Курсовая работа: Основные характеристики и параметры логических элементов
входные и выходные токи лог. 0 и 1(
,
,
, 
);
токи потребления в состоянии лог. 0 и 1 (
,
);
потребляемая мощность (P пот ).
Выходное пороговое напряжение лог. 0 
есть максимальное или минимальное (в зависимости от типа логики) выходное напряжение лог. 0, определяемое пороговой точкой амплитудной передаточной характеристики в области лог. 0, в которой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению КU = 1 для неинвертирующего ЛЭ и КU = -1 для инвертирующего ЛЭ (см. рис. 2.1).
Выходное пороговое напряжение лог. 1 
есть минимальное или максимальное (в зависимости от типа логики) выходное напряжение лог. 1, определяемое пороговой точкой амплитудной передаточной характеристики в области лог. 1, в которой КU = 1 для неинвертирующего ЛЭ, КU = -1 для инвертирующего ЛЭ.
Порог зоны переключения лог. 0 
есть пороговое напряжение лог. 0, определяемое пороговой точкой амплитудной передаточной характеристики в области лог. 0, в которой КU = 1 для неинвертирующего ЛЭ и КU = -1 для инвертирующего ЛЭ (см. рис. 2.1).
Порог зоны переключения лог. 1 
есть пороговое напряжение лог. 1, определяемое пороговой точкой амплитудной передаточной характеристики в области лог. 1, в которой КU = 1 для неинвертирующего ЛЭ и КU = -1 для инвертирующего ЛЭ.
Входной ток ЛЭ задается для неблагоприятного режима работы в пределах допустимых температур окружающей среды и напряжения питания как для уровня лог. 0 (), так и для уровня лог. 1 (). Выходные токи , характеризуют нагрузочную способность ЛЭ. (Втекающие токи имеют положительный знак, вытекающие токи — отрицательный знак.) Помехоустойчивость определяется относительно этих токов. Поэтому увеличение коэффициента разветвления приводит к снижению помехоустойчивости.
Входной ток лог.1 определяется как входной ток при напряжении лог. 1 на входе ЛЭ.
— входной ток лог. 0 определяется как входной ток при напряжении лог. 0 на входе ЛЭ.
— выходной ток лог. 1 определяется как выходной ток при напряжении лог. 1 на выходе ЛЭ.
— выходной ток лог. 0 определяется как выходной ток при напряжении лог. 0 на выходе ЛЭ.
Ток, потребляемый от источника (источников) питания ЛЭ (I пот ), зависит от типа ЛЭ. Для ЛЭ ЭСЛ он почти постоянен (если не принимать во внимание нагрузку) и не зависит от его логического состояния, для ЛЭ ТТЛ ток имеет разные значения для состояния «0» () и «1» (). Кроме того, ЛЭ ТТЛ имеют выбросы тока во время переходных процессов при переключении ЛЭ, что приводит к существенному увеличению тока потребления на высоких частотах. Амплитуда и длительность выброса зависят от характера и величины нагрузки, схемотехники выходного каскада ЛЭ ТТЛ, длины линии связи и пр.
Мощность, потребляемая ЛЭ от источников питания 
,
где Ui —напряжение i -го источника питания; Ii — ток в соответствующей цепи питания.
Если потребляемая мощность зависит от выходного напряжения лог. 0 (
) или 1 (
), то в качестве основного параметра используют среднюю потребляемую мощность Р пот ср = (+)/2. Для ЛЭ, потребляющих значительную мощность при переключении, средняя потребляемая мощность в технической документации задается в виде зависимости Р пот ср = f (F имп ) , где F имп — частота следования импульсов.
Интегральные параметры отражают уровень развития технологии и схемотехники и качество цифровых ИС. Основными интегральными параметрами ИС являются энергия переключения 
и уровень интеграции N .
Рис. 2.9. Изменение основных параметров цифровых интегральных схем:
Δ — минимальный топологический размер компонентов, мкм;
NЛЭ — степень интеграции ЛЭ; N ЗУ — число бит памяти на кристалле
Энергия переключения 
. Как правило, при определении энергии переключения используют типовые значения задержки распространения и потребляемой мощности. (Если потребляемая мощность выражается в милливаттах, а задержка распространения — в наносекундах, то энергия переключения имеет размерность пикоджоуль.) По мере совершенствования технологии и схемотехники и уменьшения размеров элементов на кристалле энергия переключения 
непрерывно снижается — примерно на полтора порядка за десятилетие (рис. 2.9). При заданных технологии и схемотехнике, или при заданной энергии переключения (= const), можно создавать различные серии ИС, обладающие либо высоким быстродействием (малым значением τ зд р ) и большой потребляемой мощностью, либо низким быстродействием и малой потребляемой мощностью. По этому параметру в настоящее время производят оценку уровня развития цифровой микроэлектроники и сравнение различных типов ИС.
Степень интеграции N логических цифровых микросхем определяется числом простейших эквивалентных ЛЭ — обычно двухвходовых вентилей — на кристалле (см. рис. 2.9 и табл. 2.1). Иногда степень интеграции микросхем измеряют числом элементов (резисторов, транзисторов, диодов) на кристалле, но при этом совершенно не учитывается специфика логических цифровых ИС, где межэлементные связи занимают существенную часть площади кристалла. Функциональную сложность ИС запоминающих устройств, имеющих регулярную структуру, можно оценивать числом бит памяти на кристалле.
