Реферат: Логические элементы интегральных микросхем

Рис. 1. К определению динамических параметров логического элемента (инвертора)

Уровням отcчета динамических параметров ЛЭ являются (рассматривается положительная логика, при которой высокий уровень выходного сигнала соответствует 1, а низкий — 0) максимальный уровень логического 0 и минимальный уровень логической 1. Задержка переключения τ₁₀ определяется как временной интервал между уровнем 1 фронта нарастания входного импульса (положительный импульс) и уровнем 0 фронта спада выходного импульса (отрицательный импульс).

Задержка переключения τ₀₁ определяется как временной интервал между уровнем 0 фронта спада входного импульса и уровнем 1 фронта нарастания выходного импульса.

Фронты импульса, определяемые между уровнями 1 и 0 спада импульса, обозначаются t_ф0 , между уровнями 0 и 1 нарастания импульса — t_ф1 .

Средняя задержка τ_ср ЛЭ определяется как полусумма задержек τ₁₀ и τ₀₁ и служит усредненным параметром быстродействия , используемым при расчете временных характеристик многоэлементных последовательно включенных логических микросхем.

Произведение средней задержки на число последовательно соединенных ЛЭ в устройстве дает наибольшую задержку сигнала в этом устройстве. Параметр τ_ср приводится в технических условиях на ИМС. Для упрощения процесса расчета временных характеристик сложных логических цепей часто считают сигналы прямоугольными, т. е. t_ф0 = t_ф1 =0.

Помехоустойчивость. Базовый элемент ИМС в статическом режиме может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 или 1). По этой причине различают статическую помехоустойчивость ЛЭ по уровню 0 (U_no )и по уровню 1 (U_{n 1} ). Статическая помехоустойчивость базовых элементов ИМС определяется значением напряжения, которое может быть подано на вход ИМС относительно уровня 0 или 1, не вызывая её ложного срабатывания (например, переход из состояния 1 в состояние 0 или наоборот).

Напряжение помехи либо повышает, либо понижает входное напряжение. Если на входе действует напряжение логического 0 (U₀ ), то опасны помехи, имеющие положительную полярность, так как они повышают входное напряжение, что может привести к сбою в работе, т. е. ложному изменению выходных напряжений в цифровом устройстве. При поступлении на вход напряжения логической 1 (U₁ ) и напряжения помехи отрицательной полярности также возможно ложное переключение. Максимально допустимые постоянные напряжения помехи положительной полярности (при напряжении логического 0 на входе) и отрицательной полярности (при напряжении логической 1 на входе) определяют помехоустойчивость ЛЭ по отношению к статическим (длительно действующим) помехам.

Внутренние помехи в цифровом устройстве возникают при переключении ЛЭ, поэтому их амплитуда пропорциональна логическому перепаду U_л .

Логическим перепадом называется разность напряжений логической 1 и логического 0:

.

Для оценки помехоустойчивости ЛЭ помимо напряжений U_п1 и U_п0 используют относительные величины:

; ,

называемые коэффициентом помехоустойчивости.

Для повышения помехоустойчивости необходимо увеличивать логический перепад и уменьшать время переключения ЛЭ из состояния 1 в состояние 0 и наоборот.

Потребляемая мощность ЛЭ (мощность, потребляемая ЛЭ от источника питания) зависит от его логического состояния, так как изменяется ток I_и.п. в цепи питания. ЛЭ потребляет ток

при ;

при .

Поэтому средняя потребляемая мощность в статическом режиме.

.

Зная среднюю мощность и число ЛЭ в цифровом устройстве N_л.э. , можно вычислить среднюю мощность, потребляемую устройством; она равна . Уменьшить потребляемую мощность можно, снизив напряжение или ток питания. Однако при этом понизятся помехоустойчивость, а для многих типов ЛЭ и быстродействие. Наиболее эффективный способ уменьшения мощности P_ср реализован в ЛЭ на КМДП-транзисторах (комплементарный металл-диэлектрик-полупроводник). В этих элементах токи в статическом режиме малы, а мощность потребляется только при переключении. Мощность, потребляемую дополнительно в процессе переключения, называют динамической. Она пропорциональна частоте переключения ЛЭ. Поэтому динамическую мощность определяют при заданной рабочей частоте, близкой к максимальной.

Интегральные элементы одноступенчатой логики

Логические элементы микросхем потенциального типа с одноступенчатой логикой по схемотехнической реализации и организации межэлементных связей делятся на следующие типы:

· резисторно-транзисторные (RTL[*] );

· транзисторные с непосредственной связью (DCTL);

· транзисторные с резистивными связями (TRL);

· транзисторные с резистивно-конденсаторными связями (RCTL);

· комплементарные с транзисторно-резистивной логикой (CRTL);