§1.5. Основные параметры логических элементов. Серии микросхем.

Основные параметры логических элементов определяются по входным, выходным и передаточным характеристикам.

Их обозначения определены ГОСТом 17021-88.

По результатам измерения параметров делается вывод о пригодности к использованию элемента или микросхемы для той или иной цели. Их обозначения приведены на Рис. 1.11.

Динамические параметры (для ТТЛ).

Временная диаграмма работы инвертора приведена на Рис. 1.11.а.

Замечание: удобным критерием сравнения элементов является произведение мощности потребления на время распространения: Рпот ·tр (чем меньше, тем лучше).

U_HL – логический перепад.

Для устойчивой работы элемента должны выполняться следующие соотношения по входному и выходному напряжениям (на Рис. 1.12).

Очевидно: помеха не должна превышать U_Imax и U_Imin.

Входное напряжение недопустимо в пределах:

U_IL<U_I<U_IH,

так как в этих областях работа элемента будет неустойчивой.

Входная характеристика I_I=f(U_I) используется для определения входного сопротивления Rвх элемента, а выходная – Uо=f(I_{нагрузки}) для расчета выходного Rвых сопротивления для режимов: логического «0» и логической «1», поскольку для этих режимов выходные токи разные (см. схему базового элемента ТТЛ).

Серии микросхем.

Серией микросхем называют группу микросхем, выполняемых по одинаковой технологии, имеющих сходные параметры (характеристики) и предназначенных для совместной работы в устройствах.

Условные обозначения микросхем определяются ГОСТом 17021-75 и могут состоять из:

1). Буквы (или двух), характеризующей стойкость микросхемы к окружающей среде, то есть ее воздействию.

2). Трех или четырех цифр, обозначающих номер серии.

3). Двух букв, определяющих выполняемую функцию.

4). Одной или двух букв, обозначающих тип микросхемы внутри функциональной группы.

5). Буквы, характеризующей возможные вариации значений параметров: например, выходной мощности. Часто этой буквы не бывает.

Пример обозначения микросхемы:

КР1554ЛА – (2 логических 4-х входовых 4И-НЕ элемента):

К – условия приемки;

Р – особенности конструкции;

1 – группа по конструктивно-технологическому исполнению;

554 – номер серии;

Л – подгруппа;

А – функциональное назначение (И-НЕ);

1 – номер разработки в данной серии.

Логические возможности микросхемы обозначаются в сокращенной форме, например, 3-2И-3ИЛИ-НЕ реализует функцию:

У=

То есть микросхема содержит:

- 3 двухвходовых элемента И;

- 1 трехвходовый элемент ИЛИ с отрицанием НЕ.

Габариты микросхем определяются не размером кристалла, на котором напыляются схемы, а числом выводов, которых бывает от 14, 16, 24, до нескольких сот (в 2х ядерном процессоре 950).

Корпуса микросхем в основном бывают 3х типов:

- шаг между выводами, перпендикулярными плоскости корпуса, равен 2.5 мм (тип корпуса ДИП);

- шаг между выводами, которые расположены в плоскости корпуса (планарные) – 1.25 мм, микросхема накладывается на плату;

- в современных микросхемах применяется шаг между выводами – 0.635 мм (1/40 дюйма).

§ 1.6. Согласование положительной и отрицательной логики.

При кодировании логических переменных уровнями электрических сигналов:

о бычно логическую «1» кодируют высоким уровнем U_H, а логический «0» - низким уровнем U_L. Такой способ кодирования называют соглашением положительной логики.

При кодировании логической «1» низким уровнем U_L, а логического «0» - высоким уровнем U_H, способ называют соглашением отрицательной логики.

Физика работы элемента при этом неизменна, а интерпретация сигналов разная:

1). Элемент, формирующий на своем выходе высокий уровень U_OH при совпадении высоких уровней U_IH на всех его входах и низкий U_IL, если хотя бы на один из его выходов подан низкий уровень U_IL, то в положительной логике он интерпретируется как элемент И, а в отрицательной – ИЛИ.

Соответственно элемент интерпретируется:

Если в положительной логике как И-НЕ, то в отрицательной – ИЛИ-НЕ. Аналогично: в положительной – И-ИЛИ-НЕ, в отрицательной ИЛИ-И-НЕ.

Такая интерпретация соответствует соотношениям де Моргана:

1. = ˅ .

2. = · .

Суть перехода И в ИЛИ, когда отрицаются аргументы и сама функция, при неизменном смысле выражения, можно пояснить следующими фразами.

В комнате тепло (Т), если батареи включены (В) И(·) окна закрыты (З):

Т=В·З.

В комнате не тепло ( ), если батареи не включены( ) или (˅) окна не закрыты( ):

.

Положительная логика психологически более привычная, особенно при чтении временных диаграмм работы устройств. Например, надо подать команду разрешить, записать и т.д. Удобней понимать, когда эти команды подаются в виде «1», то есть высоким уровнем, а их отсутствие отождествляется с низким уровнем (нулевым сигналом).

Однако законы электроники зачастую противоречат положительной логике. Например, часто потребление элементов ТТЛ, обслуживающих числовую магистраль (шину) при высоком уровне сигналов в магистрали меньше, чем при низком уровне этих сигналов (см. работу базового элемента ТТЛ). Поэтому, если магистраль большую часть времени находится в режиме ожидания, то именно неактивный нулевой уровень выгодно отождествлять с управляющим сигналом, а его отсутствие – «1».

В следствие этого отрицательная логика используется чаще. Часто встречаются надписи типа: , что означает – для выполнения команды надо подать низкий уровень.

В схемах такие выходы обозначаются кружочком:

управляющий сигнал должен быть низкого уровня.

Соотношения де Моргана:

1. = ˅ .

2. = · .

Например, даны функции Y1 и Y2 (Рис. 1.14.).

Получен инвертированный выход . Очевидно, что каждый функциональный узел может быть представлен в двух вариантах: а) основном и б) дуальном, причем вариант а) отличается от варианта б) заменой И на ИЛИ, ИЛИ на И.

Отсюда важное правило:

Если в логической схеме на элементах И, ИЛИ, НЕ отрабатывающей функцию Y, все И заменить на ИЛИ, а все ИЛИ – на И, инверторы НЕ оставить без изменений и проинвертировать все входы, то полученная в результате схема будет реализовывать функцию .

Выводы:

1. Схемы в базисе И-НЕ и в базисе ИЛИ-НЕ имеют одинаковую конфигурацию, и только входы и выходы элемента И-НЕ будут инвертированы по отношению ко входам и выходам элемента ИЛИ-НЕ. Аналогичный вывод и для элементов И-ИЛИ-НЕ и ИЛИ-И-НЕ.

2. Микросхемы со входами по И и по ИЛИ, как правило, неэквивалентны по стоимости или по занимаемому физическому объему, поэтому при проектировании схем необходим анализ обоих вариантов основного и дуального для принятия решения по выбору схемы.