книги из ГПНТБ / Скарлетт, Дж. Транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы и их применение

энергии импульса, необходимой для заряда или разряда базовых емкостей, по мере приближения опорных уровней импульсов к статическому пороговому уровню. Здесь вновь сказывается влияние разницы задержек tPHL и tPLH, которая проявляется в различных наклонах соответствующих кривых для положительных и отрица* тельных импульсов.

мальным напряжением 0 В; 3 — входной импульс с минимальным напряжением 0,5 В; 4 — входной импульс с максимальным напряжением 2,5 В.

Большие запасы помехоустойчивости ТТЛ ИС по переменному току, проиллюстрированные на примере приведенных импульсных передаточных характеристик, означают, что для большинства прак­ тических конструкций печатных плат ложное срабатывание схем под влиянием перекрестных наводок является маловероятным. В тех случаях, когда пара вентилей соединена между собой с помощью ко­ роткого проводника, можно рассчитывать на почти полное подавле­ ние в такой цепи помехи с амплитудой, равной полному логическому перепаду, и шириной до 12 нс.

Аналогичное подавление помех можно ожидать и от вентиля, на входе которого поддерживается постоянное напряжение, а импульс ломехи поступает на землянойвывод корпуса.

/ — входной импульс с минимальным йапряжением О В; 2 — входной импульс с минималь­ ным напряжением 0,5 В; 3 — входной импульс с максимальным напряжением 2,5 В; 4 —• входной импульс с максимальным напряжением 2,0 В.

9.5. Рассеиваемая мощность

9.5.1. П Р Е Д Е Л Ь Н Ы Е И ТИПОВЫЕ ЗН А Ч Е Н И Я

Рассеиваемая ТТЛ-вентилем мощность зависит от того, включен он или выключен. Мощность, рассеиваемая вентилем во включен­ ном состоянии (когда входы обычного инвертирующего вентиля разомкнуты) превышает мощность, рассеиваемую в выключенном состоянии. Для простых вентилей рассеиваемая всей ИС мощность зависит от количества вентилей в корпусе, например «счетверенная» ИС рассеивает при прочих равных условиях вдвое большую мощ­ ность, чем «сдвоенная».

В табл. 9.1 приведены паспортные значения токов, потребляемых вентилями в состояниях логических 0 и 1. В ряде случаев эти зна­ чения являются типовыми, а не предельными. Измерения показали, что предельные паспортные значения имеют большие запасы: токи в выключенном состоянии в среднем составляют около половины пре­ дельных значений, а во включенном — примерно две трети. Было найдено, что типовая мощность, рассеиваемая на низкой частоте переключения, составляет 15—16 мВт/вентиль для вентилей И—НЕ серий SUHL1 и 9000 и 9—11 мВт/вентиль для вентилей серии

74. Для вентилей серии SUHL2 рассеиваемая мощность примерно на 50% больше, чем для вентилей серии SUHL1.

Как показано в разд. 5.3, эта мощность возрастает с ростом ча­ стоты переключения ИС. Было обнаружено, что для некоторых схем полный потребляемый ток в режиме переключения несколько сни­ жается. Это объясняется тем, что в статическом режиме большее ко­ личество ИС находится во включенном состоянии.

‘9.5.2. МОЩНОСТЬ, РАССЕИВАЕМАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМОЙ

Полная мощность, рассеиваемая функциональной схемой, соб­ ранной на печатной плате, или другим узлом, может быть определе­ на из приведенных для ИС значений / сс, однако при расчетах тем­ ператур переходов отдельных ИС необходимо также учитывать на­ грузочные токи, втекающие в выходные цепи схем. В наихудшем случае ток на выходе ИС, содержащей четыре вентиля, может до­ стигать 64 мА при выходном напряжении 0,45 В, что дает дополни­ тельную мощность 29 мВт, составляющую значительный процент от мощности, определяемой значением 1СС для наихудшего случая.

Когда рассматриваются мощности, рассеиваемые отдельными ИС, необходимо иметь в виду, что полный входной ток любого много­ входового ТТЛ-вентиля может втекать в выходную цепь только од­ ного из включенных управляющих вентилей. Другие присоединен­ ные к той же ИС включенные вентили могут либо отбирать часть этого тока, либо не отбирать его вообще. При прочих равных усло­ виях наиболее вероятно, что весь ток из входных цепей многовходо­ вого вентиля будет отбираться выходной цепью вентиля, работаю­ щего с минимальным коэффициентом разветвления.

