1.10.1. Цифровые имс

Цифровые ИМС (ЦИМС) — комбинационные и последовательностные — выполняют логические и арифметические операции с сигналами в виде двоичного кода. К таким операциям относят (рис. 1.45)

-дизъюнкцию,

-конъюнкцию,

-задержку,

-сложение,

-сдвиг,

- хранение.

УГО ЦИМС устанавливает ГОСТ 2.743—82.

Простейшей (базовой) операцией является инверсия входного сигнала.

Функциональный узел — инвертор, выполняющий инверсию входного сигнала, называют базовым логическим элементом (БЛЭ).

Рис. 1.45. У ГО операций, выполняемых цифровыми ИМС:

а — дизъюнкция; б — коньюнкция; в — задержка; г — сложение; д — сдвиг; е-хранение

Схема (рис. 1.46) и параметры БЛЭ определяют электрические, конструктивные, технологические и эксплуатационные параметры ЦИМС. Эволюция БЛЭ проходила под влиянием антагонистических требований к быстродействию, потребляемой мощности, помехоустойчивости и плотности компоновки.

В настоящее время выпускают ЦИМС на основе БЛЭ, реализующих (см. рис. 1.46)

- ТТЛ (ТТЛШ) — транзисторно-транзисторную логику,

-ЭСЛ — эмиттерно-связанную логику,

-И²Л — интегральную инжекционную логику,

-n-МДП — логику на основе, n-канальных полевых транзисторов

к-МДП — логику на основе комплементарной пары полевых транзисторов.

В табл. 1.9 представлены важнейшие параметры этих БЛЭ в сериях ЦИМС:

-напряжение питания U_пит;

-потребляемая мощность; P_о,

-время задержки переключения t_зад;

-«энергия переключения» W₀ = P_о t_зад ,

-запас помехоустойчивости U_пом;

-плотность компоновки m_комп;

-число функционально законченных узлов N_Ф._У.

Рис. 1.46. Схемы базовых логических элементов:

а- ТТЛ (ТТЛШ); б- ЭСЛ; в-задержка; е- И²Л; г- n-МДП; д- к-МДП

Для каждого вида БЛЭ в таблице полужирным шрифтом отмечен параметр, выделяющий его среди других видов. Среднечастотные ИМС на основе БЛЭ ТТЛ появились одними из первых, поэтому им принадлежит первенство по числу функционально законченных узлов. Лучшие по сравнению с ними показатели по потребляемой мощности и быстродействию ИМС на основе БЛЭ ТТЛШ удалось достичь за счет использования транзисторов с диодами Шоттки, в которых отсутствует эффект насыщения. Сверхбыстродействие ИМС на основе БЛЭ ЭСЛ достигается за счет ненасыщенного состояния транзисторов дифференциальной пары вследствие уменьшения сопротивления нагрузочных резисторов, что приводит к увеличению потребляемой мощности и снижению помехоустойчивости.

Наилучшие показатели по потребляемой мошности и быстродействию ИМС на основе БЛЭ И²Л определяются сверхмалым напряжением питания и отсутствием резисторов, однако при самом малом запасе помехоустойчивости.

Высокая плотность компоновки ИМС на основе БЛЭ п-МДП достигается за счет малой площади, занимаемой инвертором.

Большой диапазон напряжения питания ИМС на основе БЛЭ к-МДП, позволяющий без дополнительного согласования использовать их совместно с аналоговыми ИМС, определяется полной симметрией включения транзисторов инвертора в цепь питания. При этом практическое отсутствие тока через инвертор в статическом режиме обеспечивает максимальный запас помехоустойчивости.