Основные статические и динамические параметры логических элементов

Статические характеристики и параметры характеризуют логические элементы в устойчивом состоянии, а динамические – при переключении из одного состояния в другое.

В качестве важнейших статических параметров приводятся пять значений напряжений и пять значений токов. Прежде всего указывается значение напряжения питания (величина и поле допуска).

Четыре значения напряжений: задают границы отображения логических переменных нуль и единица на выходе и входе элемента. Для нормальной работы элемента требуется, чтобы входное напряжение, отображающее логическую единицу, было достаточно высоким, а напряжение, отображающее логический нуль, достаточно низким. Эти требования задаются параметрами и Входные напряжения данного логического элемента есть выходные напряжения предыдущего (источника сигналов). Напряжения, гарантируемые на выходе логического элемента при допустимой нагрузке, задаются параметрами и

Для токов в первую очередь указывается ток потребления который нужен и для определения потребляемой элементом мощности, рассчитываемой как произведение напряжения питания на потребляемый им ток.

Следующие четыре значения токов среди важнейших статических параметров – входные и выходные токи в обоих логических состояниях: При высоком уровне выходного напряжения из элемента-источника ток вытекает, а цепи нагрузки ток поглощают (рисунок 13, а).

Рисунок 13 – Направление выходных и входных токов при высоком уровне выходного напряжения (а) и низком уровне – (б)

Окончание рисунка 13

При низком уровне выходного напряжения элемента-источника ток нагрузки втекает в этот элемент, а из входных цепей элементов-приемников токи вытекают (рисунок 13, б). Следовательно, входные и выходные токи в различных логических состояниях протекают в разных направлениях.

Кроме того, к статическим параметрам относятся:

• Коэффициент разветвления по выходу характе-

ризует нагрузочную способность логического элемента и определяет число входов однотипных элементов, которое может быть подключено к выходу данного элемента. Чем выше нагрузочная способность элементов, тем меньшее число элементов может потребоваться при построении цифрового устройства. Из рисунка 13 следует, что коэффициент разветвления по выходу может быть определен по формуле:

(30)

По формуле (30) можно определить допустимое значение

выходного тока

• Коэффициент объединения по входу определяет

число входов логического элемента, предназначенных для подачи логических аргументов. Элементы с большим коэффициентом объединения по входу имеют более широкие функциональные возможности;

• Помехоустойчивость определяется максимальным значе-

нием помехи не вызывающей нарушения работы эле-

элемента. Для количественной оценки помехоустойчивости можно использовать передаточную характеристику логического элемента, которая представляет собой зависимость выходного напряжения от входного (рисунок 14).

Рисунок 14 – Типовая передаточная характеристика инвертора

При увеличении входного напряжения от нуля до порогово-

го в области значений, соответствующих уровню логи-

ческого нуля, напряжение на выходе уменьшается от стандарт-

ного уровня логической единицы до минимально допус-

тимого уровня логической единицы (рисунок 14).

Дальнейшее увеличение входного напряжения приводит к резкому снижению выходного напряжения (область переключения логического элемента). При больших значениях входного напряжения, превышающих пороговый уровень логической еди-

ницы на выходе устанавливается стандартный уро-

вень логического нуля Таким образом, при работе логи-

ческого элемента в статическом (установившемся) режиме недо-

пустимы входные напряжения Допус-

тимыми считаются такие помехи, которые наложившись на входное напряжение не выведут его в область недопустимых значений (рисунок 14).

Важнейшим динамическим параметром является быстродействие логических элементов. Оно оценивается задержкой распространения сигнала от входа к выходу логического элемента при включении и выключении (логический элемент включен, если на его выходе уровень логического нуля и наоборот). Временные диаграммы переключения инвертирующего логического элемента показаны на рисунке 15.

Рисунок 15 – Временные диаграммы входного и выходного напряжений при переключении инвертирующего логического элемента

Время задержки измеряется на выходе по отношению ко входу на уровнях 0,5 от установившихся значений напряжений (рисунок 15). Часто используется средняя задержка распростране- ния сигнала: [нс]. Чем меньше этот параметр, тем выше быстродействие логического элемента. Этот параметр используется при расчете задержки распространения сигналов в сложных логических схемах.

На быстродействие цифровых устройств влияют также емкости нагрузки и паразитные монтажные емкости, на перезаряд которых требуются затраты времени. В справочных данных приводятся входные и выходные емкости логических элементов, что позволяет подсчитать емкости нагрузки в узлах схемы. Предельно допустимая емкость указывает границу, при которой гарантируется работоспособность логического элемента.

Мощности, потребляемые логическими элементами, делят на статические и динамические. Статическая мощность потребляется элементом, который не переключается, это средняя потребляемая мощность определяемая по формуле:

[мВт], (31)

где – мощность потребляемая от источника питания при низком уровне выходного напряжения, а – при высоком уровне.

При переключении потребляется дополнительно динамическая мощность, которая пропорциональна частоте переключения. Таким образом, полная потребляемая мощность зависит от частоты переключения элемента. Следовательно, быстродействие логического элемента и полная потребляемая мощность взаимосвязаны: при увеличении быстродействия возрастает потребляемая мощность.

Энергия переключения E логического элемента из одного логического состояния в другое определяется по формуле:

[пДж]. (32)

Этот параметр используется для сравнения различных типов логических элементов. Лучше тот логический элемент, у которого этот параметр меньше.

Сравнительная оценка логических элементов различных схемотехнических типов. Промышленность выпускает логические элементы ТТЛШ повышенного быстродействия, при относительно большой мощности потребления (серия 1531) и маломощные, но с меньшим быстродействием (серия 1533). Эти логические элементы обладают высокой помехоустойчивостью и большой нагрузочной способностью.

Логические элементы схемотехники КМОП отличаются исключительно малым потреблением энергии, высокой помехоустойчивостью и нагрузочной способностью. Наряду с этим логические элементы схемотехники КМОП имеют ограниченный коэффициент объединения по входу. По быстродействию логические элементы современных серий схемотехники КМОП, например серии 1554, не уступают микросхемам схемотехники ТТЛШ.

Наилучшим сочетанием всех параметров обладают логические элементы схемотехники Би-КМОП.