2.5.2. Задержка на распространение сигнала

В электронных логических схемах переключение из одного состояния в другое происходит не мгновенно. Поэтому скорость работы схемы определяется тем, на­сколько быстро может измениться ее состояние. Соответствующий параметр схе­мы называется задержкой на распространение сигнала. Как он вычисляется, по­казано на рис. 2.21. Выходное состояние изменяется с некоторой задержкой относительно момента изменения входного состояния. Обычно задержка опреде­ляется как интервал времени между точками, лежащими посередине графиков переходных характеристик входного и выходного сигналов (рис. 2.21). Еще од­ной важной характеристикой схемы является время перехода, измеряемое как время между точками с 10- и 90-процентным изменением сигнала. С увеличением задержки на распространение сигнала по различным маршрутам максимальная скорость функционирования логической схемы снижается.

Рис. 2.20. Передаточная характеристика КМОП-инвертора

Рис. 2.21. Задержка на распространение сигнала и время перехода

2.5.3. Ограничения по входу и выходу

Количество входов логического вентиля называется его нагрузочной способно­стью по входу или коэффициентом объединения по входу (fan-in). Количество вхо­дов логических вентилей, с которыми соединен выход данного вентиля, называ­ется его нагрузочной способностью по выходу или коэффициентом разветвления по выходу (fan-out). В реальных микросхемах значения этих двух параметров не­велики, поскольку с их увеличением возрастает задержка на распространение сигнала, а следовательно, снижается скорость работы схемы. Каждый транзистор повышает общее сопротивление вентиля в КМОП-схеме, а с увеличением сопро­тивления работа схемы замедляется и такие ее характеристики, как уровни сигна­ла и запас помехоустойчивости, ухудшаются. Поэтому нагрузочную способность по входу и по выходу обычно ограничивают до значений, не превышающих 10. Если исходная схема предполагает наличие вентиля с большим количеством вхо­дов, в нее просто добавляют еще один вентиль того же типа. Пример каскадирования однотипных вентилей вы видели на рис. 2.9. Если же количество выходов вентиля превышает допустимый предел, можно просто использовать две копии этого вентиля.

2. 6. Триггеры

Большинству устройств, в которых задействована цифровая логика, требуются элементы для хранения информации. Например, схема управления кодовым зам­ком должна запоминать последовательность открывающего его набора цифр. Еще один важный пример — электронная память для хранения данных, необходимая цифровым компьютерам. Базовый электронный элемент, используемый для хра­нения информации, называется защелкой (latch).

Давайте рассмотрим два вентиля ИЛИ-НЕ с перекрестным соединением, по­казанные на рис. 2.24, а. Начнем с ситуации, когда R = 1, а S = 0. Очевидно, что в этом случае Q_a = 0, а Q_b - 1. Сигналы на обоих входах вентиля G_a равны 1. По­этому, если сигнал на входе R изменить на 0, на выходах Q_a и Q_b, ничего не изме­нится. Но если сигнал на входе R изменить на 0, а сигнал на входе S — на 1, то на выходах Q_a и Q_b появятся соответственно значения 1 и 0, причем они будут сохра­няться даже после того, как сигнал на входе S снова станет равным 0. Описанная логическая схема представляет собой запоминающий элемент или защелку — она запоминает, на каком из двух входов (R или S) подавался последний сигнал 1.

Рис. 2.24. Защелка на основе вентилей ИЛИ-НЕ: логическая схема (а);

таблица истинности (б); временная диаграмма (в)

Таблица истинности этой схемы приведена на рис. 2.24, б. На рис. 2.24, в пред­ставлены простейшие временные диаграммы прохождения сигналов через защел­ку. Стрелки показывают причинно-следственные отношения между сигналами. Обратите внимание, что когда значения на входах R и S одновременно изменяют­ся с 1 на 0, результирующее состояние не определено. На практике защелка пе­рейдет в одно из двух своих стабильных состояний, но в какое именно — предска­зать невозможно. Комбинация входных значений R = S = 1 в подобных защелках обычно не используется.

В соответствии с принципом действия данной электронной схемы ее контакты S и R называют входами установки и сброса (set и reset соответственно, откуда и их обозначения). Поскольку значения R = S = 1 обычно не используются, выходы Q_a и Q_b обозначаются как Q и .Однако обозначение , является просто символом, указывающим на второй выход защелки, а вовсе не дополнением сигнала Q, по­скольку для набора входных значений R = S = 1 на выходе получается Q = = 0.