ЛОГИЧЕСКИЕ МИКРОСХЕМЫ

Рис. 4.2. Характеристика динами­ческой помехоустойчивости логи­ческой микросхемы

Рис. 4.1. Временные диаграммы напряжений на входе и выходе логической микросхемы

Таблица 4.1

ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

И ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ

ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Глава четвертая

 

 

Цифровые микросхемы предназначены для преобразо­вания и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, например двоичной, функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, а также цифровых узлов измери­тельных приборов, аппаратуры автоматического управления, связи и т. д.

По функциональному назначению цифровые микросхемы под­разделяются на подгруппы логических микросхем, триггеров, эле­ментов арифметических и дискретных устройств и др. Внутри каждой подгруппы по функциональному признаку микросхемы подразделяют на виды. Сведения о подгруппе и виде микросхемы содержатся в ее условном обозначении (см. Приложение).

Цифровые микросхемы выпускают сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие единое конструктивно-техноло­гическое исполнение, но относящиеся к различным подгруппам и видам. В серии может быть также несколько микросхем одного вида, различающихся, например, числом входов или нагрузочной способностью. Чем шире функциональный состав серии, тем в боль­шей степени она обеспечивает выполнение требований к микроэлек­тронной аппаратуре в отношении компактности, надежности и эконо­мичности, поскольку применение микросхем одной серии исключает необходимость в дополнительных, например согласующих, устрой­ствах.

 

Вид логики	Полярность напряжения питания
Положительная	Отрицательная
Положительная
Отрицательная

Большинство цифровых микросхем и все те, о которых будет идти речь в этой книге, относятся к потенциальным микросхемам: сигнал на их входе и выходе представляется высоким и низким уровнем напряжения. Указанным двум состояниям сигнала ставят­ся в соответствие логические значения 1 и 0. В зависимости от кодирования состояния двоичного сигнала различают положитель­ную и отрицательную логику (табл. 4.1).

Логические операции, выполняемые микросхемами, обычно ука­зывают для положительной логики. Однако есть и исключения из этого правила, они в тексте будут оговорены.

Длительность потенциального сигнала определяется сменой информации: например, длительность сигнала на выходе микросхе­мы определяется временным интервалом между двумя входными сигналами. Иногда применительно к потенциальным микросхемам говорят, что они управляются положительными или отрицательны­ми импульсами. В таких случаях речь идет о том, что для измене­ния состояния микросхемы необходимо на заданное время изменить уровень входного сигнала с 1 на 0 (отрицательный импульс) либо с 0 на 1 (положительный импульс).

Свойства цифровых микросхем характеризуют системой элек­трических параметров, которые для удобства рассмотрения разде­лим на статические и динамические.

Статические параметры характеризуют микросхему в статиче­ском режиме. К ним относятся:

напряжение источника питания U_и._п; входное U°_вх и выходное U°вых напряжения логического 0; входное U¹вх и выходное U¹вых напряжения логической 1; входной I^О_вх, I'_вх и выходной I°_Вых, I'_Вых токи логического 0 и логической 1;

коэффициент разветвления по выходу K_раз, определяющий чис­ло входов микросхем — нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу данной микросхемы; в этом смысле часто употребляют термин «нагрузочная способность» микросхемы;

коэффициент объединения по входу Коб, определяющий число входов микросхемы, по которым реализуется логическая функция; допустимое напряжение статической помехи U_a;

средняя потребляемая мощность Р_Пот,_ср.

Последние два параметра нуждаются в кратком пояснении.

Допустимое напряжение статической помехи характеризует ста­тическую помехоустойчивость микросхемы, т. е. ее способность про­тивостоять воздействию мешающего сигнала, длительность которого значительно превосходит время переключения микросхемы. Такая помеха и названа статической. Напряжение допустимой статиче­ской помехи обычно определяется как разность выходного и вход­ного напряжений, соответствующих уровню логической 1 либо уров­ню логического 0 (в расчет принимается наименьшее значение U_a): U¹_n=U¹_BbIX — U¹вx; U⁰п = U°вх-U°вых.

Средняя потребляемая мощность определяется выражением

P_noT.cp ⁼ (Р⁰пот + Рпот) /2,

где Рпот, Р'пот — потребляемая микросхемой мощность в состоянии соответственно 0 и 1 на выходе.

Общепринятое усреднение потребляемой мощности оправдано тем, что обычно во время работы в составе цифрового устройства логические микросхемы половину времени находятся в открытом состоянии, а другую половину времени — в закрытом.

