Параметры цифровых микросхем

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

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.

Таблица 4.1

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 Uи.п; входное U°вх и выходное U°вых напряжения логического 0; входное U1вх и выходное U1вых напряжения логической 1; входной IОвх, I'вх и выходной I°Вых, I'Вых токи логического 0 и логической 1;

коэффициент разветвления по выходу Kраз, 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 Ua;

средняя потребляемая мощность РПот,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 Ua): U1n=U1BbIX — U1вx; U0п = U°вх-U°вых.

Средняя потребляемая мощность определяется выражением

PnoT.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.

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

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 t0,1;
  • время задержки распространения сигнала при выключении ми­кросхемы t0,1зд, р;
  • время перехода из состояния логической 1 в состояние логиче­ского 0 t1,0;
  • время задержки распространения сигнала при включении ми­кросхемы t 1,0Здр;
  • среднее время задержки распространения сигнала tзд,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 t0,1зд.р и t1,0зд.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.

Рис. 4.2. Характеристика динами­ческой помехоустойчивости логи­ческой микросхемы

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 температуры «9 и емкости нагрузки Кс:

351.png

При этом предполагается линейная зависимость среднего времени 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[править]

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.

Таблица 4.2

В табл. 4.2 приведены условные обозначения и таблицы истин­ности некоторых логических элементов. Таблицы истинности показы­вают, каким будет сигнал на выходе (0 или 1) при той или иной комбинации сигналов на входе. В табл. 4.2 приведены логические элементы с двумя входами. Число входов может быть и большим. При создании какого-либо устройства могут понадобиться логиче­ские элементы с разным числом входов. Поэтому в состав серий нередко включают микросхемы, которые содержат логические эле­менты на 2, 3, 4, 6, 8 входов. Поскольку микросхемы выпускают в корпусах с ограниченным числом выводов, например корпус К201.14 — 1 имеет 14 выводов, то и логических элементов, разме­щаемых в таком корпусе, будет тем меньше, чем больше входов у каждого из них. Например, серия К155, некоторая часть микро­схем которой выпускается в указанном выше корпусе, включает следующий ряд логических микросхем: К155ЛА1 — два четырехвхо-довых, К155ЛА2 — один восьмивходовый, К155ЛАЗ — четыре двух-входовых, К.155ЛА4 — три трехвходовых логических элемента.

Рис. 4.3. Базовый элемент РТЛ

Разработка каждой серии цифро­вых микросхем начинается с базового логического элемента. Так называют элемент, который лежит в основе всех микросхем серии: и логических, и триггеров, и счетчиков и т.д. Как правило, базовые логические элемен­ты выполняют операции И — НЕ либо ИЛИ — НЕ. Принцип лострэгния, способ управления его работой,вы­полняемая им логическая операция, напряжение питания и другие пара­метры базового элемента являются определяющими для всех микросхем серии.

По принципу построения базовых логических элементов цифровые

микросхемы подразделяют на следующие типы: резистивно-транзисторной логики (РТЛ); диодно-транзисторной логики (ДТЛ)- тран­зисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ); транзисторной логики с эмиттерными связями (ЭСЛ); транзисторной логики с непосредственны­ми связями (НСТЛ).

Разнообразие типов базовых элементов объясняется тем чтс каждый из них имеет свои достоинства и свою область применения Некоторые из перечисленных типов элементов: РТЛ ДТЛ ЭСЛ перешли в цифровую микроэлектронику, сохранившись практичее-кг в том же виде, какими они были в цифровых устройствах на на весных компонентах. Элементы ТТЛ, НСТЛ на МДП-транзисторал появились сразу в микроэлектронном исполнении. В настоящее вре­мя наблюдается интенсивное развитие серий микросхем построен­ных на принципах ТТЛ, НСТЛ, ЭСЛ и вытеснение ими микросхем РТЛ и ДТЛ. Однако пока мы имеем широкую номенклатуру вы пускаемых микросхем всех типов, что и принято во внимание пои изложении материала.

Базовый элемент РТЛ представлен на рис. 4.3. Он выполняет логическую операцию ИЛИ — НЕ. Управление его работой осу­ществляется подачей сигналов в базовые цепи транзисторов- при­сутствие сигнала 1 хотя бы на одном входе приводит к открыва­нию соответствующего транзистора и обеспечению состояния 0 на выходе элемента.

К выходу логического элемента можно подключить несколько входов таких же элементов. Для выравнивания входных токов эле­ментов-нагрузок в базовые цепи транзисторов включены резисторы

Базовые элементы ДТЛ строятся на основе диодной логиче­ской схемы и транзисторного инвертора (рис. 4.4). Элемент выпол­няет операцию И — НЕ: для перевода элемента в состояние 0 на выходе необходимы сигналы 1 на всех входах.

Рис. 4.4. Базовые элементы ДТЛ:
а — со смещающими диодами;
б — с дополнительным транзистором

Число различных вариантов построения элементов ДТЛ веаико Мы ограничимся рассмотрением тех из них, которые получили наи­более широкое распространение. Элемент, схема которого представ­лена на рис. 4.4,а, является базовым для микросхем серии 217 Он содержит несколько входных диодов, которые вместе с резистором Ri служат для выполнения логической операции И и выходной инвертор. Два диода До в цепи базы транзистора, часто называе­мые смещающими, предназначены для увеличения порога сраба­тывания инвертора. Нередко предусматривается возможность под­ключения ко входу дополнительной диодной сборки для расши­рения логических возможностей элемента по выполнению опера­ции И.

