рабочие свойства логических элементов определяет параметр

Логические элементы: классификация, основные параметры, схемы

Что такое логический элемент?

Логический элемент (логический вентиль) — это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 3.23 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов.

Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.

Рассмотрим наиболее широко используемую исторически сложившуюся классификацию. Она построена и с учетом того, какие электронные приборы являются основными в соответствующих интегральных схемах, и с учетом особенностей использованных схемотехнических решений.

Классы логических элементов

Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):

В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Устарела и практически не используется РТЛ. Для разрабатываемых в настоящее время устройств можно рекомендовать использовать КМОП-логику, а также логику на основе GaAs.

Приведенная классификация охватывает не только собственно логические элементы, но и другие цифровые устройства, в том числе микропроцессорные. Однако здесь следует учитывать, что при производстве сложных цифровых устройств некоторые логики не использовались и не используются.

Промышленные серии логики

Каждая серия микросхем, несмотря на то, что она обычно содержит самые разнообразные цифровые устройства, характеризуется некоторым набором параметров, дающих достаточно подробное представление об этой серии. При определении этих параметров ориентируются именно на логические элементы — простейшие устройства серии микросхем. В соответствии с этим говорят о параметрах не серии микросхем, а о параметрах логических элементов данной серии.

Параметры логических элементов

Быстродействие характеризуют временем задержки распространения сигнала t_зр и максимальной рабочей частотой F_мaкс. Обратимся к идеализированным временным диаграммам, соответствующим элементу НЕ (инвертору) (рис. 3.24).

Источник

Основные характеристики и параметры логических элементов

Основные характеристики и параметры логических элементов

Основные характеристики логических элементов

Амплитудная передаточная характеристика UВЫХ = f(UBX) определяет формирующие свойства ЛЭ, его помехоустойчивость, амплитуду и уровни стандартного сигнала. Вид характеристики зависит от типа логического элемента (ЭСЛ, ТТЛ) и может изменяться в определенных пределах в зависимости от разброса параметров схем, изменений напряжения питания, на­грузки, температуры окружающей среды.

Рассмотрим типовую амплитудную передаточную характеристику (АПХ) инвертирующего ЛЭ (рис. 2.1). В статическом состоянии выходной сигнал ЛЭ может находиться либо на верхнем (UB), либо на нижнем (UH) уровне напряжения.

Асимптотический верхний (т. В) и асимптотический нижний (т. А) уровни логических сигналов находятся как точки пересечения АПХ (кривая 1) с ее зеркальным отображением (кривая 2) относительно прямой единичного усиления UВЫХ = UВХ. Разность является логическим перепадом UЛ выходных уровней ЛЭ. На практике из-за влияния помех и разбросов амплитудных передаточных характеристик для каждого типа ЛЭ устанавливается минимальный логический перепад: , где — соответственно верхний и нижний уровни выходного порогового напряжения. Выходные пороговые напряжения находят с помощью пороговых точек b и а на характеристике, в которых дифференциальный коэффициент усиления по напряжению KU=-1.

Зоны статической помехоустойчивости ЛЭ по нижнему ()’ и верхнему ()’ уровням напряжения в комбинационных логических цепях определяются выражениями:

где ()’, ()’ характеризуют максимально допустимые уровни статической помехи на входе ЛЭ в комбинационных логических цепях; — выходное пороговое напряжение нижнего уровня; — выходное пороговое напряжение верхнего уровня. Однако из-за наличия схем с положительной обратной связью в технической документации на все ИС зоны статической помехоустойчивости по входу ограничиваются входными пороговыми напряжениями: — по нижнему уровню и — по верхнему. Эти пороговые напряжения называются соответственно пороговым напряжением зоны переключения (порог зоны переключения) нижнего уровня и пороговым напряжением зоны переключения верхнего уровня. В зоне переключения, заключенной между пороговыми напряжениями, работа ЛЭ в статическом режиме запрещается.

Рис. 2.1. Амплитудная передаточная характеристика

Рис. 2.2. Разброс амплитудных передаточных характеристик

Таким образом, статическая помехоус­тойчивость ЛЭ по нижнему уровню входного сигнала определяется выражением а по верхнему уровню входного сигнала — выражением .

Максимальная помехоустойчивость ЛЭ по нижнему и верхнему уровням достигается при идеальной амплитудной передаточной характеристике, для которой .

