5.4.4. Основні характеристики мікросхем логічних елементів

Основні характеристики мікросхем ЛЕ: статична, динамічна, навантажувальна.

Статична або передавальна характеристика мікросхем ЛЕ – залежність U_ВИХ від U_ВХ (U_ВИХ =f (U_ВХ­)) на одному із входів при незмінних значеннях напруг на інших входах (рис. 5.11). U^0, U^{1 –} це фіксовані значення напруги для типу мікросхем, зони значень. Чіткого поділу немає. Між ними невизначена проміжна зона, у якій стан ЛЕ нестійкий.

Характеристика інвертора має три стани:

I) U_ВИХ=U⁰_ВИХ; II) активний режим U_ВИХ=U_ВХ (ΔU_ВИХ=U¹_ВИХ – U⁰_ВИХ); III) U_ВИХ=U¹_ВИХ

Р ис 5.11 – Статична передавальна характеристика інвертора

Завадостійкість (допустима амплітуда завади) U_ЗАВ – максимально допустима величина потенційної завади, при появі якої на вході, мікросхеми ще не перемикається.

Статична (довготривала),динамічна (короткотривала).У довідниках лише статична.

U_зав = min{U⁰зав, U¹зав}, де U⁰зав = U_А-U⁰вх, U¹зав = U¹вх–U_Б.

Чим більший ΔU_ВИХ=U¹_ВИХ – U⁰_ВИХ,і чим вужча зона ΔU=U_Б–U_А, тим вища завадостійкість.

Інша оцінка U_ЗАВ=U⁰_ЗАВ + U¹_ЗАВ=ΔU_ВИХ – ΔU_ВХ.

В сучасних мікросхемах ΔU_ВХ≈0, бо ΔU>>ΔU_ВХ, U_А≈U_Б≈U_П, де U_п – середній поріг перемикання(порогова напруга) ЛЕ. Вона є в довідниках.

Для порівнняня різних типів мікросхем ЛЕ – статичної завадостійкості.

. (5.2)

Вхідна характеристика ЛЕ R_вх = f (U_вх): визначається вхідним струмом:

І¹_вх ≥ 0,витікає із мікросхеми при U_ВХ=U⁰_ВХ.

І¹_вх ≤ 0, втікає у мікросхему при U_ВХ=U¹_ВХ.

Вихідна характеристика ЛЕ: U⁰_вих = f (І⁰_н), U¹_вих = f (І¹_н), де І⁰_н , І¹_н струми навантаження витікаючий (логічний «0») І⁰_н = NІ⁰_вх, та втікаючий (логічна «1») І¹_н = NІ¹_вх, де N – число ЛЕ навантаження.

Середня потужність споживання: одного ЛЕ в статичному режимі роботи

P_CCТ = 0,5 (Р⁰_СП+ Р¹_СП) = 0,5 U_Ж(І⁰_СП+ І¹_СП), (5.3)

де Р⁰_СП, Р¹_СП, І⁰_СП, І¹_СП – потужності і струми споживання мікросхем відповідно при U⁰_вих, U¹_вих; U_Ж – напруга живлення.

При збільшенні f перемикання і Р_СП : Р_СП = P_CCТ + Р_д, де Р_Д – додаткова динамічна потужність споживання за рахунок перезаряду С_вих та С_Н = N С_вх.

Навантаженні Р_СП ≤ 1 мкВт; мікропотужні (1…300 мкВт), малопотужні (0,3…3 мВт), середньої потужності (3…25 мВт), потужні (25…250 мВт).

Навантажувальна здатність: або значення І⁰_вих, І¹_вих, або коефіцієнт розгалуження виходу К_РОЗ або С_нmax.

К_РОЗ – максимальна кількість входів аналогічних ЛЕ, які одночасно можна підімкнути до виходу мікросхеми при збереженні всіх її нормованих параметрів. К_РОЗ типове.

Динамічна (перехідна) характеристика ЛЕ: U_вих = f (t), залежність U_ВИХ від часу при переході U⁰_вх→ U¹_вх ,або U¹_вх→ U⁰_вх.

Середній час затримки t_ЗС (поширення сигналу). Це час проходження 1 біт через одну мікросхему.

t_ЗС = 0,5 (t⁰¹_З+ t¹⁰_З) (5.4)

де t⁰¹_З, t¹⁰_З – час затримки поширення сигналу відповідно при переході U⁰_вих→ U¹_вих і U¹_вих→ U⁰_вих; визначаються на рівні 0,5 ( ); - суттєво залежить від режимів роботи ЛЕ і P_СП одного ≈ 1…10 нс.

Замість інколи використовують максимальну частоту перемикання f_max=1/

Розкид часу затримок окремих елементів приводить до явища гонок.

Коефіцієнт об’єднання входів К_об – максимальне число входів ЛЕ тотожне максимальному числу незалежних вхідних змінних . Є К_об& по І та К_обv по АБО. При збільшенні К_об як правило збільшуються й логічні та функціональні

Рис 5.12 – Визначення часу затримки розповсюдження сигналу

можливості ЛЕ, але зменшується швидкодія та завадостійкість. Існуючі серії зазвичай мають такі значення К_об≤8. За допомогою розширювачів логічних збільшується К_об.

Потужні мікросхеми мають й максимальну швидкодію. Зменшення Р_СП при збереженні - основна проблема мікросхемотехніки.

Якість мікросхем – фактор добротності: . Сучасні мікросхеми мають фактор добротності порядку 0,01 нДж. Теоретична межа напівпровідникових мікросхем 0,001…0,000001 нДж.

Порівняльні характеристики різних типів мікросхем (ТТЛ, МДН, КМДН, ЕЗЛ,І ІЛ, ТТЛШ )

Таблиця 5.14 – Порівняльна характеристика інтегральних мікросхем різної технології виготовлення

Тип технологій	Серія мікросхем	Параметри (один ЛЕ)
		tзс, нс	Рсст, мВт	tзсРсст, нДЖ	Uж,В
ТТЛ	155,133	10	10	100	5
	134	66	1	66	5
ТТЛШ	555	10	2	20	5
	1533	4	2	8	5
ЕЗЛ	К1500	0,75	40	30	-4,5
КМОН	К561,564,1561	15…50	0,001	3	3…15
І2Л	К583, КР584	5	0,2	1	5…9