.

Характеристики и параметры логических элементов

В настоящее время при разработке интегральных схем (ИС) наибольшее распространение получили следующие типы логических элементов:
– транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
– транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);
– эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
– интегрально-инжекторная логика (И2Л);
– логика на комплементарных полевых транзисторах (КМОП).
Самыми распространёнными на сегодняшний день являются ИС, реализующие ТТЛ и её разновидности. Интегральные схемы данного типа обладают средним быстродействием и средней потребляемой мощностью.
На рис. 18.2 а – з представлены условно-графические обозначения (УГО) элементов и выполняемые ими функции.
Для определения характеристик и параметров цифровых микросхем рассмотрим логические элементы (ЛЭ) ТТЛ типа. Наибольшее распространение получили элементы с положительной логикой (транзистор типа n-p-n). В положительной логике значению логической «1» ставят в соответствие большее, а значению логического «0» – меньшее значение напряжения или тока. Потенциальный способ представления логического «0» и логической «1» при положительной логике приведен на рис. 18.3:
 
 
Рис. 18.2. Элементы цифровой логики:
 
а – инвертор: ; б - повторитель: ; в – логическое сложение (ИЛИ): ; г – инверсия суммы (ИЛИ-НЕ): ; д – логическое умножение (И): ; е – инверсия произведения (И-НЕ):     ж – сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ, неравнозначность): ;

 
 
Рис. 18.3. Представление положительной логики
 
- уровень логического «0»;
- уровень логической «1»;
.
Динамические характеристики ЛЭ приведены на рис. 18.4:
 
 
 
 

Рис. 18.4. Динамические характеристики ЛЭ

 
Время задержки ЛЭ зависит от времени задержки переднего tЗ1  и  заднего  tЗ2  фронтов  и  определяется из выражения tЗ = (tЗ1+ tЗ2).
Нагрузочная способностьЛЭ характеризует его способность получать сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для численной характеристики нагрузочной способности ЛЭ используются два коэффициента:
1.  n– коэффициент разветвления – характеризует количество выходов для элементов данной серии, которые могут быть подключены к одному выходу. Для ТТЛ n=10. Нагрузочная способность элемента характеризуется его выходным сопротивлением RВЫХ.
2. m– коэффициент объединения – характеризуется количеством входов данного логического элемента (от двух и более).
Различают следующие статические характеристики ПЛЭ:
1. IВХ = f(UВХ)входная характеристика элемента, характеризующаяся входным сопротивлением логического элемента. Сопротивление RВХразлично при подаче низкого и высокого уровней сигнала обычно при высоком уровне сигнала RВХ больше.
2. UВЫХ = f(IВЫХ)нагрузочная (выходная) характеристика (рис. 18.5). Её угол наклона определяется выходным сопротивлением ЛЭ.
3. UВЫХ = f(UВХ)переходная характеристика, или амплитудная передаточная характеристика ЛЭ. Амплитудная передаточная характеристика инвертирующего ЛЭ ТТЛ-типа с положительной логикой приведена на рис. 18.6, а, неинвертирующего ЛЭ – на рис. 18.6, б.

 
 
 
 
Рис. 18.5. Нагрузочная характеристика ЛЭ

 

 

 

 

 

