» /> (приположительной логике это соответствует положительному фронту, при отрицательнойлогике — отрицательному фронту выходного сигнала) определяется как интервалвремени между фронтами входного и выходного сигнала ЛЭ, измеренного позаданному уровню. Задержки распространения (/>, />) измеряются, как правило, по уровню0,5 (/>+/>).
Прирасчете временной задержки сигнала последовательно включенных ЛЭ используетсясредняя задержка распространения сигнала ЛЭ:
/>
Длительностьфронта выходного сигнала при переходе напряжения из «1» в «0» (/>) для положительнойлогики соответствует отрицательному фронту, для отрицательной логики —положительному фронту.
Длительностьфронта выходного сигнала при переходе напряжения из 0 в 1 (/>) для положительнойлогики соответствует положительному фронту, для отрицательной логики —отрицательному фронту. Иногда в технической документации на ИС />, /> — обозначаются соответственно/>, />. Длительностиположительных и отрицательных фронтов измеряют по уровням 0,1 и 0,9 (см. рис.2.8).
Статическиепараметры определяютусловия формирования и значения напряжений высокого и низкого уровней на выходеЛЭ, его нагрузочную способность, потребляемую мощность при заданных напряжениипитания, нагрузке и температуре окружающей среды.
Кстатическим параметрам ЛЭ относятся:
выходныеи входные напряжения лог.0 и 1 (/>,/>,/>,/>);
входныеи выходные пороговые напряжения лог. 0 и 1 (/>, />, />, />);
входныеи выходные токи лог. 0 и 1(/>,/>,/>, />);
токипотребления в состоянии лог. 0 и 1 (/>,/>);
потребляемаямощность (Pпот).
Выходноепороговое напряжение лог. 0 /> есть максимальное или минимальное(в зависимости от типа логики) выходное напряжение лог. 0, определяемоепороговой точкой амплитудной передаточной характеристики в области лог. 0, вкоторой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению КU = 1 для неинвертирующего ЛЭ и КU = -1 для инвертирующего ЛЭ (см. рис.2.1).
Выходноепороговое напряжение лог. 1 /> есть минимальное или максимальное(в зависимости от типа логики) выходное напряжение лог. 1, определяемоепороговой точкой амплитудной передаточной характеристики в области лог. 1, вкоторой КU = 1 для неинвертирующего ЛЭ, КU = -1 для инвертирующего ЛЭ.
Порогзоны переключения лог. 0 /> есть пороговое напряжение лог. 0,определяемое пороговой точкой амплитудной передаточной характеристики в областилог. 0, в которой КU= 1 для неинвертирующего ЛЭ и КU = -1 для инвертирующего ЛЭ (см. рис. 2.1).
Порогзоны переключения лог. 1 /> есть пороговое напряжение лог. 1,определяемое пороговой точкой амплитудной передаточной характеристики в областилог. 1, в которой КU= 1 для неинвертирующего ЛЭ и КU = -1 для инвертирующего ЛЭ.
Входнойток ЛЭ задается для неблагоприятного режима работы в пределах допустимых температурокружающей среды и напряжения питания как для уровня лог. 0 (/>), так и для уровня лог.1 (/>).Выходные токи />, /> характеризуют нагрузочнуюспособность ЛЭ. (Втекающие токи имеют положительный знак, вытекающие токи —отрицательный знак.) Помехоустойчивость определяется относительно этих токов.Поэтому увеличение коэффициента разветвления приводит к снижению помехоустойчивости.
Входнойток лог.1 /> определяетсякак входной ток при напряжении лог. 1 на входе ЛЭ.
/> — входной токлог. 0 определяется как входной ток при напряжении лог. 0 на входе ЛЭ.
/>— выходной токлог. 1 определяется как выходной ток при напряжении лог. 1 на выходе ЛЭ.
/>— выходной токлог. 0 определяется как выходной ток при напряжении лог. 0 на выходе ЛЭ.
