Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 41
Текст из файла (страница 41)
остра//б|е), Схемы этих семейств работают примерно вдвое быстрее, чем схемы семейств НС/НСТ при сохранении совместимости со своими предшественниками. Подобно семействам НС и НСТ, семейства ЧНС и ЧНСТ отличаются одно от другого только допустимыми входными уровнями; выходные характеристики у них совпадают. Так же, как и в семействах НС/НСТ, схемы семейств ЧНС/ЧНСТ имеют сииметричны й выходной каскад (зутте/пс ои/рит с/гнре), то есть втекающий и вытекающий токи у этих схем равны; выход одинаково «мощный» в обоих состояниях.
Другие логические семейства, включая рассматриваемые ниже семейства гСТ и ТТЛ, имеют асииметричный выходной каскад (азутте/пс оигри/ с/г(те)' у ннх втекающий ток при низком уровне на выходе намного больше вытекающего тока при высоком уровне на выходе. 3.8.Семейстаасхем(О)яОП-логики 278 Табл. З.б. Быстродействие и потребляемая мощность )(МОП-схем прн напря- жении питания 5 В Семейство Номер ОбознаИС чение Условия НС НСТ УНС УНСТ Параметр !О 5.2 5.5 20 7.2 8.1 2.5 5.0 5.0 40 40 40 О.о! г5 о.о25 О.огз 0.2 0.2 0.2 15 19 17. 51 34 49 0.38 0.48 0.43 1.28 0,85 1.23 'ОО с,п 9 '138 18 типичнаязадерцка распрзцзранення(нс) 00 1 1т =0 лнрсс 2.5 '!38 а .У, 40 Потребляеммй ток в ремиме покоя (мкд) Потребляемая мошнщпь в )мнима покоя (мат) Уп = Оилнрсс 0.0125 У =О Усе ОД 00 '138 гг 55 Емкость лля расчета потребляемой мощности (пе) ОО С, '138 Динамическая потребляемая мощность (митйнтп) абб 1.3В 00 )эв О.ООВ 0,45 4.3 О.згз !.43 12.5 0.050 0.073 0.39 0.50 3.8 4.8 О.згв О.гвб 1.48 !.05 13.0 8.7 100кГц 0.068 1 игц 0.56 (ОМГц 5.5 100«Гц 0.338 )МГп 1.58 (ОЩГц 14.0 Полная потребляемая мощность (мвт) '!38 !Зв )ЗВ 0,50 038 О 37 3.9 2 б 2.5 38 25 24 655 205 261 29.5 7.56 11.5 259 63 101 Произведение бистрадействия иа мощность (ядц) ! щ) кгц 0.61 5.1 !Омг ! ООкГц 6.08 1МГц 28.4 )ОИГц 251 Т= у= у= у= 7= '00 ')ЗВ ')ЗВ )ЗВ питания равно номинальному значению 5 В, хотя работа возможна (но с другими параметрами) при любом напряжении питания в диапазоне от 2 до 5.5 В (для семейств НС!НСТ до б В).
Более подробно работа этих схем при низком и при смешанном напряжениях питания будет рассмотрена в параграфе 3.13. Коммерческие схемы (серия 74) предназначены для работы в диапазоне тем ператур от 0'С до 70 С, а военные схемы(серия 54) могут работать от-55'С до 125'С. Параметры схем в табл.
3.5 приведены для рабочей температуры 25'С. Полные справочные данные, предоставляемые изготовителем, дают дополнительную информацию о работе схем во всем диапазоне температур. Большинство схем в пределах данного логического семейства имеют одинаковые входные и выходные электрические параметры, отличаясь обычно только потребляемой мощностью и задержкой распространения. В табл.3.5 приведены параметры двухвходовой схемы И-НЕ 74х00 и дешифратора Зх8 74х138 семейств НС, НСТ, ЧНС и ЧНСТ. Логическая схема '00 (вентиль И-НЕ) представляет собой наименьший стандартный логический блок в каждом семействе, а схема '138 является представителем «среднего уровня», содержимое которого эквивалентно примерно 15 вентилям И-НЕ.
