2.4.2. Статические параметры логических элементов

Определяют условия формирования и значения напряжений высокого и низкого уровней на выходе ЛЭ, его нагрузочную способность, потребляемую мощность при заданных напряжениях питания, нагрузке и температуре окружающей среды.

К статическим параметрам ЛЭ относятся:

• Входные и (U⁰_вх, U¹_вх) выходные (U⁰_вых, U¹_вых) напряжения логического «0» и логической «1»;

• Входные (U⁰_{вх пор}, U¹_{вх пор}) и выходные (U⁰_{вых пор}, U¹_{вых пор}) пороговые напряжения логического «0» и логической «1» (см. Рис.2.10);

• Входные и выходные токи логического»0» и «1» (I⁰_вх, I¹_вх, I⁰_вых, I¹_вых);

• Токи потребления в состоянии логического «0» и «1» (I⁰_пот, I¹_пот);

• Потребляемая мощность (Р_пот).

Входной ток ЛЭ задается для неблагоприятного режима работы в пределах допустимых температур окружающей среды и напряжения питания как для уровня «0» (I⁰_вх) так и для уровня «1» (I¹_вх).

Выходные токи (I⁰_вых, I¹_вых) характеризуют нагрузочную способность ЛЭ. Втекающие токи имеют положительный знак, вытекающие – отрицательный. Помехоустойчивость определяется относительно этих токов. Поэтому увеличение коэффициента разветвления приводит к снижению помехоустойчивости.

Входной ток логической «1» I¹_вх определяется как входной ток при напряжении логической 1 на входе ЛЭ.

Входной ток логического «0» I⁰_вх определяется как входной ток при напряжении логического 0 на входе ЛЭ.

Выходной ток логической «1» I¹_вых определяется как выходной ток при напряжении логической 1 на выходе ЛЭ.

Выходной ток логического «0» I⁰_вых определяется как выходной ток при напряжении логического 0 на выходе ЛЭ.

Ток потребляемый от источника питания ЛЭ (I_пот), зависит от типа ЛЭ. Например, для ЛЭ ЭСЛ он почти постоянный если не учитывать нагрузку и не зависит от его состояния. Для ТТЛ ЛЭ ток имеет разные значения для состояния «0» и «1».

Мощность потребляемая ЛЭ от источника питания определяется как:

U_i – напряжение i-того источника питания; I_i – ток в соответствующей цепи питания.

Если потребляемая мощность зависит от выходного напряжения «0» (Р⁰_пот) или «1» (Р¹_пот), то в качестве основного параметра используют среднюю потребляемую мощность Р_пот = (Р⁰_пот + Р¹_пот)/2.

Для ЛЭ, потребляющих значительную мощность при переключении, средняя потребляемая мощность в технической документации задается в виде зависимости Р_{пот ср} = f(F_имп), где F_имп – частота следования импульсов.

2.5. Особенности проектирования цифровых приборов

При разработке цифрового прибора используются своеобразные модели представления цифровых схем:

• Логическая модель.

• Модель с временными задержками.

• Модель с учетом электрических эффектов (или электрическая модель).

Первая модель применима для всех цифровых схем, работающих с низкой скоростью, в которых быстродействие не принципиально.

Вторая модель учитывает задержки срабатывания логических элементов. Ее применение необходимо для всех быстродействующих устройств и для случая одновременного изменения нескольких входных сигналов.

Третьей модель учитывает входные и выходные токи, входные и выходные сопротивления и емкости элементов. Эту модель надо применять при объединении нескольких входов и выходов, при передаче сигналов на большие расстояния и при нетрадиционном включении логических элементов (с переводом их в аналоговый или в линейный режимы).

На Рис.2.13. на примере простейшего логического элемента инвертора показаны три модели представления этого цифрового «прибора».

Рис.2.13. Три модели представления цифрового устройства

Из рисунка видно, что в первой, логической модели (1) считается, что элемент срабатывает мгновенно, любое изменение уровня входного сигнала сразу же, без всякой задержки приводит к изменению уровня выходного сигнала.

Во второй модели (2) выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного.

В третьей модели (3) выходной сигнал не только задерживается по сравнению с входным, но и его изменение происходит не мгновенно - процесс смены уровней сигнала (или, как говорят, фронт сигнала) имеет конечную длительность. Кроме того, третья модель учитывает изменение уровней логических сигналов.

В начале проектирования пользуется первая модель, а затем для некоторых узлов применяется вторая или (реже) и третья модель.

При этом первая модель не требует вообще никаких цифровых расчетов, для нее достаточно только знание таблиц истинности или алгоритмов функционирования микросхем.

Вторая модель предполагает расчет (по сути, суммирование) временных задержек элементов на пути прохождения сигналов (рис. 2.14). В результате этого расчета может выясниться, что требуется внесение изменений в схему.

Рис.2.14. Суммирование задержек элементов

Расчеты по третьей модели могут быть различными, в том числе и довольно сложными, но в большинстве случаев они все-таки сводятся всего лишь к суммированию входных и выходных токов логических элементов (Рис. 2.15).

В результате этих расчетов может выясниться, что требуется применение микросхем с более мощными выходами или включение дополнительных элементов.

Рис.2.15. Суммирование входных токов элементов

То есть проектирование цифровых приборов принципиально отличается от проектирования аналоговых, при котором сложные расчеты абсолютно неизбежны.

Разработчик цифровых приборов имеет дело только с логикой, с логическими сигналами и с алгоритмами работы цифровых микросхем. А что происходит внутри этих микросхем, для него практически не имеет значения.

Справочные данные на цифровые микросхемы обычно содержат большой набор параметров, каждый из которых можно отнести к одному из трех перечисленных уровней представления, к одной из трех моделей.

Например, таблица истинности микросхемы (для простых микросхем) или описание алгоритма ее работы (для более сложных микросхем) относится к первой, логической модели.

Величины задержек логических сигналов между входами и выходами относятся ко второй модели. Типичные величины задержек составляют от единиц наносекунд (1 нс = 10-9 с) до десятков наносекунд. Величины задержек для разных микросхем могут быть различными, поэтому в справочниках всегда указывается максимальное значение.

Необходимо также помнить, что задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль, как правило, отличается от задержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу.

Уровни входных и выходных токов, а также уровни входных и выходных напряжений относятся к третьей модели. К этой модели относятся также величины внутренней емкости входов микросхемы (обычно от единиц до десятков пикофарад) и допустимая величина емкости, к которой может подключаться выход микросхемы, то есть емкость нагрузки CL (порядка 100 пФ). К этой модели можно отнести также такие параметры, как допустимое напряжение питания микросхемы (U_CC) и максимальный ток, потребляемый микросхемой (I_CC). Например, может быть задано 4,5 В<U_CC<5,5 В; I_CC<100 мА.

К третьей модели относится ряд параметров, которые часто упоминаются в литературе, но не всегда приводятся в справочных таблицах:

• Порог срабатывания — уровень входного напряжения, выше которого сигнал воспринимается как единица, а ниже — как нуль.

• Помехозащищенность — характеризует величину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние выходных сигналов.

• Коэффициент разветвления — число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения работы. Стандартная величина коэффициента разветвления при использовании микросхем одного типа (одной серии) равна 10.

• Нагрузочная способность — параметр выхода, характеризующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный выход без нарушения работы. Чаще всего нагрузочная способность прямо связана с коэффициентом разветвления.

Таким образом, большинство справочных параметров микросхемы относятся к третьей модели (к модели с учетом электрических эффектов).