Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Большинство параметров имеет четкое официальное определение, что обеспечивает однозначность измерительных методик и возможность сравнения 10.6. Параметры логяческяд эдемэятоэ 437 разных типов ИЛЭ. Полная номенклатура параметров слишком велика. Для первого знакомства рассмотрим ограниченное число параметров — тех, которые наиболее существенны для сравнительных оценок. Средняя статическая потребляемая мощность. Она определяется следующим образом: о «тат ср,'2(ряот + Ряот)з (10. 17) где Рд„и Є— мощности, потребляемые ИЛЭ соответственно э в состоянии логического нуля и логической единицы.
Определение средней мощности исходит из того, что в сложной многоэлементной аппаратуре в среднем половина ИЛЭ находится в состоянии «1»„а половина — в состоянии «О». Среднее время задержки распространения сигнала. Определение этого параметра следующее: ьо эл гзд рср= Уи(2»д р + гзд р)з (10. 18) где с,д р и г,д р — времена задержки между фронтами выходного ьо ол и входного импульсов при включении (когда У,,,меняется от (то до аз~) и при выключении (когда (г',„д меняется от (т'~ до сто). Времена задержки измеряются либо на уровне 0,5 от полной амплитуды импульса„либо на уровне порога чувствительности.
Поскольку переходный процесс зависит от характера нагрузки, время задержки оценивают при определенных условиях на выходе, считая что данный ИЛЭ нагружен входной цепью такого же ИЛЭ. Средняя работа переключения (А, ). Этот параметр — комбинированный: он представляет собой произведение средней мощности, потребляемой ИЛЭ во время переключения, на среднюю продолжительность одного переключения, т.е. одновременно характеризует и экономичность ИЛЭ, и его быстродействие, В настоящее время именно по этому параметру производят первоочередное сравнение разных типов ИЛЭ и особенно оценку перспективности новых типов.
Средняя динамическая потребляемая мощность (Р,р) равна произведению средней работы переключения на частоту переключений. Средняя продолжительность переключения, как правило, пропорциональна емкости нагрузки С„, а средняя мощность — квадрату на- Глава 10. Интегральные схемы пряження питания Е. Тогда для средней работы переключения можно записать: А,р-ЕСю (10.19а) Учитывая, что емкость в первую очередь пропорциональна площадн транзнстора, н считая для наглядности конфигурацию транзистора квадратной, перепишем (10.19а) в виде А,р - Е а „ (10.19б) где а — линейные размеры транзистора. Из выражений (10,19) видно, что работа переключения характеризует физико-технологический и схемотехнический уровень интегральных схем, так как площадь прибора и рабочее напряжение в конечном итоге зависят от типа прибора, его структуры, разрешающей способности фотолитографии и других аналогичных факторов.
При заданном физико-технологическом и схемотехническом уровне, считая заданной величину А,, можно осуществить различные варианты ИЛЭ, но они будут характеризоваться либо относительно высоким быстродействием при низкой экономичности, либо, наоборот, высокой экономичностью при относительно низком быстродействии. Такая обратная зависимость хорошо известна из практики разработки интегральных схем и прослеживается в табл.
10.1. Таблица 10.1. Основные параметры интегральных логических элементов 10.6. Параметры логических элементов 439 Кардинальный прогресс в физике, технологии и схемотехнике ИС должен сопровождаться уменьшением работьг переключения. Этот тезис хорошо подтверждается и опытом повышения плотности компоновки элементов (что привело к снижению работы переключения с 50 — 100 до 0,1 — 2 пДж), и разработкой БиКМОП-логики (табл. 10.1), и исследованиями в области принципиально новых электронных приборов, отличных от транзисторов. Например, использование так называемого эффекта Джозефсона позволяет в принципе довести работу переключения до 10 е пДж и менее. Статическая помехоустойчивость. Этот параметр У„, представляет собой максимально допустимое напряжение статической помехи, при которой еще не происходит изменения выходных уровней ИЛЭ.
Под статической помехой понимают паразитные напряжения и токи, длительность которых значительно больше времени переключения ИЛЭ из одного устойчивого состояния в другое. Механизм действия таких помех и способ их аналитической оценки были рассмотрены в разделе 8.7. Иногда помехоустойчивость оценивают по отношению к логическому перепаду в виде параметра Кп ст ~п ст((7л (10.20) который называют коэффициентом помехоустойчивости. Коэффициент объединения по входу К,с — число логических входов ИЛЭ. Увеличение коэффициента Х, (например, количества транзисторов в РТЛ или количества змиттеров в ТТЛ) ограничено не только конструктивно-технологическими факторами, но и взаимодействием между входами, а также увеличением времени задержки (поскольку каждый логический вход привносит дополнительную емкость).
Коэффициент разветвления по выходу К „— допустимое число нагрузок, подключаемых к выходу данного ИЛЭ. Под каждой нагрузкой понимается вход такого же ИЛЭ. Увеличение коэффициента К ограничено рабочим током ИЛЭ, разбросом параметров, а также увеличением суммарной выходной емкости и связанного с нею времени задержки. При необходимости увеличить коэффициенты К, и К „, к ИЛЭ (соответственно на входах или выходе) подключают специальные буферные каскады, которые называют расширителями по входу и по выходу.
