2. Элементная база цифровых устройств

2.1. Особенности структуры и элементной базы цифровых бис и сбис.

Базовые логические элементы (ЛЭ) предназначены для: логического преобразования информации, представленной в двоичном коде; формирования потенциальных (токовых) уровней сигналов с электрическими характеристиками, соответствующими кодируемой информации на выходе элемента. Для реализации функциональных бло­ков цифровых БИС обычно используют маломощные базовые ЛЭ, имею­щие невысокую нагрузочную способность, содержащие небольшое количество компонентов (транзисторов, диодов, резисторов) и занимающих на кристалле возможно меньшую площадь.

Входные элементы согласования (ЭС) БИС (входные трансляторы) предназначены для:

а) защиты внутренних цепей БИС от внешних электрических на­грузок;

б) формирования внутренних для микросхем логических уровней;

в) хранения информации в процессе ее обработки в БИС;

г) согласования уровней внешних сигналов, подаваемых на вхо­ды БИС, с внутренними;

д) усиления входных сигналов;

е) повышения чувствительности, быстродействия и помехоустой­чивости БИС.

Выходные ЭС БИС предназначены для:

а) формирования внешних логических уровней напряжения (тока); зашиты внутренних цепей БИС от внешних электрических перегрузок и помех;

б) усиления внутренних сигналов БИС;

в) формирования необходимых длительностей фронтов выходных сигналов.

г) обеспечения возможности работы нескольких устройств на одну линию связи.

2.2. Логические элементы и их характеристики

Основные параметры и характеристики логических элементов.

Логическое состояние элементов определяется значениями электрического потенциала на их входах и выходах. Элементы характеризуются следующей системой параметров: потенциалы, соответствующие 0 и 1; U⁰,U¹, порог переключенияU_п, число входов (коэффициент объединения по входу) М; входные токиI⁰_вхприU_вх=U⁰ иI¹_вхприU_вх=U¹ коэффициент разветвления по выходу N (нагрузочная способность); устойчивость к помехам положительной и отрицательной полярностиU_п⁺,U_п^- ; мощность Р_э или токI_п , потребляемые от источника питания; задержки пе­реключенияt⁰¹₃ из состояния 0 на выходе в состояние 1 иt¹⁰₃из состояния 1 в состояние 0. Параметры определяются по стати­ческим и переходным характеристикам элементов.

Основной статической характеристикой логических элементов является передаточная характеристика U_вых=f(U_вх) — зависи­мость потенциала на выходе от потенциала на одном из входов при постоянных значениях потенциала (U⁰ илиU¹) на остальных входах. По типу передаточной характеристики элементы делятся на инвертирующие, на выходе которых образуется инверсия вход­ных сигналов (элементы НЕ, И—НЕ, ИЛИ—НЕ и др.), и неинвертирующие, сигналы на выходе которых не инвертируются элементы И, ИЛИ и др.).

а) б)

Рис. 2.1. Передаточные характеристики инвертирующего (а) и неинвертирующего

(б) логических элементов

Типичная передаточная характерис­тика инвертирующего элемента показана на рис. 2.1,а, неинвертирующего — на рисунке 2.1,б.Так как в цифровом устройстве долж­но быть обеспечено четкое разде­ление (квантование) уровней ло­гических 0 и 1, то передаточная характеристика имеет три явно выраженных участка:I— соот­ветствующий состояниюU_вых=U⁰, II— состояниюU_вых=U¹,III— промежуточному состоя­нию. Значения потенциалаU_вх, соответствующие границам уча­стков, называются порогами пе­реключенияV⁰_п иV¹_побласть между порогами — зоной неопре­деленности.

Максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая сбоя в цифровой схеме, называется помехоустойчи­востью и определяется выражениями (рис. 2.1)

U⁺_п =V_п⁰–U⁰;U^-_п =U¹–V_п¹

U⁺_п–U^-_п=U_л– ΔV_п ,

где U_л=U¹ –U⁰— логический перепад: ΔV_п=V_п⁰ -V_п¹— шири­на зоны неопределенности.

