Статические параметры логических элементов. В качестве важнейших статических параметров приводятся четыре значения напряжений и четыре значения токов.

Четыре значения напряжений задают границы отображения переменных (0 и 1) на выходе и входе элемента. Для нормальной работы элемента требует­ся, чтобы напряжение, отображающее логическую 1, было достаточно высо­ким, а напряжение, отображающее 0, — достаточно низким. Эти требования задаются параметрами U_вx.1.min и U_вx.0.max. Входные напряжения данного эле­мента есть выходные напряжения предыдущего (источника сигналов). Уров­ни, гарантируемые на выходе элемента при соблюдении допустимых нагру­зочных условий, задаются параметрами U_вx.1.max и U_вx.0.max. Выходные уров­ни несколько "лучше" входных, что обеспечивает определенную помехоустой­чивость элемента. Для уровня U₁ опасны отрицательные помехи, снижающие его, причем допустимая статическая помеха (т. е. помеха любой длительности)

Для уровня u₀ опасны положительные помехи, причем допустимая статиче­ская помеха

Четыре значения токов — входные и выходные токи в обоих логических со­стояниях. При высоком уровне выходного напряжения из элемента — источника ток вытекает, цепи нагрузки ток поглощают. При низком уровне выходного напряжения элемента-источника ток нагрузки втекает в этот элемент, а из входных цепей элементов-приемников токи вытекают. Зная токи I_{вых.1.mах} и I_{вых.0.mах}, характеризующие возможности элемента — источника сигнала, и токи I_вх.1.mах и I_вх.0.mах, потребляемые элементами-приемниками, можно контролировать соблюдение нагрузочных ограниче­ний, обязательное для всех элементов схемы ЦУ.

Быстродействие логических элементов. Быстродействие логических элементов определяется скоростями их перехода из одного состояния в другое. Быстродействие ЦУ определяется задержками сигналов, как в логических элементах, так и в цепях их межсоединений.

Временные диаграммы переключения инвертирующего логического элемен­та (рис. 2.7.) показывают длительности характерных этапов переходных про­цессов, отсчитываемые по так называемым измерительным уровням. Мо­ментом изменения логического сигнала считают момент достижения им по­рогового уровня. Часто за пороговый уровень принимают середину логиче­ского перепада сигнала, т. е. 0,5(U₀ + U₁). Иногда пороговый уровень ука­зывается более точно в паспортных данных элемента. На временных диа­граммах показаны задержки распространения сигнала при изменении вы­ходного напряжения элемента от U₁ до U₀ и обратно (t¹⁰ и t⁰¹). Очень часто для упрощения расчетов пользуются усредненным значением задержки рас­пространения сигнала t_з = 0,5(t¹⁰ + t⁰¹).

Следует обратить внимание на то, что усреднение согласно приведенному соотношению не относится к технологическому разбросу задержек. Также следует заметить, что справочные данные о задержках соответствуют определенным условиям измерений, указанным в справочниках. Если условия работы элемента отличаются от условий измерения, то может потребоваться коррекция справочных данных.

t_ф

0,1U

Входной сигнал

U₁

U_пор

U₀

U

0,1U

Выходной сигнал

U_пор

U₁

U₀

t₁₀

t₀₁

Рис. 2.7. Временные диаграммы процессов переключения логического элемента

На быстродействие ЦУ влияют также емкости, на перезаряд которых требу­ются затраты времени. В справочных данных приводятся входные и выход­ные емкости логических элементов, знание которых позволяет подсчитать емкости нагрузки в узлах схемы. Для подключаемой к выходу элемента ем­кости приводятся две цифры: номинальная емкость С_L (L от Load) и пре­дельно допустимая емкость С_mах. Первая емкость соответствует условиям измерения задержек сигналов, так что именно для нее справедливы значе­ния задержек сигналов, приведенные в справочных данных. Если реальная нагрузочная емкость отличается от номинальной, то изменятся и значения задержек. Значения реальных задержек можно оценить с помощью соотноше­ния t_з = t_з.н + kC, где t_з.н — номинальное значение задержки; C = С - c_l;

С — фактическое значение нагрузочной емкости; k — коэффициент, вели­чина которого задается для каждой серии элементов индивидуально.