(Параметры микросхемы '138 включены с целью сравнения в разделе 3.8.4 со свойствами самого быстрого семейства Г СТ; микросхема '00 в семействе ЕСТ отсутствует.) 172 Глава 3. цифровыесхемы "Ч" И "А" — ПОЧТИ ОДНО И ТО ЖЕ Схемы логических семейств ЧНС и УНСТ выпускаются несколькими производителями, в том числе фирмами Мо1ого!а, Га!гсЫ10 и Тозй!Ьа. Совместимые с ними семейства с похожими, но не точно такими же параметрами выпускаются фирмами Техаз 1пзпптепгз и РЫ1!Рз; эти семейства называются АНС и АНСЗ; где "А" означает «улучшенный» ("Апталсес"). Первая строка в табл.
3.5 характеризует задержку распространения. Как было сказано в разделе 3.6.2, для определения задержки можно воспользоваться двумя величинами: г н и г „; число, привеленное в таблице, представляет собой худшее из этих двух значений. Забегая вперед и обращаясь к табл. 3.11, можно видеть, что быстродействие схем семейств НС и НСТ примерно такое же, как у ТТЛ-схем Ю, а схемы семейств ЧНС и УНСТ по быстродействию близки к ТТЛ-схемам А1 Б.
Задержка распространения у схемы '138 несколько больше, чем у схемы '00, так как внутри схемы '138 сигналы должны проходить сквозь три или четыре слоя вентилей. Из второй и третьей строк таблицы видно, что рассеиваемая мощность в режиме покоя у этих КМОП-схем практически равна нулю, во всяком случае заметно меньше милли ватта (мВт), когда на входах действуют сигналы, соответствующие уровням КМОП-схем: 0 В лля низкого уровня и 1' для высокого уровня. (Обратите внимание, что а таблице значения рассеиваемой мощности в режиме покоя даны для одного вентиля схемы '00, в то время как в случае схемы ' 138 они относятся ко всей микросхеме средней степени интеграции.) В разделе 3.6.3 было показано, что динамическая мощность, рассеиваемая КМОП-вентилем, зависит от перепада выходного напряжения (обычно равного ), частоты переключения (1) и емкости, которая заряжается и разряжается при переключении: Рп =(Сь+Сгп).1'пп ' г Здесь Срп — емкость вентиля, которой определяется рассеиваемая мощность, а С, — емкость нагрузки, подключенной к выходу КМОП-схемы в рассматриваемом случае.
В таблице приведены значения емкости С и соответствующей ей динамической рассеиваемой мощности в милливатгах на мегагерц при условии, что С, = О. Полная рассеиваемая мощность для разных частот определяется как сумма рассеиваемой динамической мощности на данной частоте и рассеиваемой мощности в режиме покоя. 3.8. Сеиейства схем КМОП-логики 173 ПОЛЕЗНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ На входы схем семейств НСТ и УНСТ можно подавать также сигналы от ТТЛ- схем с нижней границей высокого уровня на выходе 2.4 В. Как было показано в разделе 3 5.3, по выходной цепи КМОП-схемы может протекать до пол интел ьный ток от источника питания, если уровень сигнала на каком либо входе нендеален.
В случае НСТ- или 1(НСТ-инвертора с входным высоким уровнем равным 2.4 В, нижний выходной транзистор с и-каналом полностью «открыт». Но н верхний транзистор с р-каналом также частично «открыт». Это приводит к тому, что в режиме покоя протекает дополнительный ток, обозначаемый в справочных данных как г3Т или Тсср, который при неидеальном уровне входного сигнала у НСТ- и Ъ'НСТ-схем может достигать 2 — 3 МА, Табл. 3.6.