Таким образом, для повышения по­мехоустойчивости надо увеличивать U_л и уменьшать ΔV_п . Поэто­му в цифровых схемах обеспечивают ΔV_п<U_ли приближенно можно считатьV_п⁰ ≈V_п¹ ≈V_п, гдеV_п— средний порог переклю­чения.

Максимальная величина логического перепада ограничивает­ся напряжением питания U_л <=U_ип , вследствие чего по­лучаем (U⁺_п+U^-_п)<=U_ип. Таким образом, сумма помехоустойчивостейU⁺_п,U^-_пне превышает напряжения питания.

Чтобы одновременно получить достаточно высокие значения U⁺_п,U^-_п, следует использовать такие схемы, в которых средний порог переключенияV_прасполагается приблизительно посереди­не междуU⁰ иU¹. В этом случае значенияU⁺_пиU^-_правны и составляют

U⁺_п≈U^-_п≈U_п=0,5(U_л- ΔV_п)≈ 0,5U_л<= 0,5U_ип

Передаточные характеристики реальных схем имеют опреде­ленный разброс, обусловленный различием внешних условий, раз­бросом параметров компонентов и другими факторами. При этом значения уровней U⁰,U¹ и пороговV_п⁰,V_п¹заключены в диапа­зонах

U⁰_min<=U⁰<=U⁰_max, V⁰_{п min}<=V⁰_п<=V⁰_{п max} ,

U¹_min<=U¹<=U¹_max, V¹_{п min}<=V¹_п<=V¹_{п max} .

Значения U⁺_пиU^-_попределяются для наихудшего сочетания фак­торов

U⁺_п=V⁰_{п max}-U⁰_min,U^-_п =U¹_min-V¹_{п max}.

Передаточная характеристика зависит от потенциалов шин питания (U_ип) и земли (U_з=0). Действие помехV_ш, возникаю­щих на этих шинах, можно представить как изменение потенци­аловU`<sub>ип</sub>=U<sub>ип</sub>±V<sub>ш</sub>,U`_з=±V_ши определить получающуюся при этом передаточную характеристику. Помехоустойчивость нахо­дится с помощью этой передаточной характеристики как макси­мальная величинаV_ш, при которой сохраняются значенияU⁺_п,U^-_п>0.

Если на входы схемы или шины питания и земли поступают импульсные помехи амплитудой V_ии длительностьюt_и, то при достаточно больших зна­ченияхt_иих действие аналогично действию потенциальной помехи такой же величины. Импульсные помехи малой длительности, сравнимой с временем переключения схемы (t_и<=t⁰¹₃,t¹⁰₃), не успевают произвести ложное пере­ключение схемы даже при значительной их амплитудеV_и. Таким образом, при уменьшении длительности помехиt_идля создания сбоя требуется увели­чение ее амплитуды, т. е. импульсная помехоустойчивость для большинства логических схем повышается при уменьшении длительности помехи.

Входная характеристика ТТЛ элементов I_вх=f(U_вх), представленная на рис. 2.2, служит для определения входных токов:I⁰_вх=>0, вытекающего из схемы приU_вх=U⁰,I¹_вх<=0 и втекающего в схему приU_вх=U¹.

Iвх

Uвх

Рисунок 2.2. Входная характеристика ТТЛ-схемы.

Выходные характеристики логических элементов U⁰_вых=f(I⁰_н) иU¹_вых=f(I¹_н) показаны на рис 2.3.

Рис 2.3. Выходные характеристики логического элемента

Динамические параметры определяются с помощью переходных характеристик.

Одним из важнейших динамических параметров является средняя задержка

которая определяет среднее значение время выполнения логических операций. Параметр обычно рассчитывают по измеренным значениями.