Файл: Электроника Ицкович Учебное пособие Ч2 2017.pdf

11

входное напряжение. Если на входе действует напряжение 

0

U , то 

опасны  помехи,  имеющие  положительную  полярность,  так  как 
они  повышают  входное  напряжение.  При  достаточно  большом 
напряжении  помехи  рабочая  точка  на  передаточной  характери-
стике может сместиться в область переключения 3 (см. рис. 8.2), 
что  приведет  к  сбою  в  работе,  т. е.  ложному  изменению  выход-
ных  напряжений  в  цифровом  устройстве.  При  поступлении  на 
вход напряжения 

1

U  и напряжения помехи отрицательной поляр-

ности также возможно ложное переключение. 

Максимально  допустимые  постоянные  напряжения  помехи 

положительной полярности 

0

П

U  (при напряжении 

0

U  на входе) и 

отрицательной  полярности 

1

П

U   (при  напряжении 

1

U   на  входе) 

определяют  помехоустойчивость  ЛЭ  по  отношению  к  статиче-
ским (длительно действующим) помехам. Эти напряжения отме-
чены на рис. 8.2. 

0

0

0

;

П

ПОР

U

U

U

=

−

                                      (8.1) 

1

1

1

.

П

ПОР

U

U

U

=

−

                                       (8.2) 

Внутренние  помехи  в  цифровом  устройстве  возникают  при 

переключении  ЛЭ,  поэтому  их  амплитуда  пропорциональна  ло-
гическому  перепаду 

Л

U .  Для  оценки  помехоустойчивости  ЛЭ 

помимо напряжений 

0

П

U   и 

1

П

U   используют  относительные  вели-

чины 

0

1

0

1

;

;

П

П

П

П

Л

Л

U

U

K

K

U

U

=

=

                           (8.3) 

1

0

,

Л

U

U

U

=

−

                                     (8.4) 

называемые коэффициентами помехоустойчивости. 

Из  рис. 8.2 видно,  что 

0

1

1

П

П

k

k

+

< ,  так  как 

0

1

П

П

Л

U

U

U

+

<

. 

В тех случаях, когда область переключения 3 не очень широкая, 
т. е. 

1

0

ПОР

ПОР

Л

U

U

U

−

<<

,  можно  ввести  средний  порог  переклю-

чения 

(

)

1

0

2

ПОР

ПОР

ПОР

U

U

U

+

=

. Для повышения помехоустойчи-

вости необходимо увеличивать логический перепад и уменьшать 
«ширину» области переключения. Идеальная передаточная харак-
теристика,  соответствующая  максимальной  помехоустойчивости, 

12

должна удовлетворять условиям 

1

ИП

U

U

=

, 

0

0

U

= , 

0

1

ПОР

ПОР

U

U

=

; 

тогда достигаются одинаковые и максимально возможные значе-
ния 

0

1

0

1

.

0,5

,   

0,5

П

П

И П

П

П

U

U

U

К

К

=

=

=

=

. Для получения большей 

помехозащищенности при том же напряжении источника питания 
используют специальные схемы с обратной связью. 

Передаточная  характеристика  такого  элемента  приведена 

на рис. 8.3.  

U

0

U

1

U

ВЫХ 

U

ВХ 

U

1

U

1 

П 

U

1 

ПОР 

U

0 

ПОР 

U

0 

П 

U

0

Рис. 8.3 — Передаточная характеристика  

логического элемента с обратной связью 

 
При  оценке  помехоустойчивости  по  формулам (8.2) и (8.3) 