Вследствие неопределенности распределения тока между венти­ лями и величин уровней логического 0 мощность, рассеиваемую кон­ структивно законченным функциональным узлом, следует рассчи­ тывать с помощью суммирования токов 1СС всех ТТЛ ИС с после­ дующим добавлением токов всех резисторов или других дискретных компонентов в режиме их включения между шиной питания и зем­ лей (с учетом допущений о скважности импульсов и т. д.).

9.5.3. в ы б р о с ы т о к о в

В момент включения напряжения питания некоторого конструк­ тивного узла потребляемый ток может возрасти выше нормального расчетного значения. При включении все емкости в выходных узлах должны зарядиться до рабочих уровней напряжений, и хотя эти зарядные токи могут по отдельности быть и небольшими, их сумми­ рование в масштабе целого узла или системы может дать значитель­ ную величину.

Избыточные токи при включении электронных устройств могут протекать также вследствие того, что транзисторы Т \ и Т ь могут

быть одновременно открыты. Такой режим может иметь место тогда, когда напряжение питания уже достаточно для одновременного от­ пирания транзисторов Т ь и Т 2, а ток через резистор R 2 еще недо­ статочен для насыщения Т 2. Подобное состояние зависит от номи­ налов резисторов R 2h R 3 и коэффициента усиления hFE транзистора

транзистора Т 2равен 6 . Транзистор Т ъоткрыт, и любое незначитель­ ное приращение напряжения Vcc вызывает увеличение управляюще­ го базового тока транзистора Т ь.

Напряжение на нижнем выводе диода D3 на 2,0 В ниже Vcc, т. е. на 0,5 В выше напряжения на эмиттере транзистора Т ъ. Следо­ вательно, как только Vcc возрастет настолько, что потечет управ­ ляющий базовый ток транзистора Т6, через резистор R t, транзистор Т 4, диод D3 и транзистор Т 6 потечет ток при условии, что напряжение Vceнас транзистора Т 5 меньше 0,5 В. Базовое напряжение транзистора Ti снизится и будет на 1,4 В выше напряжения VC E 5 на коллекторе транзистора Т 3, поэтому транзистор Т 4 будет в состоянии отбирать через резистор R2довольно значительный базовый ток, так что па­ дение напряжения на R2будет возрастать до тех пор, пока не будет выполнено равенство/7 ?2 + 1/ве4 +Уоз+ 1/се5 = 2 ,5 В. Следовательно, через транзистор T t по цепи Э 3 я Т ъ может протекать значительный ток. В рассмотренном случае этот ток будет ограничиваться рези­ стором R,, на уровне примерно 4,7 мА (точнее его значение зависит от напряжений насыщения VCEaac транзисторов Т 2 и Т ь).

Такой же результат можно получить, увеличив коэффициент

Т4 и диоде D3 возрастает настолько, что транзистор Т 4 закроется. Потенциальный потребитель ТТЛ ИС не в состоянии исключить

этот токовый выброс при включении питания, если он существует в схемах, которые предполагается использовать.

9.5.4. НЕЗАДЕЙСТВОВАННЫ Е ВЕНТИЛИ

При использовании ИС, содержащих несколько вентилей (счет­ веренных, строенных и сдвоенных ИС), часть вентилей может остать­ ся незадействованной. Рассеиваемая при этом узлом мощность бу­ дет минимальна, если в каждом незадействованном вентиле зазем­ лить по одному входу. Аналогично при использовании «половин» сдвоенных триггеров или функциональных СИС неиспользованные половины должны быть приведены в состояние с минимальной рас­ сеиваемой мощностью.

Такое «запирание» неиспользуемых схем позволяет снизить рас­ сеиваемую мощность до минимума и также снижает риск «внутри­ схемной» паразитной связи через «плавающие» элементы. Если раз­ работчикам топологии печатных плат дать четкую инструкцию за­

вследствие непреднамеренного оставления на одном из входов эле­ мента ИЛИ уровня логической 1 исключается (разд. 8.2.2).

10

Зависимость параметров ТТЛ ИС от режимов

В данной главе рассматриваются зависимости перечисленных в гл. 9 параметров ТТЛ ИС, а также выбросов токов при переклю­ чении схем от температуры, емкости межсоединений, напряжения питания, коэффициента разветвления и наличия расширителей. Нумерация разделов настоящей главы соответствует нумерации, принятой в гл. 9. В табл. 10.1 приведены основные зависимости всех указанных параметров ТТЛ ИС.