Работает элемент следующим образом. При наличии хотя бы на одном входе сигнала 0 соответствующий диод открыт и ток от источника Е1 через резистор R1 и открытый диод Д{ поступает в выходную цепь предыдущего элемента. При этом транзистор ока­зывается закрытым, и на выходе элемента напряжение имеет вы­сокий уровень, т. е. уровень 1.

Если на все входы поданы сигналы с уровнем 1, входные дио­ды закрыты, и ток от источника ei поступает в базу транзистора. Он открывается и входит в режим насыщения, при этом выходное напряжение уменьшается до уровня 0.

Выключается транзистор обратным током базы, протекающим через диоды До, представляющие некоторое время малое сопротив­ление обратному току, диод Д1 и выход открытого транзистора предыдущего элемента. Время восстановления диодов Д0 должно быть больше времени рассасывания накопленного в транзисторе Т заряда: в противном случае диоды Д0 закроются, и процесс выклю­чения транзистора существенно замедлится.

В варианте ДТЛ элемента, показанном на рис. 4.4,6 (базовый элемент для микросхем серий 109, 121, 156 и др.), вместо одного из смещающих диодов используется транзистор Т2, усиливающий ток, включающий выходной транзистор Т1. В результате использо­вания дополнительного транзистора удается уменьшить требуемое значение напряжения E1 до 5 В и снизить требования к усилению выходного транзистора, что способствует увеличению выхода год­ных схем при их изготовлении.

Другая особенность элемента — наличие диода между базой вы­ходного транзистора и входными диодами. Этот диод, называемый ускоряющим, постоянно закрыт и играет роль конденсатора. Емкостью конденсатора является емкость электронно-дырочного перехо­да этого диода. Благодаря ей ускоряется включение выходного транзистора и его выключение, так как на этапе включения емкость способствует более быстрому пропусканию тока в базу транзисто­ра, а при выключении создает дополнительный выключающий ток за счет накопленного ею заряда.

Существенный недостаток рассмотренных элементов заключает­ся в том, что они имеют большое выходное сопротивление в закры­том состоянии, поскольку коллекторное сопротивление выходного транзистора составляет обычно тысячи ом. Это уменьшает ток, отдаваемый в нагрузку, и, как следствие, увеличивает время заряда емкости на выходе элемента.

Базовые элементы ТТЛ строят по тому же принципу, что и элементы ДТЛ, но вместо диодной сборки применяют многоэмит-терный транзистор, называемый так потому, что у него в базе сфор­мировано несколько (обычно от 2 до 8) эмиттерных областей. Обычно ТТЛ элементы имеют сложный инвертор. Один из типичных вариантов построения элементов рассматриваемого типа приведен на рис. 4.5,а, где показан элемент с возможностью расширения по ИЛИ. Эта возможность реализуется при подключении расширителя (рис. 4.5,6).

Элемент ТТЛ работает следующим образом. Когда на все вхо­ды многоэмиттерного транзистора ti (рис. 4.5,а) поданы сигналы 1 все эмиттерные переходы входного транзистора закрыты, и ток от источника через резистор Ri и открытый коллекторный переход тран­зистора ti поступает в базу транзистора Т2 и открывает его до на­сыщения. При этом открывается до насыщения и транзистор Т4, обеспечивая низкий уровень выходного напряжения. Транзистор Т3 в это время закрыт, поскольку напряжение на коллекторе открыто­го транзистора Т2 мало. Диод Д служит для повышения порога открывания транзистора Г3.

Рис. 4.5. Базовый элемент ТТЛ (а) и расширитель по ИЛИ (б)

При наличии хотя бы на одном входе сигнала 0 открывается соответствующий эмиттерный переход входного транзистора, и ток от источника через резистор ri и открытый эмиттерный переход поступает в выходную цепь источника сигнала, т. е. выходит из рассматри­ваемого элемента. Транзисторы Т2 и Г4 закрываются, а транзистор 73 откры­вается. На выходе обеспечивается уро­вень 1. Таким образом, рассмотренный элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И — НЕ. Для ограничения тока через открытый транзистор Г3 при коротком замыкании выхода элемента включен резистор R4.

Рис. 4.6. Транзистор с диодом Шотки (а) и его условное обозначение (б)

Благодаря применению сложного инвертора элемент имеет малое выход­ное сопротивление как в состоянии О, так и в состоянии 1. Это позволяет увеличить ток, отдаваемый в нагрузку, т. е. повысить нагрузочную способность, а также уско­рить процессы заряда и разряда емкости нагрузки.

В состав некоторых серий цифровых микросхем ТТЛ входят логические элементы без коллекторной нагрузки выходного транзи­стора — элементы с «открытым» коллектором. Они предназначены для работы с внешней нагрузкой в виде индикаторных приборов, реле и т. д.

В последние годы наряду с микросхемами ТТЛ, построенными на рассмотренных элементах, выпускают микросхемы ТТЛШ. Эти микросхемы построены по тем же схемотехническим принципам, что и ТТЛ, но вместо обычного транзистора в них использован транзи­стор с диодом Шотки (рис. 4.6), включенным параллельно коллек­торному переходу. Диод Шотки, открываясь при напряжении 0 „2 — 0,3 В, фиксирует этот уровень напряжения на коллекторном пере­ходе, не позволяя переходу открыться, а транзистору войти в ре­жим насыщения. Поэтому уменьшается время выключения логиче­ского элемента.

Для иллюстрации достоинств элементов ТТЛШ приведем два параметра одинаковых по схеме элементов, один из которых ТТЛ и относится к серии 130, а другой ТТЛШ и относится к серии 530.