Файл: 1. Основные параметры и характеристики логических элементов.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 294
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
1. Основные параметры и характеристики логических элементов
Логические элементы характеризуются следующей системой параметров:
– потенциалы, соответствующие 0 и 1;
– , ;
– порог переключения ;
– число входов (коэффициент объединения по входу);
– входные токи при и при ;
– коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность);
– устойчивость к помехам положительной и отрицательной полярности , ;
– мощность или ток , потребляемые от источника питания;
– задержки переключения из состояния 0 на выходе в состояние 1 и из состояния 1 в состояние 0. Параметры определяются по статическим и переходным характеристикам.
Основной статической характеристикой логических элементов является передаточная характеристика – зависимость потенциала на выходе от потенциала на одном из входов при постоянных значениях потенциала ( или ) на остальных входах. По типу передаточной характеристики элементы делятся на инвертирующие, на выходе которых образуется инверсия входных сигналов (элементы НЕ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ и др.), и неинвертирующие, сигналы на выходе которых не инвертируются (элементы И, ИЛИ и др.). Типичная передаточная характеристика инвертирующего элемента показана на рис. 1.1,а, неинвертирующего – на рис. 1.1,б.
а) б)
Рис. 1.1. Передаточные характеристики инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) логических элементов
Так как в цифровом устройстве должно быть обеспечено четкое разделение (квантование) уровней логических 0 и 1, то передаточная характеристика имеет три явно выраженных участка: I – соответствующий состоянию , II – состоянию , III – промежуточному состоянию. Значения потенциала , соответствующие границам участков, называются порогами переключения и , область между порогами – зоной неопределенности.
Из других статических характеристик ЛЭ можно отметить входную характеристику (служит для определения входных токов , вытекающего из схемы при , и втекающего в схему при ) и выходные характеристики , .
Коэффициент объединения по входу определяет число входов элемента
, предназначенных для подачи логических переменных. Элемент с большим коэффициентом объединения по входу имеет более широкие функциональные возможности.
Нагрузочная способность (или коэффициент разветвления по выходу) определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу данного элемента. Чем выше нагрузочная способность элементов, тем меньшее число элементов может потребоваться при построении цифрового устройства.
Быстродействие логического элемента оценивается задержкой распространения сигнала от входа к выходу элемента. На рис. 1.2 показаны переходные характеристики инвертирующего и неинвертирующего логических элементов. Средняя задержка распространения сигнала . Этот параметр используется при расчете задержки распространения сигналов в сложных логических схемах.
Помехоустойчивость оценивается наибольшим напряжением помехи, действующей на входе, которое не вызывает ложного переключения элемента из 1 в 0 или наоборот. Помехоустойчивость логического элемента можно оценить по передаточной характеристике.
, ; (1.1)
, (1.2)
где – логический перепад; – ширина зоны неопределенности.
Рис. 1.2. Переходная характеристика логического элемента
2. Сравнительная оценка базовых логических элементов
В настоящее время наиболее широко применяются микросхемы ТТЛ-типа (транзисторно-транзисторная логика), так как их параметры соответствуют требованиям разнообразной электронной аппаратуры. ТТЛ ИМС обладают сравнительно высоким быстродействием при относительно большой потребляемой мощности, высокой помехоустойчивостью и большой нагрузочной способностью.
Промышленность выпускает несколько разновидностей ТТЛ ИМС, в том числе ИС с диодами Шотки (ТТЛШ) повышенного быстродействия (но большей мощности потребления) и маломощные (но с меньшим быстродействием).
Микросхемы ЭСЛ-типа (эмиттерно-связанная логика) являются наиболее быстродействующими. Это обусловлено, в частности, тем, что транзисторы элемента работают в активном режиме, чем исключается время выхода из насыщения; перезарядка нагружающих вывод емкостей происходит достаточно быстро через малое выходное сопротивление эмиттерных повторителей.
Наряду с высоким быстродействием и большой нагрузочной способностью ЭСЛ-элемент отличается меньшей, чем ТТЛ-элемент, помехоустойчивостью (ввиду того, что для его переключения достаточен небольшой перепад входного напряжения), а также относительно большим потреблением мощности (за счет работы транзисторов в активном режиме и малых сопротивлений резисторов, дополнительно обеспечивающих быстродействие), что повышает требования к источникам питания и системе охлаждения.
Микросхемы КМОП-типа (на комплементарных МОП-транзисторах) отличаются исключительно малым потреблением мощности, за счет чего температура кристалла не превышает допустимой при весьма большом количестве компонентов на нем. Это позволяет изготовлять большие интегральные схемы (БИС) КМОП-типа с наивысшей в настоящее время степенью интеграции. Малая потребляемая мощность позволяет использовать аппаратуру на КМОП ИМС при ограниченных возможностях источников питания. Вместе с тем КМОП ИМС отличают высокая помехозащищенность и большое входное сопротивление, следствием чего является высокая нагрузочная способность (большой коэффициент разветвления по выходу). Наряду с этим КМОП-элемент имеет ограниченный коэффициент объединения по входу. Это связано с тем, что число входов равно числу нагрузочных транзисторов; за счет значительного падения напряжения на большом количестве отпертых нагрузочных транзисторов напряжение логической 1 на выходе может существенно снизиться. По быстродействию микросхемы КМОП-типа уступают микросхемам ЭСЛ- и ТТЛ-типов.