10.1. Температура

10.1.1. ВВ ЕД ЕН И Е

Все основные параметры ТТЛ ИС были рассмотрены в предыду­ щей главе для температуры 25°С. В данном разделе изменения ос­ новных параметров рассматриваются в диапазоне температур от 0 до 75 °С (если не оговорен другой диапазон температур).

10.1.2.ЗАВИСИМОСТЬ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ОТ ТЕМ ПЕРАТУРЫ

Повышение температуры кристалла приводит к увеличению времен рассасывания всех транзисторов, увеличению их коэффи­ циентов усиления и степени насыщения. Номиналы резисторов также возрастают, что приводит к небольшому уменьшению переклю­ чаемых токов, так что суммарное влияние температуры сказывает­ ся на уменьшении фронтов и увеличении задержек в транзисторах. При этом задержка tPHL с увеличением температуры снижается, тогда как более чувствительная задержка tPLH с ростом температуры возрастает, поэтому на быстродействии цепочки последовательно включенных вентилей изменение температуры не сказывается. Ти­ повое значение увеличения tPLH и уменьшения tPHL составляет 0,04 нс/°С. На фиг. 10.1 показаны графики изменения задержек tpHh и Ь ь н в зависимости от температуры. Эти графики охватывают все предельные значения, приводимые изготовителями ИС. Экспери­ ментальные измерения показали, что существуют вентили с более

0 10 20 30 40 50 60 70 80Температура,°С

Фи г . 10.1. Зависимость задержки распространения от температуры.

а— задержка при включении; б — задержка при выключении; промежуточные линии не являются границами между сериями ИС, зависимости для всех серий перекрываются.

10.1.3, ЗАВИСИМОСТЬ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ОТ ТЕМ ПЕРАТУРЫ

Так как коэффициенты усиления транзисторов и сопротивления резисторов зависят от температуры, то следовало бы ожидать и влияния температуры на нагрузочную способность, однако паспорт­ ные значения токов, по которым рассчитываются коэффициенты на­ грузочной способности, даются с учетом температурного диапазона, поэтому изменения фактических значений токов далее можно не учитывать.

10.1.4.ЗАВИСИМОСТЬ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ОТ ТЕМ ПЕРАТУРЫ

Запасы помехоустойчивости по постоянному току в любой точке соединения вентилей определяются выходными уровнями напряже­ ния управляющего вентиля и входными пороговыми напряжениями управляемого вентиля.

Напряжение V0L определяется напряжением насыщенного основного выходного транзистора. При повышении температуры ток, втекающий через выходную цепь в этот транзистор, немного

ключения вентиля, в связи с чем растет как амплитуда, так и дли­ тельность выброса тока. Увеличение амплитуды импульса проис­ ходит за счет более позднего выключения транзистора Т ь. Однако увеличение энергии выброса тока при повышении температуры невелико и его обычно можно не учитывать.

10.2.Емкость

10.2.1.ВВЕДЕНИЕ

В данном разделе рассматривается только влияние емкостей межсоединений или при управлении от ТТЛ ИС схемами на дискрет­ ных компонентах с малыми входными емкостями (составляющими до 100 пФ). При работе ТТЛ ИС на большие емкостные нагрузки необходимо последовательно с емкостями включать резисторы, ко­ торые ограничивали бы токи разряда емкостей, протекающие через включенную ИС, на уровне не выше 20 мА.

/

10.2.2.ЗАВИСИМОСТЬ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ о т ЕМКОСТИ

Емкость на выходе ТТЛ-вентиля увеличивает время задержки (измеряемое на пороговом уровне) и длительности фронтов переклю­ чения. Время нарастания (фронт при выключении) возрастает при­ мерно на 0,03 нс/пФ, время спада (фронт при включении) возрастает примерно на 0,01 нс/пФ. При больших емкостях эти коэффициенты возрастают.

Время задержки при включении и выключении вентиля возра­ стает одинаково —примерно на 0,07 нс/пФ. На фиг. 10.2 показаны графики зависимости времени задержки при включении и выключе­ нии от емкостной нагрузки. В эти графики включены все предельные случаи, полученные по всем опубликованным типовым данным. Для всех подвергшихся испытаниям ИС соответствующие значения величин задержки лежат в заданных пределах и лишь в несколь­

10.2.3.ЗАВИСИМОСТЬ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ от ЕМКОСТИ

Емкость межсоединений не оказывает влияния на нагрузочную способность, если не учитывать токи утечки внешних конденсаторов. Если эти токи имеют существенную величину, то их необходимо вычесть из выходных токов, приведенных в табл. 9.1, и пересчи­ тать коэффициенты нагрузочной способности заново.