Справочное пособие - микросхемы и их применение (1086445), страница 21
Текст из файла (страница 21)
4.1. Временные диаграммы напряжений на входе и выходе логической микросхемыДля многих типов микросхем характерно заметное увеличение потребляемой мощности с ростом частотыпереключения, что связано с увеличением потреблениямощности в процессе переключения по сравнению со статическим режимом. Учитывая это, следует прирасчетах реального энергопотребления цифрового устройства ориентироваться на мощность, потребляемуюмикросхемами в режиме переключения с заданной частотой, т. е. на мощность, потребляемую в динамическомрежиме.Динамические параметры характеризуют свойства микросхемы в режиме переключения.
В основном этовременные 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.
Нарис. 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 полусуммазадержек 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, наличияили 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 значенияпараметров логических элементов, в том числе и среднего времени задержки, которые соответствуют наихудшим условиям их работы.Рис. 4.2. Характеристика динамической помехоустойчивости логической микросхемыПри использовании в расчетах справочных данных необходимо обращать внимание на то, для какихусловий приведены эти данные и при необходимости перерассчитывать параметры с учетом реальных условийработы микросхем.Например, расчеты, уточняющие среднее время задержки, можно производить с помощью коэффициентов,отражающих влияние на значение среднего времени задержки тем пературы «9 и емкости нагрузки Кс:При этом предполагается линейная зависимость среднего време-ни задержки от указанных факторов.К числу динамических параметров следует отнести также динамическую помехоустойчивость,характеризующую способность микросхемы противостоять воздействию импульсной помехи, длительностькоторой соизмерима со средним временем задержки передачи сигнала через микросхему.Количественно динамическая помехоустойчивость определяется амплитудой и длительностью импульсапомехи, но чаще с помощью характеристики (рис.
4.2), отражающей зависимость допустимой амплитудыимпульса помехи от длительности этого импульса. Из рисунка видно, что по мере увеличения длительностиимпульса помехи допустимая амплитуда помехи снижается до уровня максимально-допустимого напряжениястатической помехи.Заметим, что указанные параметры широко используют для характеристики как микросхемы в целом, так иотдельных ее элементов: логических элементов, триггеров и др.Эксплуатационные параметры характеризуют работоспособность интегральных микросхем в условияхвоздействия окружающей среды. К ним относятся: диапазон рабочих температур, допустимые механическиенагрузки (вибрации, удары, линейные ускорения), границы допустимого изменения атмосферного давления,наибольшая влажность и некоторые другие.4.2. ЛОГИЧЕСКИЕ МИКРОСХЕМЫЛогические микросхемы выполняют операции конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ), инверсии (НЕ), болеесложные логические операции: И — НЕ, ИЛИ — НЕ4 И т-ИДИ — НЕ и др.
Логическая микросхема какфункциональный узел может состоять из нескольких логических элементов, каждый из которых выполняетодну-две или более из перечисленных логических операций и является функционально автономным, т. е. можетиспользоваться независимо от других логических элементов микросхемы.
Конструктивно логические элементыобъединены единой подложкой и корпусом и, как правило, имеют общие выводы для подключения источникапитания.Таблица 4.2Логическая ОбозначениеоперациялогическогоэлементаИИЛИНЕТаблицаистинностиX1Х2Y101011001000X1Х2Y10101100X1110Y1001Логическая Обозначениеоперация логическогоэлементаИ — НЕИЛИ — HLИ-ИЛИ-НЕiТаблицаистинностиX1Х2Y101011000111X1Х2Y11011000X1X2 Х3Х4101011000001Y0001В 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 комбинациисигналов на входе. В табл.
4.2 приведены логические элементы с двумя входами. Число входов может быть ибольшим. При создании какого-либо устройства могут понадобиться логические элементы с разным числомвходов. 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, напримеркорпус К201.14 — 1 имеет 14 выводов, то и логических элементов, размещаемых в таком корпусе, будет темменьше, чем больше входов у каждого из них.
Например, серия К155, некоторая часть микросхем которойвыпускается в указанном выше корпусе, включает следующий ряд логических микросхем: К155ЛА1 — двачетырехвхо-довых, К155ЛА2 — один восьмивходовый, К155ЛАЗ — четыре двух-входовых, К.155ЛА4 — тритрехвходовых логических элемента.Рис. 4.3. Базовый элемент РТЛРазработка каждой серии цифровых микросхем начинается с базового логического элемента. Так называютэлемент, который лежит в основе всех микросхем серии: и логических, и триггеров, и счетчиков и т.
д. Какправило, базовые логические элементы выполняют операции И — НЕ либо ИЛИ — НЕ. Принцип лострэгния,способ управления его работой,выполняемая им логическая операция, напряжение питания и другие параметрыбазового элемента являются определяющими для всех микросхем серии.По принципу построения базо-вых логических элементов цифровыемикросхемы подразделяют на следующие типы: резистивно-транзи-сторной логики (РТЛ); диоднотранзисторной логики (ДТЛ)- транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и транзисторно-транзисторной логикис диодами Шотки (ТТЛШ); транзисторной логики с эмит-терными связями (ЭСЛ); транзисторной логики снепосредственными связями (НСТЛ).Разнообразие типов базовых элементов объясняется тем чтс каждый из них имеет свои достоинства и своюобласть применения Некоторые из перечисленных типов элементов: РТЛ ДТЛ ЭСЛ перешли в цифровуюмикроэлектронику, сохранившись практичее-кг в том же виде, какими они были в цифровых устройствах на навесных компонентах.
Элементы ТТЛ, НСТЛ на МДП-транзисторал появились сразу в микроэлектронномисполнении. В настоящее время наблюдается интенсивное развитие серий микросхем построенных напринципах ТТЛ, НСТЛ, ЭСЛ и вытеснение ими микросхем РТЛ и ДТЛ. Однако пока мы имеем широкуюноменклатуру вы пускаемых микросхем всех типов, что и принято во внимание пои изложении материала.
FБазовый 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 1хотя бы на одном входе приводит к открыванию соответствующего транзистора и обеспечению состояния 0 навыходе элемента.К выходу логического элемента можно подключить несколько входов таких же элементов. Длявыравнивания входных токов элементов-нагрузок в базовые цепи транзисторов включены резисторыБазовые 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 необходимысигналы 1 на всех входах.Рис. 4.4. Базовые элементы ДТЛ:а — со смещающими диодами; б — с дополнительным транзисторомЧисло 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 срезистором Ri служат для выполнения логической операции И и выходной инвертор. Два диода До в цепи базытранзистора, 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 соответствующийдиод открыт и ток от источника Е1 через резистор R1 и открытый диод Д{ поступает в выходную цепьпредыдущего элемента. При этом транзистор оказывается закрытым, и на выходе элемента напряжение имеетвысокий уровень, т. е. уровень 1.Если на все входы поданы сигналы с уровнем 1, входные диоды закрыты, и ток от источника EI поступает вбазу транзистора. Он открывается и входит в режим насыщения, при этом выходное напряжение уменьшаетсядо уровня 0.Выключается транзистор обратным током базы, протекающим через диоды До, представляющие некотороевремя малое сопротивление обратному току, диод Д1 и выход открытого транзистора предыдущего элемента.Время восстановления диодов Д0 должно быть больше времени рассасывания накопленного в транзисторе Тзаряда: в противном случае диоды Д0 закроются, и процесс выключения транзистора существенно замедлится.В варианте ДТЛ элемента, показанном на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
