Параметры логических элементов

         Базовые логические элементы – это схемы, содержащие элек­тронные ключи и выполняющие основные логические операции. Базовые логические элементы составляют основу для проектирования сложных цифровых устройств, выполняющих различные логические функции.

     К параметрам, характеризующим логические и схемотехнические возможности ЛЭ микросхем и больших интегральных схем (БИС), относятся:

1. реализуемая логическая функция;

2. нагрузочная способность n, характеризующая возможность подключения определенного числа идентичных ЛЭ (коэффициент разветвления по выходу);

3. коэффициент объединения по выходу m (m_и — для реализации логической функции И; m_или — для реализации логической функции ИЛИ) (коэффициент объединения по входу);

4. средняя задержка передачи сигнала τ_ср (полусумма времени задержек передачи сигналов 1 и 0 со входа ЛЭ на его выход);

5. предельная рабочая частота f_р (частота переключения триггера, составленного из рассматриваемых ЛЭ);

6. помехоустойчивость;

7. потребляемая мощность.

1. По виду реализуемой логической функции ЛЭ условно могут

быть разбиты на два класса. К первому классу относятся функциональные элементы одноступенчатой логики. Это простейшие ЛЭ, реализующие функции И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Ко второму классу относятся функциональные элементы двухступенчатой логики, реализующие более сложные функции: И-ИЛИ, ИЛИ-И, НЕ-И-ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-И и др.

2. Нагрузочная способность ЛЭ n определяет число входов

идентичных элементов, которое может быть подключено к выходу каждого из них. При этом обеспечиваются неискаженная передача двоичных символов 0 и 1 в цифровом устройстве по цепи из произвольного числа последовательно включенных элементов при наихудших сочетаниях дестабилизирующих факторов. Дестабилизирующими факторами могут быть: изменение питающих напряжений, разброс параметров компонентов, изменение температуры и т.п.

Часто нагрузочная способность n называется коэффициентом разветвления по выходу (К_раз) и выражается целым положительным числом (n=4, 5, 7, 10 и т. д.).

Обычно в состав одной серии ИМС часто входят ЛЭ с различной нагрузочной способностью: основные ЛЭ с n=4…10 и буферные элементы — так называемые усилители мощности с n=20…50.

     В зависимости от частотного диапазона работы логических МДП-микросхем (металл-диэлектрик-полупроводник) их нагрузочная способность может изменяться в широких пределах (n=10…100).

3. Коэффициент объединения по входу m(К_об) характеризует

максимальное число логических входов функционального элемента.   С увеличением параметра m расширяются логические возможности микросхемы за счет выполнения функций с большим числом аргументов на одном типовом элементе И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т. п.

 Однако при увеличении числа входов, как правило, ухудшаются другие параметры функционального элемента, такие как быстродействие, помехоустойчивость и нагрузочная способность.

       В существующих сериях интегральных микросхем основные логические элементы выполняются, как правило, с небольшим числом входов .

К основным динамическим параметрам логического элемента относятся:

t_ф1 — фронт формирования уровня логической 1;

t_ф0 — фронт формирования уровня логического 0;

τ₁₀ — задержка переключения из состояния 1 в состояние 0;

τ₀₁ — задержка переключения из состояния 0 в состояние 1;

— длительность импульса;

f_p — рабочая частота.

        Определение этих параметров обеспечивается при сравнении сигналов на входе и выходе ЛЭ, т.е. при рассмотрении процесса передачи информации через ЛЭ. Уровнями отcчета динамических параметров ЛЭ являются (рассматривается положительная логика, при которой высокий уровень выходного сигнала соответствует 1, а низкий — 0) максимальный уровень логического 0 и минимальный уровень логической 1.

4. Задержка переключения τ₁₀ определяется как временной интервал

между уровнем 1 фронта нарастания входного импульса (положительный импульс) и уровнем 0 фронта спада выходного импульса (отрицательный импульс).

        Задержка переключения τ₀₁ определяется как временной интервал между уровнем 0 фронта спада входного импульса и уровнем 1 фронта нарастания выходного импульса. Фронты импульса, определяемые между уровнями 1 и 0 спада импульса, обозначаются t_ф0, между уровнями 0 и 1 нарастания импульса — t_ф1.

Рис. 13.7. К определению динамических параметров логического элемента (инвертора)

5. Средняя задержка τ_ср ЛЭ определяется как полусумма задержек τ₁₀

и τ₀₁ и служит усредненным параметром быстродействия, используемым при расчете временных характеристик многоэлементных последовательно включенных логических микросхем.

     Произведение средней задержки на число последовательно соединенных ЛЭ в устройстве дает наибольшую задержку сигнала в этом устройстве. Параметр τ_ср приводится в технических условиях на ИМС. Для упрощения процесса расчета временных характеристик сложных логических цепей часто считают сигналы прямоугольными, т. е. t_ф0= t_ф1=0.

Помехоустойчивость. Базовый элемент ИМС в статическом режиме может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 или 1). По этой причине различают статическую помехоустойчивость ЛЭ по уровню 0 (U_no)и по уровню 1 (U_n1).               

6. Статическая помехоустойчивость базовых элементов ИМС

определяется значением напряжения, которое может быть подано на вход ИМС относительно уровня 0 или 1, не вызывая её ложного срабатывания (например, переход из состояния 1 в состояние 0 или наоборот).

      Максимально допустимые постоянные напряжения помехи положительной полярности (при напряжении логического 0 на входе) и отрицательной полярности (при напряжении логической 1 на входе) определяют помехоустойчивость ЛЭ по отношению к статическим (длительно действующим) помехам. Внутренние помехи в цифровом устройстве возникают при переключении ЛЭ, поэтому их амплитуда пропорциональна логическому перепаду U_л.

Логическим перепадом называется разность напряжений логической 1 и логического 0:

.

     Для оценки помехоустойчивости ЛЭ помимо напряжений U_п1 и U_п0 используют относительные величины:

; ,                             ( 13.38)

называемые коэффициентом помехоустойчивости.

       Для повышения помехоустойчивости необходимо увеличивать логический перепад и уменьшать время переключения ЛЭ из состояния 1 в состояние 0 и наоборот.

7. Потребляемая мощность ЛЭ (мощность, потребляемая ЛЭ от

источника питания) зависит от его логического состояния, так как изменяется ток I_и.п. в цепи питания. ЛЭ потребляет ток

при  

 при                                     ( 13.39)

Поэтому средняя потребляемая мощность в статическом режиме.

                           ( 13.40)

Зная среднюю мощность и число ЛЭ в цифровом устройстве N_л.э., можно вычислить среднюю мощность, потребляемую устройством; она равна .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 P_ср реализован в ЛЭ на КМДП-транзисторах (комплементарный металл-диэлектрик-полупроводник). В этих элементах токи в статическом режиме малы, а мощность потребляется только при переключении. Мощность, потребляемую дополнительно в процессе переключения, называют динамической. Она пропорциональна частоте переключения ЛЭ. Поэтому динамическую мощность определяют при заданной рабочей частоте, близкой к максимальной.