Реализация характеристик, близких к идеальным, связана с известными трудностями вследствие технологического разброса параметров микросхем при изготовлении, изменения пороговых напряжений в зависимости от изменения напряжения питания и температуры окружающей среды в процессе эксплуатации. Поэтому реально зоны статической помехоустойчивости для каждого типа ЛЭ устанавливают на основании статистического анализа амплитудных передаточных характеристик. На рис. 2.2 заштрихованная область соответствует возможным разбросам амплитудных передаточных характеристик ЛЭ одного типа.

При сопоставлении амплитудных пере­даточных характеристик ЛЭ разных типов часто используют не абсолютные значения статической помехоустойчивости, а их от­ношение к минимальному логическому перепаду:

Чем ближе амплитудная передаточная характеристика к идеальной, тем ближе значения этих коэффициентов к 0,5.

Входная характеристика IВХ = f (UBX)— зависимость входного тока ЛЭ от входного напряжения определяет нагрузочную способность ЛЭ и режим работы линий связи. На рис. 2.3, 2.4 приведены типовые входные характеристики логических элементов ИС ЭСЛ и ТТЛ. На входной характеристике ЛЭ ЭСЛ можно выделить следующие зоны, соответствующие возможным режимам работы входной цепи ЛЭ: I, V — зоны, определяющие рабочие режимы ЛЭ, т. е. входные токи при входных напряжениях низкого и высокого уровней, при. которых входные цепи имеют большое входное сопротивление (точки А и В соответствуют нижнему и верхнему уровням напряжений ЛЭ серии К500); II и IV — зоны статической помехоустойчивости; III —зона переключения ЛЭ (опорное напряжение UОП, определяемое как среднее напряжение между высоким и низким уровнями, для ЛЭ ЭСЛ серии К500 составляет примерно — 1.3 В; зона ограничивается пороговыми напряжениями и ); VI — зона нерабочих режимов (UВХ НАС — напряжение насыщения входного транзистора — при увеличении входного напряжения входной ток резко увеличивается).

Рис. 2.3. Типовая входная характеристика ЛЭ ЭСЛ

На входной характеристике ЛЭ ТТЛ (см. рис. 2.4) можно выделить следующие зоны: I, IX — зоны недопустимых входных напряжений; II. VIII— зоны предельно допустимых входных напряжений, оговоренных в технических условиях; III, VII — зоны, определяющие рабочий режим ЛЭ; наиболее характерный режим при напряжении низкого уровня («0») — точка А, при напряжении верхнего уровня — точка В; IV, VI — зоны допустимых статических помех; V — зона переключения.

Выходная характеристика UВЫХ = f (IВЫХ) — зависимость выходного напряжения ЛЭ от выходного тока нагрузки. Эта характеристика в совокупности с входной позволяет определить нагрузочную способность ЛЭ, режим его работы и способ согласования переходных процессов в линиях связи.

Так как в каждом из двух состояний ЛЭ в активном режиме находятся различные компоненты схемы, то различают выходные характеристики по нижнему и по верхнему уровням выходного напряжения. Точка В на графике выходной характеристики ИС ЭСЛ (рис. 2.5) расположена в рабочей зоне верхнего логического уровня, точка А — в зоне нижнего уровня. Для определения рабочих точек А и В на выходную характеристику накладывают нагрузочные характеристики (RH). Рабочие зоны выходных характеристик по верхнему и по нижнему уровням напряжения ЛЭ ТТЛ (рис. 2.6), как и ЛЭ ЭСЛ, ограничены выходными пороговыми напряжениями и допустимыми уровнями напряжений. Статическому состоянию выходного верхнего уровня при малой нагрузке соответствует точка В. Точка А, находящаяся на пересечении выходной характеристики нижнего уровня управляющего ЛЭ с входной характеристикой управляемого ЛЭ, определяет статическое состояние нижнего уровня.

Входные и выходные характеристики ЛЭ ТТЛ могут использоваться для оцен­ки уровня помех, возникающих в линиях связи при переключении ЛЭ. В частности, для оценки отражений в длинных линиях связи используют также нагрузочную ха­рактеристику линии связи.

Рис. 2.4. Типовая входная характеристика ЛЭ ТТЛ

Рис. 2.5. Типовая выходная характеристика ЛЭ ЭСЛ

Рис. 2.6. Типовая выходная характеристи­ка ЛЭ ТТЛ

Характеристика импульсной (динамической) помехоустойчивости UПОМ = f (tПОМ) — зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности — необходима для оценки допустимого уровня импульсных помех малой длительности.