Предельно допустимая ёмкость указывает границу, которую нельзя нару­шать, поскольку при этом работоспособность элемента не гарантируется.

Разумеется, при подсчете емкостей в узлах ЦУ учитываются и емкости меж­соединений (монтажные емкости).

Мощности потребления логических элементов. При разработке ЦУ требуется оценивать мощности их потребления, чтобы сформулировать требования к источникам питания и конструкции теплоотвода. При этом суммируются мощности, рассеиваемые логическими и дру­гими элементами схемы, а также межсоединениями.

Мощности, потребляемые элементами, делят на статические и динамиче­ские. Статическая мощность потребляется элементом, который не переклю­чается. При переключении потребляется дополнительно динамическая мощность, которая пропорциональна частоте переключения элемента. Та­ким образом, полная мощность зависит от частоты переключения элемента, что и следует учитывать при ее подсчете. Обычно не возникает трудностей при подсчете мощностей, потребляемых биполярными схемами. При под­счете мощностей, потребляемых элементами типа КМОП, положение на­много сложнее и данных, приведенных в справочниках, может не хватить. Здесь следует отметить, что в настоящее время только справочник под ре­дакцией И. И. Петровского [21] предоставляет удобные данные для расчета мощностей ЦУ на элементах КМОП (для серии элементов КР1554).

Так же основным параметрам логических элементов относятся:

• набор логических функций;

• число входов по И и по ИЛИ;

• коэффициент разветвления по выходу;

В табл.2.1 приведены основные логические функции, обозначения соответ­ствующих элементов и их схемы.

Число входов по И и по ИЛИ лежит в пределах от 2 до 16. Если имеющегося числа, входов недостаточно, то для их увеличения используются интегральные схемы расширителей по ИЛИ, обозначаемые ЛД.

Таблица 12.1
Основные логические функции.
Элемент	Обозначение	Выполняемая функция и схема
X x0 Y=X 1 НЕ	ЛН
X1 x0 X2 Y=X1X2 & И	ЛИ
& X1 x0 X2 Y=X1X2 И-НЕ	ЛА
Y=X1+X2 X1 X2 1 ИЛИ	ЛЛ
X1 x0 X2 1 Y=X1+X2 ИЛИ-НЕ	ЛЕ
1 & & X1 X2 X3 X4 Y=X1X2+X3X4 И-ИЛИ	ЛС
1 & & X1 X2 X3 X4 Y=X1X2+X3X4 И-ИЛИ-НЕ	ЛР
Y=X1X2+X1X2=X1X2 X1 X2 =1 Исключающее ИЛИ	ЛП

Серийные логические ИМС. В зависимости от технологии изготовления логи­ческие ИМС делятся на серии, отличающиеся набором элементов, напряжением питания, потребляемой мощностью, динамическим параметрам и др. Наибольшее применение получили серии логических ИМС, выполненные по ТТЛ (транзистор­но-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) и КМОП (комплиментарная МОП логика) технологиям. Каждая из перечисленных технологий совершенствовалась, поэтому в каждой серии ИМС имеются подсерии, отличаю­щиеся по параметрам.

В ИМС, выполненных по технологии ТТЛ, в качестве базового элемента используется многоэмиттерный транзистор. Упрощенная схема логического эле­мента И-НЕ с многоэмиттерным транзистором VT1 приведена на рис. 2.8. Много­эмиттерный транзистор (МЭТ) отличается от обычного транзистора тем, что он имеет несколько эмиттеров, рас­положенных так, что прямое взаимодействие между ними ис­ключается. Благодаря этому пе­реходы база-эмиттеры МЭТ можно рассматривать как па­раллельно включенные диоды.