Глава 10. Ивтаграаавыа схемы Типичные параметры основных современных ИЛЭ приведены в табл. 10.1. Эти данные иллюстрируют те особенности отдельных типов ИЛЭ, которые отмечались выше в соответствующих разделах. Наиболее быстродействующими являются сейчас схемы МЕП, ЭСЛ и ТТЛ с барьерами Шоттки (ТТЛШ), наиболее экономичными — схемы ДМОП, а особенно КМОП и БиКМОП. 10.7.
Интегральные триггеры В разделе 8.8 было показано, что основу триггеров составляют ключи, охваченные положительной обратной связью. Из рис. 8.28, а видно, что К8-триггер состоит из двух пар транзисторов. Один из транзисторов в паре — управляющий, а другой входит в петлю обратной связи. Теперь, когда мы знакомы с логическими элементами, легко заметить, что каждая пара в КВ-триггере представляет собой двухвходовую схему ИЛИ вЂ” НЕ типа РТЛ. Вывод, который мы только что сделали, носит общий характер: любой триггер является совокупностью нескольких определенным образом соединенных логических элементов.
При этом количество используемых ИЛЭ, а также способы их соединения могут быть различными. Соответственно различными будут и функции, выполняемые триггерами. Поэтому наряду с КЯ-триггерами существует весьма много других разновидностей. Что касается базиса, т.е. типа используемых ИЛЭ, то от него зависят такие основные параметры, как быстродействие, потребляемая мощность, нагрузочная способность и др. Поскольку принципиальные схемы, параметры и особенности ИЛЭ подробно рассмотрены в предыдущих разделах, ниже, при рассмотрении триггеров, мы ограничимся, как правило, структурными схемами, чтобы не рассеивать внимание на детали принципиальных схем, тем более, что последние при большом числе используемых ИЛЭ имеют достаточно сложный внешний вид.
КЯ-триггер. Логическая структура КВ-триггера, выполненного на схемах ИЛИ вЂ” НЕ, показана на рис. 10.16, а. На рис. 10.16, б приведены его логическая формула и символическое обозначение. Верхними индексами и и п+1 обозначены значения величины ьг' до и после поступления управляющих сигналов (т.е. в и- и и+1-м тактах). 10.7. Иитегральиые три»тары Как известно, уровни напряжений на обоих вы- О" =Я+Й~>« ходах триггера различны и одновременно изменяются на противоположные. Поэтому на символе г) триггера один из выходов обозначен через 9, а второй через и) (факт инвер- а) б! сии, как обычно„отражен Рис. 10.16. Ев-триггер, ааставлеииыа кружком на стороне пря- иа лаул»лемектов илИ-не (а) и условМОУГОЛЬНИКа).
ИЫХОд р лое абазлачаииа ЕЗ-триггера (В) считается гяавнылк значениями 9 характеризуют состояние триггера в целом. Так, если говорят: «триггер находится в состоянии '1*», то это значит, что 9 = 1 (соответственно ь) =0). дальнейшем, проверим логиче- Для того чтобы ие повторяться в скую формулу (рис. 10.16, б): если Я = О, В = О, то 9 = О + еслиЯ=О,В=1,то0"' =О+ если Я = 1, В = О, то «г = 1 + Еще один возможный набор (Я = 1 иее. 1 9"=Я"; 0.9" = О; 1 Я"=1«-9"=1.
и В = 1) рассмотрим чуть погд- Исходя из перечисленных наборов, сделаем следующий вывод: сигналы на Я- и В-входах (под сигналами понимаются значения «1») обеспечивают однозначное состояние триггера. Сигнал Я = 1 означает и) = 1; сигнал В = 1 означает й = О. По окончании сигнала принятое состояние сохраняется; оно сохраняется и при повторении такого же сигнала. Теперь обратимся к набору Я = 1 и В = 1. Каким бы ни было предыдущее состояние триггера, при таком наборе входных сигналов уровни на обоих выходах согласно рис. 10.16, а получаются одинаковыми: б) =ь) =О. Уже одно зто обстоятельство говорит о ненормальности ситуации. Однако главное противоречие состоит в том, что по окончании сигналов Я и В триггер оказывается в неопределенном состоянии: на обеих парах входов в первый момент действуют нулевые сигналы.
Под действием внутренних флюктуаций триггер с равной вероятностью может перейти в любое из двух устойчивых состояний Я = 1 или «е = О. Об этом подробно говорилось в разделе 8.8. Поэтому на- Глава 10. Иитегрвльньге схемы бор Я = 1, В = 1 в данном триггере является запрещенным (с точки зрения правильности его функционирования), т.е. он не должен встречаться при использовании триггера в узлах аппаратуры. Такой запрет понятен и из общих соображений: нельзя одновременно подавать на триггер противоположные команды «установить единицу (3)» и «установить нуль (В)». Разумеется„КЯ-триггеры приходится строить не только на схемах ИЛИ-НЕ, но и на схемах И-НЕ (например, при использовании базиса ТТЛ).
Переход от схем ИЛИ-НЕ к схемам И вЂ” НЕ осуществляется путем заменьг всех входных и выходных величин на их отрицания. Тогда КЯ-триггер, выполненный на схемах И-НЕ, будет иметь структуру, показанную на рис. 10.17, а. Логическая формула для этой структуры остается такой же, как и на рис. 10.16, б. Однако по сравнению с рис. 10.16, а изменилось положение главного выхода Я, а на входы необходимо подавать инвертированные значения величин Я и В. Если инвертор включить в состав схемы ИЛЭ, то изменится ее символ — появится кружок на входе (рис. 10. 17, б). Рис. 10.17.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
