Основные параметры логических элементов

К основным параметрам логических элементов относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического 0 и логической 1, нагрузочная способность, помехоустойчивость и быстродействие, потребляемая мощность.

Уровни лог. 0 и лог. 1 на входе и на выходе микросхем отличаются, как правило, до 30 % от напряжения источника питания. Кроме того, логические уровни КМОП микросхем существенно отличаются от логических уровней ТТЛ микросхем (см. рис. 3.8). Так при отсутствии тока нагрузки напряжение на выходе КМОП микросхемы совпадает с напряжением питания (уровень лог. 1) или с потенциалом общего провода (уровень лог. 0). При увеличении тока нагрузки напряжение лог. 1 может уменьшаться до 90 %, а напряжения лог. 0 – увеличиваться до 10 % от напряжения питания. На входе же КМОП микросхемы минимально допустимый уровень лог. 1 составляет 70 %, а лог. 0 – 30 % от напряжения питания.

У микросхем ТТЛ уровень лог. 1 находится в пределах от 40 % от напряжения питания (на входе) до 50 % на выходе. Уровень лог. 0 соответственно от 15 % (на входе) до 8 % на выходе.

Нагрузочная способность – способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется так называемым коэффициентом разветвления и оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы. Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов серий ТТЛ серии составляет 10, а для микросхем серий КМОП – до 100.

Следует отметить, что при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность.

Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических 0 и 1, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серий КМОП – не менее 30 % напряжения питания.

Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости. Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т. е. максимальной частотой переключения. Предельная рабочая частота современных микросхем ТТЛ составляет свыше 10 МГц, а микросхем на КМОП структурах лишь 1 МГц.

Предельная частота ограничивается средним временем задержки распространения сигнала (см. рис. 3.9)

. (3.1)

Для микросхем ТТЛ это время составляет около 20 нс, а для микросхем КМОП – около 200 нс.

Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях лог. 0 (Р_лог.0) и лог. 1 (Р_лог.1) на выходе. В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления

. (3.2)

Статическая средняя мощность потребления базовых элементов ТТЛ составляет несколько десятков милливатт, а у элементов КМОП она более чем в тысячу раз меньше.

Следует отметить, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Поэтому помимо потребляемой мощности в статическом режиме Р_СР микросхемы характеризуются также потребляемой мощностью в динамическом режиме Р_ДИН, измеряемой на максимальной частоте переключений.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие технологии построения логических элементов Вы знаете?

2. Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента диодно-транзисторной логика. Укажите недостатки по причине которых диодно-транзисторной логика не находит широкого применения.

3. Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента И-НЕ транзисторно-транзисторной логики.

4. Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента ИЛИ-НЕ эмиттерно-связанной транзисторной логики. Какими преимуществами ЭСЛ обладает перед ТТЛ?

5. Нарисуйте логические схемы и поясните работу элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ, реализованных на КМОП структурах.

6. Какие особенности применения КМОП микросхем Вы знаете?

7. Перечислите основные параметры логических элементов и поясните их.