Ток,потребляемый от источника (источников) питания ЛЭ (Iпот), зависит от типа ЛЭ. Для ЛЭ ЭСЛ онпочти постоянен (если не принимать во внимание нагрузку) и не зависит от егологического состояния, для ЛЭ ТТЛ ток имеет разные значения для состояния «0» (/>) и «1» (/>). Кроме того,ЛЭ ТТЛ имеют выбросы тока во время переходных процессов при переключении ЛЭ,что приводит к существенному увеличению тока потребления на высоких частотах.Амплитуда и длительность выброса зависят от характера и величины нагрузки,схемотехники выходного каскада ЛЭ ТТЛ, длины линии связи и пр.
Мощность,потребляемая ЛЭ от источников питания />,
гдеUi—напряжение i-го источника питания; Ii — ток в соответствующей цепи питания.
Еслипотребляемая мощность зависит от выходного напряжения лог. 0 (/>) или 1 (/>), то в качествеосновного параметра используют среднюю потребляемую мощность Рпотср = (/>+/>)/2. Для ЛЭ,потребляющих значительную мощность при переключении, средняя потребляемаямощность в технической документации задается в виде зависимости Рпотср = f (Fимп), где Fимп — частота следования импульсов.
Интегральныепараметры отражаютуровень развития технологии и схемотехники и качество цифровых ИС. Основнымиинтегральными параметрами ИС являются энергия переключения /> и уровень интеграции N.
/>
Рис.2.9. Изменение основных параметров цифровых интегральных схем:
Δ— минимальный топологический размер компонентов, мкм;
NЛЭ— степень интеграции ЛЭ; NЗУ — числобит памяти на кристалле
Энергияпереключения />. Как правило, при определенииэнергии переключения используют типовые значения задержки распространения ипотребляемой мощности. (Если потребляемая мощность выражается в милливаттах, азадержка распространения — в наносекундах, то энергия переключения имеетразмерность пикоджоуль.) По мере совершенствования технологии и схемотехники иуменьшения размеров элементов на кристалле энергия переключения /> непрерывноснижается — примерно на полтора порядка за десятилетие (рис. 2.9). При заданныхтехнологии и схемотехнике, или при заданной энергии переключения (/>=const),можно создавать различные серии ИС, обладающие либо высоким быстродействием(малым значением τздр) и большойпотребляемой мощностью, либо низким быстродействием и малой потребляемоймощностью. По этому параметру в настоящее время производят оценку уровняразвития цифровой микроэлектроники и сравнение различных типов ИС.
Степеньинтеграции N логических цифровых микросхем определяется числомпростейших эквивалентных ЛЭ — обычно двухвходовых вентилей — на кристалле (см.рис. 2.9 и табл. 2.1). Иногда степень интеграции микросхем измеряют числомэлементов (резисторов, транзисторов, диодов) на кристалле, но при этомсовершенно не учитывается специфика логических цифровых ИС, где межэлементныесвязи занимают существенную часть площади кристалла. Функциональную сложностьИС запоминающих устройств, имеющих регулярную структуру, можно оценивать числомбит памяти на кристалле.
Таблица2.1
Условное
обозначение Число вентилей на кристалл
Число бит памяти на
кристалл ИС До 10
До 102 СИС
102
103 БИС
103
104 СБИС
104
105
СБИС более
высокой степе-
ни интеграции
105
106
106
107
Условныеобозначения серий цифровых микросхем
Поконструктивно-технологическому исполнению все цифровые ИС делятся на группы. Похарактеру выполняемых функций в аппаратуре ИС подразделяются на подгруппы(например, логические элементы, триггеры и т. д.) и виды внутри подгрупп(например, триггеры универсальные, счетные, с задержкой и т. д.). Разделениецифровых ИС на подгруппы и виды по функциональному назначению приведено в табл.2.2.