Второй транзистор VT2 яв­ляется инвертором сигнала, вы­полняющим функцию НЕ. Если хотя бы на один эмиттер МЭТ подан низкий уровень, то ток базы VT2 равен нулю и на кол­лекторе VT2 будет высокий уро­вень. Для того чтобы напряже­ние на коллекторе VT2. имело низкий уровень, необходимо на все эмиттеры МЭТ подать высо­кий уровень. Благодаря этому алгоритму реализуется функция И-НЕ. В более поздних сериях

E_п=+5В

R₁

R₂

VT1

Y=X₁X₂

X₁

VT2

X₁

x₀

&

Y

X₂

X₂

Рис. 2.8. Упрощенная схема логического элемента 2И-НЕ (ТТЛ)

ИМС, выполненных по технологии ТТЛ, использовался сложный инвертор с двуполярным ключом, а для исключения насыщения МЭТ применялись диоды Шотки с малым падением напряжения в прямом направлении (ТТЛШ).

Первым разработчиком ИМС по технологии ТТЛ является фирма Texas Instruments, которая выпустила ИМС серии SN74. Дальнейшие усовершенствова­ния этой серии были направлены на повышение быстродействия и снижение по­требляемой мощности. В табл. 2.2 приведены серии отечественных микросхем и их соответствие различным сериям микросхем SN74/54.

Таблица 2.2
Серии логических ИМС ТТЛ
Серия	Аналог	Серия	Аналог
SN74	155	SN54	133
SN74L	138	SN54L	136
SN74H	131	SN54H	130
SN74LS	555	SN54LS	533
SN74S	531	SN54S	530
SN74ALS	KP1533	SN54ALS	1533
SN74F	KP1531	SN54F	1531

Основные параметры ИМС ТТЛ различных серий приведены в табл. 2.3. По сочетанию параметров наибольшее распространение получили ИМС серии SN74LS (серия 555). ИМС этой серии работают при напряжении питания +5 В ±5%.

В ИМС, выполненных по технологии ЭСЛ, в качестве базового элемента используется дифференциальный усилитель.

Упрощенная схема логического элемента ИЛИ-НЕ с дифференциальным усилителем приведена на рис. 2.3.

Обозначения. L (low) — маломочная серия, Н (high) — быстродействующая серия, LS (low, Shottky) — маломощная с диодами Шотки, S (Shottky) — с диодами Шотки, ALS — усовершенство­ванная с диодами Шотки, F (fast) — сверхбыстродействующая.

Таблица 2.3
Основные параметры ИМС ТТЛ
Серия ИМС	Потребляемая мощность, мВт	Задержка времени, нс	Максимальная частота, МГц	Коэффициент разветвления
SN74	10	10,0	35	10
SN74L	1	33,0	3	10
SN74H	22	6,0	50	10
SN74LS	2	9,5	45	20
SN74S	19	3,0	125	10
SN74ALS	1	4,0	50	40
SN74F	4	2,0	130	33

Боль­шое быстродействие ИМС ЭСЛ обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в ненасыщенном (линейном) режиме. На выходе элемента применяется эмиттерный повторитель, который обеспечивает быстрый заряд емкости нагрузки.

На рис. 2.3. дифференциальный усилитель выполнен на транзисторах VT1 VT3, а эмиттерный повторитель на транзисторе VТ4 Выходной сигнал можно снимать с инверсного выхода ДУ, как приведено на рис 12 3, что обеспе­чивает операцию НЕ, так и с неинверсного выхода (с коллектора VT3), что обес­печивает выполнение операции ИЛИ без инверсии.

Повышение быстродействия в этих элементах достигается также ограничением перепада выходного напряжения, что связано с уменьшением помехоустойчивости ИМС ЭСЛ.

R₁

R₂

VT4

VT3

VT1

VT2

Е_см

X₁

Е_оп

R_э

R_б2

R_б1

R_б3

R_н

X₂

-Е_п=-5,2В

Рис. 2.9. Упрощенная схема логического элемента 2ИЛИ НЕ (ЭСЛ)

Для ограничения перепада выходного напряжения используются ис­точники опорного напряжения Е_оп и смещения Е_см. Все входы дифференциального усилителя подключены через резисторы R_б к источнику питания, что позволяет неиспользуемые входы ИМС оставлять неподключенными.

Первым разработчиком ИМС по технологии ЭСЛ была фирма Motorola, ко­торая выпустила серию ИМС МС10000 (МС10К). В процессе усовершенствования этих ИМС была выпущена серия МС100000 (МС100К).