Таблица 1.1
| Параметр | Тип логики | |||
| ТТЛ | ТТЛШ | ЭСЛ | КМОП | |
| Напряжение питания , В | 5 | 5 | -5,2 | 3…5 |
| Напряжение логической 1 , В | 2,4 | 2,7 | -0,9 | |
| Напряжение логического 0 , В | 0,4 | 0,5 | -0,6 | |
| Быстродействие , нс | 20 | 5 | 2,9 | 50 |
| Помехоустойчивость , В | Не менее 0,4 | Не менее 0,5 | 0,2 | Не менее 0,3 |
| Потребляемая мощность , мВт | 22 | 19 | 35 | 0,1 |
| Коэффициент разветвления по выходу | 10 | 10 | 15 | 50 |
| Коэффициент объединения по входу | 8 | 4 | 9 | – |
В ряде случаев цифровое устройство приходится выполнять не микросхемах разных типов (например, ТТЛ и ЭСЛ). При этом для согласования уровней логических 1, а также логических 0 применяют преобразователи уровней.
Промышленность выпускает микросхемы и других типов, в частности диодно-транзисторной логики (ДТЛ) и резисторно-транзисторной логики (РТЛ). ДТЛ ИМС представляют собой комбинацию диодной схемы И и транзисторного инвертора. РТЛ- и ДТЛ-типы микросхем относятся к ранним разработкам, не обладают необходимыми параметрами и выпускаются для ремонта аппаратуры, изготовленной ранее.
В таблице 1.1 сведены параметры элементов серий 155 (ТТЛ), 531 (ТТЛШ), 100 (ЭСЛ), 561 (КМОП).
3. Системы обозначений отечественных и зарубежных ИМС
По конструктивно-технологическому исполнению все цифровые ИМС делятся на группы. По характеру выполняемых функций в аппаратуре ИМС подразделяются на подгруппы (например, логические элементы, триггеры и т.д.) и виды внутри подгрупп (например, триггеры универсальные, счетные, с задержкой и т.д.). Разделение цифровых ИМС на подгруппы и виды по функциональному назначению приведено в таблице 1.2.
Таблица 1.2
| Подгруппа 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 | ВЕ |
| 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 многократного электрического перепрограммирования | РР |
| постоянные ЗУ с возможностью однократного программирования | РТ |
| 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 T) | ТТ |
| Многофункциональные схемы: | |
| цифровые | ХЛ |
| комбинированные | ХК |
| Цифровые матрицы | ХМ |
| Прочие | ХП |
В качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые рядом фирм, например американской фирмой Texas Instruments. Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозначение, и система обозначений отечественных серий существенно отличается от принятой за рубежом.
Рис. 1.3. Система обозначений микросхем фирмы Texas Instruments
В качестве примера рассмотрим систему обозначений фирмы Texas Instruments (рис. 1.3). Полное обозначение состоит из шести элементов:
1. Идентификатор фирмы SN (для серий AC и ACT отсутствует).
2. Температурный диапазон (тип семейства):
74 – коммерческие микросхемы (температура окружающей среды для биполярных микросхем – 0…70°С, для КМОП микросхем – –40…+85°С),
54 – микросхемы военного назначения (температура окружающей среды – –55…+125°С).
3. Код серии (до трех символов):
Отсутствует – стандартная ТТЛ серия.
LS (Low Power Schottky) – маломощная серия ТТЛШ.
S (Schottky) – серия ТТЛШ.
ALS (Advanced Schottky) – улучшенная серия ТТЛШ.
F (Fast) – быстрая серия.
HC (High Speed CMOS) – высокоскоростная КМОП серия.
HCT (High Speed CMOS with TTL inputs) – серия HC, совместимая по входу с ТТЛ.
BCT (BiCMOS Technology) – серия с БиКМОП технологией.
ABT (Advanced BiCMOS Technology) – улучшенная серия с БиКМОП технологией.
LVT (Low Voltage Technology) – серия с низким напряжением питания.
4. Идентификатор специального типа (2 символа) – может отсутствовать.
5. Тип микросхемы (от двух до шести цифр).
6. Код типа корпуса (от одного до двух символов) – может отсутствовать. Например, N – пластмассовый корпус DIL (DIP), J – керамический корпус DIL (DIC), T – плоский металлический корпус.
Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.
Рис. 1.4. Отечественная система обозначений микросхем по ГОСТ 17021–75
Отечественная система обозначений микросхем (ГОСТ 17021–75) отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 1.4). Основные элементы обозначения следующие:
1. Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует.
2. Тип корпуса микросхемы (один символ) – может отсутствовать. Например, Р – пластмассовый корпус, М – керамический корпус, Б – бескорпусная микросхема.
3. Номер серии микросхемы (от трех до четырех цифр).