Эта характеристика зависит от амплитуды, длительности, формы сигнала помехи и скорости переключения ЛЭ. Обычно импульсная помехоустойчивость выше статической. Отсутствие в настоящее время достаточно надежных критериев ее оценки при массовом производстве микросхем со значительными технологическими разбро­сами импульсных параметров и их зависи­мостью от условий работы не позволяет приводить в технических условиях на ИС допустимую импульсную помехоустойчи­вость. Наиболее широкое распростране­ние получил метод ее оценки с помощью характеристики, приведенной на рис. 2.7. Зависимость UПОМ ИМП = f (tПОМ ИМП) раз­деляет области допустимых (I) и недопус­тимых (II) импульсных помех. При боль­ших длительностях импульсов помехи tПОМ ИМП > t2 динамическая помехоустой­чивость приближается к статической. При очень малых длительностях помехи (tПОМ ИМП

Источник

Курсовая работа: Основные характеристики и параметры логических элементов

Основные характеристики логических элементов

Амплитудная передаточная характеристика U_ВЫХ = f(U_BX ) определяет формирующие свойства ЛЭ, его помехоустойчивость, амплитуду и уровни стандартного сигнала. Вид характеристики зависит от типа логического элемента (ЭСЛ, ТТЛ) и может изменяться в определенных пределах в зависимости от разброса параметров схем, изменений напряжения питания, на­грузки, температуры окружающей среды.

Рассмотрим типовую амплитудную передаточную характеристику (АПХ) инвертирующего ЛЭ (рис. 2.1). В статическом состоянии выходной сигнал ЛЭ может находиться либо на верхнем (U B ), либо на нижнем (U H ) уровне напряжения.

Зоны статической помехоустойчивости ЛЭ по нижнему ()’ и верхнему ()’ уровням напряжения в комбинационных логических цепях определяются выражениями:

где ()’, ()’ характеризуют максимально допустимые уровни статической помехи на входе ЛЭ в комбинационных логических цепях; — выходное пороговое напряжение нижнего уровня; — выходное пороговое напряжение верхнего уровня. Однако из-за наличия схем с положительной обратной связью в технической документации на все ИС зоны статической помехоустойчивости по входу ограничиваются входными пороговыми напряжениями: — по нижнему уровню и — по верхнему. Эти пороговые напряжения называются соответственно пороговым напряжением зоны переключения (порог зоны переключения) нижнего уровня и пороговым напряжением зоны переключения верхнего уровня. В зоне переключения, заключенной между пороговыми напряжениями, работа ЛЭ в статическом режиме запрещается.

Рис. 2.1. Амплитудная передаточная характеристика

Рис. 2.2. Разброс амплитудных передаточных характеристик

Таким образом, статическая помехоус­тойчивость ЛЭ по нижнему уровню входного сигнала определяется выражением а по верхнему уровню входного сигнала — выражением .

Максимальная помехоустойчивость ЛЭ по нижнему и верхнему уровням достигается при идеальной амплитудной передаточной характеристике, для которой .

Реализация характеристик, близких к идеальным, связана с известными трудностями вследствие технологического разброса параметров микросхем при изготовлении, изменения пороговых напряжений в зависимости от изменения напряжения питания и температуры окружающей среды в процессе эксплуатации. Поэтому реально зоны статической помехоустойчивости для каждого типа ЛЭ устанавливают на основании статистического анализа амплитудных передаточных характеристик. На рис. 2.2 заштрихованная область соответствует возможным разбросам амплитудных передаточных характеристик ЛЭ одного типа.

При сопоставлении амплитудных пере­даточных характеристик ЛЭ разных типов часто используют не абсолютные значения статической помехоустойчивости, а их от­ношение к минимальному логическому перепаду:

Чем ближе амплитудная передаточная характеристика к идеальной, тем ближе значения этих коэффициентов к 0,5.

Рис. 2.3. Типовая входная характеристика ЛЭ ЭСЛ

На входной характеристике ЛЭ ТТЛ (см. рис. 2.4) можно выделить следующие зоны: I, IX — зоны недопустимых входных напряжений; II.VIII— зоны предельно допустимых входных напряжений, оговоренных в технических условиях; III, VII — зоны, определяющие рабочий режим ЛЭ; наиболее характерный режим при напряжении низкого уровня («0») — точка А, при напряжении верхнего уровня — точка В; IV, VI — зоны допустимых статических помех; V — зона переключения.