Входные параметры КМОП-схем при напряжении питания (г' от4 5 В до 5.5 В Семейство Параметр Обозна- Условие чеиие НС НСТ УНС УНСТ УИ ж днгвса Ы Н Н 11 10 !О !О !О Вводной ток утечки (иид) Максимальная вяолньясммкть(пФ1 !!Фая 1.35 0.8 1.35 0.8 3.85 2.0 3,85 2.0 Напраженис ниякого УРовнЯ на вкоде (Вг (ггс НапРЯжение высокого УРовна на вкодс (В! (г(Н ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ Существуют как практические, так и геополитические причины сокращения потребляемой мощности в цифровых системах.
Более низкий расход энергии означает уменьшение стоимости источников питания и систем охлаждения. Кроме того, повышение надежности цифровой системы за счет работы при более низкой температуре больше, чем при использовании какой-либо другой стратегии повышения надежности. Следующий параметр, указанный в таблице, называется прову««дениев быспгродейсглвия»а мощность (урезе(-рогу«т ртог1исг); он представляет собой произведение задержки распространения и потребляемой мощности типичного вентиля; единицей измерения является пикоджоуль (пДж). Вспомним из физики, что джоуль является единицей измерения энергии, поэтому произведение величины, имеющей размерность времени, на мощность отражает своего рода эффективностйи оно показывает, сколько энергии затрачивается логическим вентилем на переключение.
В наше время очевидно, что чем меньше потребляется энергии, тем лучше. 174 Глава 3. Цифровью схемы максимальный входной ток при любом значении входного напряжения; этот параметр говорит о том, что втекающнй или вытекающий входной ток КМОП-схемы не превышает 1 мкА, каким бы ни было напряжение на входе; другими словами, входы КМОП-схем не создают почти никакой нагрузки по постоянному току для схем, к выхолам которых они подключены.
максимальная входная емкость; этим параметром можно в ос пол ьзоваться, чтобы оценить нагрузку по переменному току для выхода, к которому подкпочен данный вход наряду с другими входами; кроме того, бол ьшинство производителей в качестве типичного указывает меньшее значение входной емкости — около 5 пф, и это является хорошей оценкой нагрузки по переменному току, разве что вам не повезет. максимальное входное напряжение, которое гарантированно распознается как низкий уровень; заметьте, что значения 1;„для семейств НС)"))НС отличаются от значений этого параметра для семейств НСТ! УНСТ; обратите внимание также, что у КМОП-схем, не предназначенных для совместного использования с ТТЛ-схемами, это напряжение равно 1.35 В, что составляет 30% от минимального значения напряжения питания, в то время как у схем, совместимых со схемами ТТЛ- семейств, оно равняется 0.8 В. минимальное напряжение, которое гарантированно распознается на входе как высокий уровень; у КМОП-схем, не предназначенных для совместного использования с ТТЛ-схемами, это напряжение равно 3.85 В, что составляет 70% от максимального напряжения питания, в то время как у схем, совместимых со схемами ТТЛ-семейств, оно равняется 2.0 В.
(В отличие от уровней КМОП-схем, входные уровни ТТЛ-схем ие расположены симметрично по отношению к земле и к шине питания.) С йули ах Табл.3.7. Выходныепараметры КМОП-схем при напряжении питания (т' от 4 5 В до 5. 5 В Семейство Параметр Обозна- чение Условие НС НСГ ВНС (УНСГ О ос \) 05 80 80 оо оо 40 40 (оч..с (чни т Выходной ток прн низком уровне (м А) КМОП-вм руана утл «струек» О( О) О ад О 44 О) О( оч) озт 1:К )оы с к (о| Выходное напряжение при низком уровне(В) )оы с усы т 005 -ООч -80 -80 -оог -оог -ЧО -ЧО Выходной ток при высоком уровне )он сс (мА) КМОП автогене ттл рт )! ~) а)1он *кс) (1,) к)(сн т) 44 44 З8О З8О 44 44 584 584 Кои ~вс уон, а Выкоднсе напряжение при высокомуровне(В) В табл. 3.6 приведены входные параметры типичных КМОП-схем каждого семейства. В отношении некоторых параметров предпопа(ается, что нж)ряжение питание, номинально равное 5 В, может изменяться в пределах Н 0 еже; то есть значение р „.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