Таблица 2.4
Серия и основные параметры ИМС ЭСЛ
Серия ИМС	Аналог	Потребляемая мощность, мВт	Задержка времени, нс	Коэффициент разветвления	Напряжение питания, В
МС10000 МС10К	100, 500	35	2,90	15	-5,2
МС100000 МС100К	1500	40	0,75	20	-4,5

Основные параметры ИМС ЭСЛ и их отечественные аналоги приведены в табл. 2.10. Микросхемы серий 500 и 1500 имеют несколько отличающиеся напря­жения питания (-5,2В и -4,5В), однако по уровням входных и выходных логи­ческих сигналов они совместимы. Напряжение логического нуля равно -1,8В, а напряжение логической единицы равно -0,9 В.

В ИМС, выполненных по технологии КМОП, в качестве базового элемента используются ключевые схемы, построенные на комплиментарных МОП-транзис­торах. На рис. 2.10 приведена схема логического элемента И-НЕ, выполненного по технологии КМОП. Эта схема состоит из двух групп ключей на полевых тран­зисторах T1, T3 и T2, Т4. Каждая группа управляется одним сигналом X1 или X2

При подаче сигналов X₁=X₂=” l ” ключи на транзисторах T1 и T2 размы­каются, а ключи на транзисторах T3 и T4 замыкаются. В результате сигнал на выходе .

Применение полевых транзисторов с изолированным затвором обеспечива­ет высокое входное сопротивление мик­росхем КМОП. Благодаря малой вход­ной емкости и высокому сопротивле­нию микросхемы КМОП чувствительны к статическому электричеству. Пробой изоляции под затвором происходит при напряжении около 30В, в результате чего транзистор повреждается. Защита входов ИМС КМОП осуществляется с помощью встроенных диодов или стаби­литронов, подключенных к линиям питания ИМС.

VT2

Y=X₁X₂

VT4

X₁

VT3

X₂

Рис.2.10. Упрощенная схема логического элемента 2И-НЕ (КМОП)

Достоинствами ИМС КМОП являются малая потребляемая мощность и высо­кая помехозащищенность в сочетании с высоким быстродействием и нагрузочной способностью. Питание таких ИМС производится от источника напряжения +5...+15В.

Таблица 2.5
Серии логических ИМС КМОП
Серия ИМС	Аналог	Фирма-разработчик	Напряжение питания, В
CD4000	164, 176	RCA	9
CD4000A	561, 564	RCA	3…15
MC14000A	то же	Motorola	то же
CD4000B	KP1561	RCA	3…18
54HC	1564		2…6

Разработка первых ИМС КМОП серии CD4000 была выполнена фирмой RCA в 1968 г. Позднее эта фирма выпустила еще две серии усовершенствованных ИМС CD4000A и CD4000B. Основные серии ИМС КМОП, их отечественные ана­логи и фирмы-разработчики приведены в табл. 2.5. По сравнению с ИМС ТТЛ микросхемы КМОП имеют -следующие достоинства:

- малая потребляемая мощность в диапазоне частот до 2 МГц (мощность в статическом режиме не превышает 1 мкВт);

- большой диапазоне напряжений питания (от 3 до 15 В);

- очень высокое входное сопротивление (больше 1 МОм);

• большая нагрузочная способность (коэффициент разветвления больше 50).

К недостаткам ИМС КМОП относятся:

- большие времена задержки (до 100нс);

- повышенное выходное сопротивление (до 1 кОм);

• значительный разброс всех параметров.

Уровни выходных сигналов зависят от напряжения питания. Уровень логи­ческой «1» равен примерно 0,8Е_пит, а уровень логического «0» — от 0,3 до 2,5В.

Основные характеристики различных серий ИМС КМОП приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6
Основные параметры ИМС КМОП
Серия ИМС	Потребляемая мощность, мВт	Задержка времени, нс	Максимальная частота, МГц	Коэффициент разветвления
CD4000	30	200	5	50
CD4000A	50	100	5	50
CD4000B	100	30	10	100
54HC	100	10	50	50

Совершенствование технологии ИМС КМОП привело в настоящее время к тому, что характеристики наиболее быстродействующих ИМС КМОП серии 54НС практически сравнялись с характеристиками ИМС ТТЛ серии SN74LS.