Выходная характеристика U _ВЫХ = f ( I _ВЫХ ) — зависимость выходного напряжения ЛЭ от выходного тока нагрузки. Эта характеристика в совокупности с входной позволяет определить нагрузочную способность ЛЭ, режим его работы и способ согласования переходных процессов в линиях связи.

Так как в каждом из двух состояний ЛЭ в активном режиме находятся различные компоненты схемы, то различают выходные характеристики по нижнему и по верхнему уровням выходного напряжения. Точка В на графике выходной характеристики ИС ЭСЛ (рис. 2.5) расположена в рабочей зоне верхнего логического уровня, точка А — в зоне нижнего уровня. Для определения рабочих точек А и В на выходную характеристику накладывают нагрузочные характеристики (R_H ). Рабочие зоны выходных характеристик по верхнему и по нижнему уровням напряжения ЛЭ ТТЛ (рис. 2.6), как и ЛЭ ЭСЛ, ограничены выходными пороговыми напряжениями и допустимыми уровнями напряжений. Статическому состоянию выходного верхнего уровня при малой нагрузке соответствует точка В. Точка А, находящаяся на пересечении выходной характеристики нижнего уровня управляющего ЛЭ с входной характеристикой управляемого ЛЭ, определяет статическое состояние нижнего уровня.

Входные и выходные характеристики ЛЭ ТТЛ могут использоваться для оцен­ки уровня помех, возникающих в линиях связи при переключении ЛЭ. В частности, для оценки отражений в длинных линиях связи используют также нагрузочную ха­рактеристику линии связи.

Рис. 2.4. Типовая входная характеристика ЛЭ ТТЛ

Рис. 2.5. Типовая выходная характеристика ЛЭ ЭСЛ

Рис. 2.6. Типовая выходная характеристи­ка ЛЭ ТТЛ

Характеристика импульсной (динамической) помехоустойчивости U _ПОМ = f ( t _ПОМ ) — зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности — необходима для оценки допустимого уровня импульсных помех малой длительности.

Эта характеристика зависит от амплитуды, длительности, формы сигнала помехи и скорости переключения ЛЭ. Обычно импульсная помехоустойчивость выше статической. Отсутствие в настоящее время достаточно надежных критериев ее оценки при массовом производстве микросхем со значительными технологическими разбро­сами импульсных параметров и их зависи­мостью от условий работы не позволяет приводить в технических условиях на ИС допустимую импульсную помехоустойчи­вость. Наиболее широкое распростране­ние получил метод ее оценки с помощью характеристики, приведенной на рис. 2.7. Зависимость U _{ПОМ ИМП} = f ( t _{ПОМ ИМП} ) раз­деляет области допустимых (I) и недопус­тимых (II) импульсных помех. При боль­ших длительностях импульсов помехи t _{ПОМ ИМП} > t ₂ динамическая помехоустой­чивость приближается к статической. При очень малых длительностях помехи (t _{ПОМ ИМП} 2

Условные обозначения серий цифровых микросхем

По конструктивно-технологическому исполнению все цифровые ИС делятся на группы. По характеру выполняемых функций в аппаратуре ИС 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 ИС на подгруппы и виды по функциональному назначению приведено в табл. 2.2.

(в том числе расширители разрядности данных)

Продолжение табл. 2.2

По принятой системе ГОСТ 17021—75 обозначение ИС должно состоять из четырех элементов. Первый — цифра (1, 5, 7), обозначающая конструктивно-технологическое исполнение ИС; второй — цифры, обозначающие порядковый номер серии микросхемы от 000 до 999 либо от 00 до 99. Первые два элемента определяют номер серии ИС. Третий элемент — две буквы, соответствующие подгруппе и виду по функциональному назначению, четвертый — порядковый номер ИС по функциональному признаку в данной серии. Буквы К, KM, KP перед условным обозначением микросхем характеризуют условия их приемки на заводе-изготовителе и особенности конструктивного исполнения. Иногда в конце условного обозначения добавляется буква, определяющая технологический разброс электрических параметров данного типономинала.

Например, запись КР1533ЛАЗ обозна­чает, что имеем микросхему широкого применения (К), в пластмассовом корпу­се (Р), полупроводниковую (1), серии 533, выполняющую функцию логического эле­мента И—НЕ, порядковый номер в под­группе — 3.

В табл. 2.3 приведены условные обо­значения и основные параметры серий би­полярных цифровых ИС и БИС, рассмат­риваемых в данном справочнике.

Источник