Средняя потребляемая мощность тесно связана с быстродейст­вием микросхемы (ее временем переключения или рабочей частотой переключения); чем больше средняя потребляемая мощ­ность, тем с большей часто­той может переключаться ми­кросхема.

 

Для многих типов микро­схем характерно заметное уве­личение потребляемой мощно­сти с ростом частоты пере­ключения, что связано с увеличением потребления

мощности в процессе пере­ключения по сравнению со статическим режимом. Учиты­вая это, следует при расчетах реального энергопотребления цифрового устройства ориен­тироваться на мощность, по­требляемую микросхемами в режиме переключения с заданной частотой, т. е. на мощность, по­требляемую в динамическом режиме.

Динамические параметры характеризуют свойства микросхемы в режиме переключения. В основном это временные параметры ми­кросхемы:

время перехода из состояния логического 0 в состояние логиче­ской 1 t^0,1;

время задержки распространения сигнала при выключении ми­кросхемы t^0,1_{зд, р};

время перехода из состояния логической 1 в состояние логиче­ского 0 t^1,0;

время задержки распространения сигнала при включении ми­кросхемы t ^1,0_Здр;

среднее время задержки распространения сигнала t_зд,р,ср.

Динамические параметры определяют при сравнении сигналов на входе и выходе логического элемента. На рис. 4.1 приведены временные диаграммы входного и выходного сигналов и показаны уровни отсчета, относительно которых определяют динамические параметры.

Среднее время задержки служит усредненным параметром быст­родействия и определяется как полусумма задержек t^0,1_зд.р и t^1,0_зд.р.

Этот параметр часто является основным при расчете рабочей часто­ты сложных логических устройств.

Среднее время задержки зависит от многих факторов: принци­па построения логических элементов, наличия или отсутствия режи­ма насыщения у входящих в схему транзисторов, величины пере­ключающих токов и т. д. Кроме того, на среднее время задержки оказывают существенное влияние и условия работы микросхемы: температура окружающей среды, изменения питающих напряжений, емкость нагрузки и т. д.

Стремление обеспечить высокую надежность аппаратуры за­ставляет принимать в расчет те значения параметров логических элементов, в том числе и среднего времени задержки, которые соответствуют наихуд­шим условиям их работы.

 

При использовании в рас­четах справочных данных не­обходимо обращать внимание на то, для каких условий приведены эти данные и при необходимости перерассчиты­вать параметры с учетом ре­альных условий работы ми­кросхем.

Например, расчеты, уточ­няющие среднее время за­держки, можно производить с помощью коэффициентов, от­ражающих влияние на значение среднего времени задержки тем пературы «₉ и емкости нагрузки Кс:

При этом предполагается линейная зависимость среднего време-ни задержки от указанных факторов.

К числу динамических параметров следует отнести также ди­намическую помехоустойчивость, характеризующую способность ми­кросхемы противостоять воздействию импульсной помехи, длитель­ность которой соизмерима со средним временем задержки переда­чи сигнала через микросхему.

Количественно динамическая помехоустойчивость определяется амплитудой и длительностью импульса помехи, но чаще с помощью характеристики (рис. 4.2), отражающей зависимость допустимой амплитуды импульса помехи от длительности этого импульса. Из рисунка видно, что по мере увеличения длительности импульса по­мехи допустимая амплитуда помехи снижается до уровня макси­мально-допустимого напряжения статической помехи.

Заметим, что указанные параметры широко используют для ха­рактеристики как микросхемы в целом, так и отдельных ее элемен­тов: логических элементов, триггеров и др.

Эксплуатационные параметры характеризуют работоспособность интегральных микросхем в условиях воздействия окружающей сре­ды. К ним относятся: диапазон рабочих температур, допустимые механические нагрузки (вибрации, удары, линейные ускорения), границы допустимого изменения атмосферного давления, наиболь­шая влажность и некоторые другие.

 

 

Логические микросхемы выполняют операции конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ), инверсии (НЕ), более сложные логические операции: И — НЕ, ИЛИ — НЕ₄ И т-ИДИ — НЕ и др. Логическая микросхема как функциональный узел может состоять из несколь­ких логических элементов, каждый из которых выполняет одну-две или более из перечисленных логических операций и является функ­ционально автономным, т. е. может использоваться независимо от других логических элементов микросхемы. Конструктивно логи­ческие элементы объединены единой подложкой и корпусом и, как правило, имеют общие выводы для подключения источника питания.