Таблица 2.1
Условное обозначение | Число вентилей на кристалл | Число бит памяти на кристалл |
| ИС | До 10 | До 102 |
| СИС | 102 | 103 |
| БИС | 103 | 104 |
| СБИС | 104 | 105 |
|
СБИС более высокой степе- ни интеграции | 105 | 106 |
| 106 | 107 |
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.
Таблица 2.2
| Подгруппа и вид ИС | Обозначение |
| Формирователи: | |
| импульсов прямоугольной формы | АГ |
| импульсов специальной формы | АФ |
| прочие | АП |
| Схемы вычислительных средств: | |
| схемы сопряжения с магистралью | ВА |
| схемы синхронизации | ВБ |
| схемы управления вводом — выводом (схемы интерфейса) | ВВ |
| контроллеры | ВГ |
| микро-ЭВМ | BE |
| специализированные схемы | ВЖ |
| времязадающие схемы | ВИ |
| комбинированные схемы | ВК |
| микропроцессоры | ВМ |
| схемы управления прерыванием | ВН |
| прочие | ВП |
|
функциональные расширители (в том числе расширители разрядности данных) | ВР |
| микропроцессорные секции | ВС |
| схемы управления памятью | ВТ |
| схемы микропрограммного управления | ВУ |
| функциональные преобразователи информации (арифметические, тригонометрические, логарифмические, быстрого преобразования Фурье и др.) | ВФ |
| Генераторы: | |
| прямоугольных сигналов | ГГ |
| сигналов специальной формы | ГФ |
| Схемы арифметических и дискретных устройств: | |
| арифметическо-логические устройства | ИА |
| шифраторы | ИВ |
| дешифраторы | ИД |
| счетчики | ИЕ |
Продолжение табл. 2.2
| Подгруппа и вид ИС | Обозначение |
| комбинированные | ИК |
| полусумматоры | ИЛ |
| сумматоры | ИМ |
| прочие | ИП |
| регистры | ИР |
| Коммутаторы и ключи: | |
| напряжения | КН |
| прочие | КП |
| тока | КТ |
| Логические элементы: | |
| элемент И — НЕ | ЛА |
| элемент И — НЕ/ИЛИ — НЕ | ЛБ |
| расширители | ЛД |
| элемент ИЛИ — НЕ | ЛЕ |
| элемент И | ЛИ |
| элемент И — ИЛИ — НЕ/И — ИЛИ | ЛК |
| элемент ИЛИ | ЛЛ |
| элемент ИЛИ — НЕ/ИЛИ | ЛМ |
| элемент НЕ | ЛН |
| прочие | ЛП |
| элемент И — ИЛИ — НЕ | ЛР |
| элемент И — ИЛИ | ЛС |
| Преобразователи сигналов: | |
| уровня (согласователи) | ПУ |
| код — код | ПР |
| Схемы запоминающих устройств (ЗУ): | |
| ассоциативные ЗУ | РА |
Окончание табл. 2.2
| Подгруппа и вид ИС | Обозначение |
| матрицы постоянных ЗУ | РВ |
| постоянные ЗУ (масочные) | РЕ |
| матрицы оперативных ЗУ | РМ |
| прочие | РП |
| постоянные ЗУ с возможностью | РР |
| многократного электрического | |
| перепрограммирования | |
| постоянные ЗУ с возможностью | РТ |
| однократного программирования | |
| оперативные ЗУ | РУ |
| постоянные ЗУ с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью информации | РФ |
| Триггеры: | |
| универсальные (типа JK) | ТВ |
| динамические | ТД |
| комбинированные | ТК |
| Шмитта | ТЛ |
| с задержкой (типа D) | ТМ |
| прочие | ТП |
| с раздельным запуском (типа RS) | ТР |
| счетные (типа Т) | ТТ |
| Многофункциональные схемы: | |
| цифровые | ХЛ |
| комбинированные | ХК |
| Цифровые матрицы | ХМ |
| Прочие | ХП |
| Таблица 2.3 | ||||||
| Тип логики | Серия | Параметры логического элемента (вентиля) | Степень интеграции | Функциональный аналог | ||
| P, мВт | , пДж | |||||
| ТТЛ | К155 | 10 | 10 | 100 | ИС, СИС | SN74 |
| КМ155 | ||||||
| ТТЛШ | К531 | 3 | 20 | 60 | ИС, СИС | SN74S |
| КР1531 | 3 | 4 | 12 | ИС, СИС | SN74F | |
| К555 | 10 | 2 | 20 | ИС, СИС | SN74LS | |
| КМ555 | ||||||
| КР1533 | 4 | 2 | 8 | ИС, СИС | SN74ALS | |
| К589 | 5 | 8 | 40 | МП БИС | 13000 | |
| КР1802 | 5 | 4 | 20 | МП БИС | — | |
| К1804 | 5 | 4 | 20 | МП БИС | Ат2900 | |
| ЭСЛ | К500 | 2 | 25 | 50 | ИС, СИС | мсюк |
| К1500 | 0,75 | 40 | 30 | ИС, СИС | F100K | |
| К1800 | 1,5 | 20 | 30 | МП БИС | МС10800 | |
| К1520ХМ1 | 0,8 | 12 | 10 | МаБИС | F200 | |
| К1520ХМ2 | 1 | 10 | 10 | МаБИС | — | |