следует учитывать, что входящие в них величины 

1

U , 

0

U , 

1

ПОР

U

, 

0

ПОР

U

  имеют  технологический  разброс,  т. е.  различаются  даже 

для  однотипных  ЛЭ  и  зависят  от  температуры,  напряжения  ис-
точника питания, числа нагрузок аналогичных ЛЭ, присоединен-
ных  к  выходу,  и  других  условий.  Поэтому  в  этих  формулах 
обычно  используют  наихудшие  значения  величин;  при  этом 
в технических условиях приводят заниженные, но гарантируемые 
при заданных условиях эксплуатации значения. Технологический 
разброс указанных выше напряжений велик для ЛЭ разных мик-
росхем, но он значительно меньше для ЛЭ в составе одной мик-
росхемы. Соотношения (8.2) и (8.3) определяют как максимально 
допустимые  постоянные  напряжения  помех,  так  и  амплитуды 
импульсных  помех  большой  длительности.  Если  длительность 
импульса помехи уменьшается настолько, что становится меньше 
времени переключения ЛЭ, то допустимая амплитуда импульсной 

13

помехи  возрастает.  Следовательно,  импульсная  помехоустойчи-
вость может быть выше статической. 

Входная  характеристика — это  зависимость  входного 

тока  I

ВХ

  от  напряжения  на  данном  входе  при  постоянных 

напряжениях  на  остальных  входах.  Для  ЛЭ  на  биполярных 
транзисторах  по  этой  характеристике  определяют  входные  токи 
для  двух  состояний:  ток  низкого  уровня 

0

0

ВХ

I

>   при 

0

ВХ

U

U

=

, 

вытекающий  из  данного  входа,  и  ток  высокого  уровня 

1

0

ВХ

I

≤  

при 

1

ВХ

U

U

=

,  втекающий  в  этот  вход.  Для  элементов  на  МДП-

транзисторах  входные  токи  в  обоих  состояниях  пренебрежимо 
малы. 

Выходная характеристика — это зависимость выходного 

напряжения  U

ВЫХ

  от  выходного  тока  I

ВЫХ

  при  заданных  по-

стоянных напряжениях на входах. В общем случае  таких ха-
рактеристик может быть две: для напряжения низкого уров-
ня  на  выходе 

( )

0

ВЫХ

ВЫХ

U

f I

=

  и  для  напряжения  высокого 

уровня на выходе 

( )

1

ВЫХ

ВЫХ

U

f I

=

, где 

0

ВЫХ

I

 и 

1

ВЫХ

I

 — выход-

ные токи низкого и высокого уровней. 

Нагрузочная  способность  n  (коэффициент  разветвления  на 

выходе) характеризует максимальное число однотипных ЛЭ, ко-
торые одновременно можно подключать к его выходу. Чем выше 
нагрузочная способность, тем меньшее число ЛЭ необходимо для 
построения  сложной  цифровой  микросхемы.  Однако  увеличение 
нагрузочной способности ограничено, поскольку с  ростом числа 
нагрузок  ухудшаются  другие  основные  параметры  ЛЭ,  главным 
образом статическая помехоустойчивость и быстродействие. Так, 
помехоустойчивость  ЛЭ  на  биполярных  транзисторах  уменьша-
ется  с  ростом  числа  нагрузок,  так  как  увеличиваются  выходные 
токи  в  обоих  состояниях,  а  это  приводит  к  снижению  уровня 
напряжения 

1

U  и повышению уровня напряжения 

0

U . 

Среднее время задержки сигнала возрастает вследствие уве-

личения емкости нагрузки. По этой причине в состав одной серии 
микросхем  малой  и  средней  степеней  интеграции  и  в  цифровых 
устройствах БИС вводят ЛЭ с различной нагрузочной способно-
стью:  n = 4...25.  Коэффициент  объединения  по  входу  m  равен 

14

числу входов ЛЭ. С увеличением коэффициента m расширяются 
его  логические  возможности  за  счет  выполнения  функций  над 
большим числом логических переменных. При этом для создания 
сложного  устройства  требуется  меньше  ЛЭ.  Однако  увеличение 
числа входов, как правило, ухудшает другие основные параметры 
ЛЭ, прежде всего быстродействие. Для построения большинства 
цифровых микросхем достаточно  иметь  элементы  с числом вхо-
дов m = 3...4. Если требуются схемы с повышенным числом вхо-
дов, то в серии микросхем вводятся специальные ЛЭ — расшири-
тели числа входов. 