Рис. 18.6. Амплитудная передаточная характеристика инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) ПЛЭ ТТЛ-типа с положительной логикой
Логическая «1» соответствует уровням от E1МИН до .
Логический «0» соответствует уровням от  до E0МАКС.
Участок АВ – соответствует зоне отсечки ключа, CD – насыщению, ВС – переходная область (активный режим, ). Чем круче участок ВС, тем выше качество ЛЭ.
Пороговый уровень нуля на входе UП0 характеризует максимально возможный входной сигнал (UВХ>UП0), а пороговый уровень «1» – UП1 характеризует минимальный входной сигнал (UВХ>UП1).
Термин помехоустойчивость используется для обозначения максимального уровня помехи, которая, будучи добавлена к логическому сигналу при самых неблагоприятных условиях, не будет еще приводить к ошибочной работе схемы. Так, например, для элементов ТТЛ помехоустойчивость составляет 0,4 В, так как любой сигнал ниже 0,8 В интерпретируется ими как НИЗКИЙ уровень, а любой сигнал выше +2 В – как ВЫСОКИЙ, в то время как уровни выходных сигналов составляют в самом неблагоприятном случае +0,4 и +2,4 В соответственно. В действительности помехоустойчивость этих схем значительно выше приведенной величины, поскольку типичные значения ВЫСОКОГО и НИЗКОГО напряжений составляют +0,2 и 3,4 В, а входной порог принятия решения равен приблизительно 1,3 В. Однако необходимо помнить, что хорошая схема должна быть рассчитана на самый неблагоприятный случай. Не следует также забывать о том, что различные семейства логических элементов обладают различной помехоустойчивостью. Так, элементы типа КМОП имеют более высокую по сравнению с ТТЛ помехоустойчивость, а быстродействующие элементы ЭСЛ – более низкую.
Помехоустойчивость ЛЭ при передаче «0» на входе ΔUП0 определяется выражением с учётом наихудшего случая: ΔUП0=UП0E0МАКС, где E0МАКС – максимальный уровень «0» элементов данной серии (рис.18.7).

 

Рис. 18.7. Помехоустойчивость ЛЭ
 
Помехоустойчивость ЛЭ при передаче «1» определяется аналогично: ΔUП1 = E1МИНUП1.
Помехоустойчивость ЛЭ определяет максимально возможное значение аддитивной помехи на входе ЛЭ, которое не приводит к переключению элемента в другое состояние (или неопределённое). Помехоустойчивости ΔUП0 и ΔUП1 различны, имеют значения порядка от долей до 1В для ТТЛ ЛЭ.
Повышение запаса помехоустойчивости достигается увеличением  транзисторов. Чем больше значение  транзисторов, тем выше крутизна характеристики. Точки располагаются: D – левее, C – правее, отсюда больший запас помехоустойчивости при передаче «0», и аналогично при передаче «1».
Быстродействие ЛЭ серий ИС ТТЛ в основном определяется инерционными свойствами применяемых биполярных транзисторов и нагрузки. Инерционность, обусловленная параметрами нагрузки, зависит от конкретной схемы и конструктивного выполнения логического устройства. Инерционность, связанная с собственно частотными свойствами ЛЭ, может быть уменьшена изменением схемотехники и режимов работы самого элемента. Основными причинами инерционности транзисторных ключей на биполярных транзисторах являются перезаряд его коллекторной ёмкости и время рассасывания. Эти параметры определяются как технологией изготовления транзисторов, так и режимами их работы в ключевой схеме. В частности, уменьшение длительностей переключения, обусловленных перезарядом коллекторной ёмкости при её неизменном значении, можно добиться уменьшением сопротивления коллекторной нагрузки.
Характеристики и параметры логических элементов зависит от того, какие электронные приборы являются основными в соответствующих интегральных схемах, а также от особенностей схемотехнических решений. Выделяемые классы логических элементов перечислялись ранее.
В таблице 18.1 приведено сравнение элементов различных логик по основным параметрам по возрастающей семибальной шкале (от 7 до 1).
Из всех логических элементов наибольшее быстродействие имеют элементы ЭСЛ, а элементы КМОП имеют наименьшее потребление, причем они же имеют лучшую нагрузочную способность. Для выбора типа микросхемы при построении электронного устройства обычно вначале определяют, какой из перечисленных в таблице параметров имеет наибольшее значение. Затем определяют следующий по значимости параметр и т. д. В зависимости от заданных приоритетов и выбирается тот или иной тип микросхемы.
 
Таблица 18.1
Сравнение элементов различных логик по основным параметрам
Тип     элемен.
Быстро-действие
Рассеиваемая мощность
Разветвление
по выходу
Помехо-устойчивость
ТТЛ
3
4
4
4
ТТЛШ
2
5
4
4
р-МОП
7
2
2
2
n-МОП
5
2
2
3
КМОП
6
1
1
1
ЭСЛ
1
6
3
4
И2Л
4
4
4
 
В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП. В современных устройствах всё чаще используются КМОП-логику.
Приведённая классификация охватывает не только логические элементы, но и другие цифровые устройства. Все они выпускаются в составе серий микросхем. Серия микросхем − это совокупность микросхем, характеризуемых общим технологическими и схемотехническими решениями.