Таблица2.2Подгруппа и вид ИС Обозначение Формирователи: импульсов прямоугольной формы АГ импульсов специальной формы АФ прочие АП Схемы вычислительных средств: схемы сопряжения с магистралью ВА схемы синхронизации ВБ схемы управления вводом — выводом (схемы интерфейса) ВВ контроллеры ВГ микро-ЭВМ BE специализированные схемы ВЖ времязадающие схемы ВИ комбинированные схемы ВК микропроцессоры ВМ схемы управления прерыванием ВН прочие ВП
функциональные расширители
(в том числе расширители разрядности данных) ВР микропроцессорные секции ВС схемы управления памятью ВТ схемы микропрограммного управления ВУ функциональные преобразователи информации (арифметические, тригонометрические, логарифмические, быстрого преобразования Фурье и др.) ВФ Генераторы: прямоугольных сигналов ГГ сигналов специальной формы ГФ Схемы арифметических и дискретных устройств: арифметическо-логические устройства ИА шифраторы ИВ дешифраторы ИД счетчики ИЕ комбинированные ИК
полусумматоры ИЛ
сумматоры ИМ
прочие ИП
регистры ИР
Коммутаторы и ключи:
напряжения КН
прочие КП
тока КТ
Логические элементы:
элемент И — НЕ ЛА
элемент И — НЕ/ИЛИ — НЕ ЛБ
расширители ЛД
элемент ИЛИ — НЕ ЛЕ
элемент И ЛИ
элемент И — ИЛИ — НЕ/И — ИЛИ ЛК
элемент ИЛИ ЛЛ
элемент ИЛИ — НЕ/ИЛИ ЛМ
элемент НЕ ЛН
прочие ЛП
элемент И — ИЛИ — НЕ ЛР
элемент И — ИЛИ ЛС
Преобразователи сигналов:
уровня (согласователи) ПУ
код — код ПР
Схемы запоминающих устройств (ЗУ):
ассоциативные ЗУ РА
матрицы постоянных ЗУ РВ
постоянные ЗУ (масочные) РЕ
матрицы оперативных ЗУ РМ
прочие РП
постоянные ЗУ с возможностью РР
многократного электрического
перепрограммирования
постоянные ЗУ с возможностью РТ
однократного программирования
оперативные ЗУ РУ
постоянные ЗУ с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью информации РФ
Триггеры:
универсальные (типа JK) ТВ
динамические ТД
комбинированные ТК
Шмитта ТЛ
с задержкой (типа D) ТМ
прочие ТП
с раздельным запуском (типа RS) ТР
счетные (типа Т) ТТ
Многофункциональные схемы:
цифровые ХЛ
комбинированные ХК
Цифровые матрицы ХМ
Прочие ХП
/> /> /> />
/>Таблица 2.3 Тип логики Серия Параметры логического элемента (вентиля) Степень интеграции Функциональный аналог P, мВт , пДж ТТЛ К155 10 10 100 ИС, СИС SN74 КМ155 ТТЛШ К531 3 20 60 ИС, СИС SN74S КР1531 3 4 12 ИС, СИС SN74F К555 10 2 20 ИС, СИС SN74LS КМ555 КР1533 4 2 8 ИС, СИС SN74ALS К589 5 8 40 МП БИС 13000 КР1802 5 4 20 МП БИС — К1804 5 4 20 МП БИС Ат2900 ЭСЛ К500 2 25 50 ИС, СИС мсюк К1500 0,75 40 30 ИС, СИС F100K К1800 1,5 20 30 МП БИС МС10800 К1520ХМ1 0,8 12 10 МаБИС F200 К1520ХМ2 1 10 10 МаБИС —
Попринятой системе ГОСТ 17021—75 обозначение ИС должно состоять из четырехэлементов. Первый — цифра (1, 5, 7), обозначающая конструктивно-технологическоеисполнение ИС; второй — цифры, обозначающие порядковый номер серии микросхемыот 000 до 999 либо от 00 до 99. Первые два элемента определяют номер серии ИС.Третий элемент — две буквы, соответствующие подгруппе и виду по функциональномуназначению, четвертый — порядковый номер ИС по функциональному признаку вданной серии. Буквы К, KM, KP перед условным обозначением микросхемхарактеризуют условия их приемки на заводе-изготовителе и особенностиконструктивного исполнения. Иногда в конце условного обозначения добавляетсябуква, определяющая технологический разброс электрических параметров данноготипономинала.
Например,запись КР1533ЛАЗ обозначает, что имеем микросхему широкого применения (К), впластмассовом корпусе (Р), полупроводниковую (1), серии 533, выполняющуюфункцию логического элемента И—НЕ, порядковый номер в подгруппе — 3.
Втабл. 2.3 приведены условные обозначения и основные параметры серий биполярныхцифровых ИС и БИС, рассматриваемых в данном справочнике.