Потребляемая  мощность  ЛЭ  (мощность,  потребляемая  ЛЭ 

от источника питания) зависит от его логического состояния, так 
как изменяется ток в цепи питания. Средняя потребляемая мощ-
ность в статическом режиме 

0

1

0,5

(

).

СР

ИП

ИП

ИП

P

U

I

I

=

+

                            (8.5) 

Зная  среднюю  мощность  и  число  ЛЭ  в  цифровом  устрой-

стве,  можно  вычислить  среднюю  мощность,  потребляемую 
устройством;  она  равна 

. .

СР

Л Э

P N

.  Уменьшить  потребляемую 

мощность  можно,  снизив  напряжение  или  ток  питания.  Однако 
при этом понизятся помехоустойчивость, а для многих типов ЛЭ 
и  быстродействие.  Наиболее  эффективный  способ  уменьшения 
мощности  реализован  в  ЛЭ  на  КМДП-транзисторах.  В  этих  эле-
ментах  токи  в  статическом  режиме  пренебрежимо  малы,  а  мощ-
ность потребляется только при переключении. 

Мощность,  потребляемую  дополнительно  в  процессе  пере-

ключения, называют динамической. Она пропорциональна часто-
те переключения ЛЭ.  Поэтому динамическую мощность опреде-
ляют при заданной рабочей частоте, близкой к максимальной. 

 Быстродействие  ЛЭ  оценивают  средним  временем  задерж-

ки распространения сигнала 

. .

ЗД Р РАС

t

  (средней  задержкой),  опре-

деляющим среднее время выполнения логической операции:  

(

)

0,1

1,0

. .

.

.

0,5

ЗД Р СР

ЗД Р

ЗД Р

t

t

t

=

+

,                             (8.6) 

где 

0,1

.

ЗД Р

t

, 

1,0

.

ЗД Р

t

 — времена задержки распространения сигнала при 

переходе напряжения на выходе от 0 к 1 и от 1 к 0 соответствен-
но, измеряемые на уровне 

ПОР

U

. Произведение средней задержки 

15

на  максимальное  число  последовательно  соединенных  ЛЭ 
в устройстве  дает  наибольшую  задержку  сигнала  в  этом  устрой-
стве. Временные диаграммы на входе и выходе инвертирующего 
ЛЭ  приведены  на  рис. 8.4. Задержки  необходимо  измерять 
в условиях,  учитывающих  работу  ЛЭ  в  цифровых  устройствах. 
Поэтому входной сигнал формируется аналогичным ЛЭ, а на вы-
ходе  исследуемого  ЛЭ  подключают  схему — нагрузку.  При 
упрощенном  анализе  переходных  процессов  в  ЛЭ  реальный 
входной  сигнал  заменяют  импульсом  прямоугольной  формы. 
Временные диаграммы показаны на рис. 8.5. 

U

ПОР 

U

ВЫХ 

U

ПОР 

U

ВХ 

U

0 

U

0 

U

1 

U

1 

t 

t 

t

0,1

З.Р 

t

1,0

ЗР 

U

Л 

Рис. 8.4 — Время задержки распространения 

сигнала 

 
В  литературе  часто  приводят  среднее  время  задержки 

в кольцевом  генераторе,  представляющем  замкнутую  в  кольцо 
цепочку нечетного числа 

Г

k  инвертирующих  ЛЭ. Схема кольце-

вого  генератора,  содержащая 

Г

k   инверторов,  представлена  на 

рис. 8.6. Измеряя период колебаний, можно вычислить среднюю 
задержку: 

. .

2

Г

Г ЗД Р СР

T

к t

=

. Для исключения зависимости измеря-

емой задержки от числа инверторов в цепи генератора выбирают 
большим:  к

Г 

= 9...11.  Кольцевые  генераторы  наиболее  широко 

используют для измерения средней задержки ЛЭ в составе БИС.