1.2. Характеристики логічних елементів

Логічні, схемотехнічні та експлуатаційні властивості логічних елементів визначаються сукупністю характеристик і параметрів, до яких відносяться:

• функції логічних елементів;

• логічні угоди;

• коефіцієнти об’єднання за входом та виходом;

• коефіцієнт розгалудження;

• швидкодія;

• потужність споживання;

• робота перемикання;

• вхідні і вихідні напруги та струми;

• статична та динамічна стійкість до завад;

• надійність елементів;

• допустимі значення механічної дії, діапазони атмосферного тиску і температури навколишнього середовища, стійкість до радіаційних впливів.

У більшості випадків зазначені характеристики і параметри відносяться до ІМС, на яких реалізовані логічні елементи.

Коефіцієнт об’єднання за входом N_і характеризує число логічних входів логічного елемента – зазвичай 1, 2, 3, 4 або 8 (рис. 5).

Коефіцієнт об’єднання за виходом N_о характеризує допустиму кількість з’єднаних між собою виходів логічних елементів з метою утворення нових функцій.

Коефіцієнт розгалудження за виходом N_р характеризує навантажуваль-ну спроможність логічного елемента, тобто максимальне число входів ідентич­них схем, яке може бути одночасно залучене до виходу даного елемента без порушень його працездатності (рис.6). До складу серій ІМС як правило входять елементи з малою навантажувальною здатністю (N_р=3÷15) та з великою (N_р=30÷50).

Прийнято такі визначення і буквені позначення електричних параметрів цифрових мікросхем (ДСТУ 2883-94):

• вхідні U_І та вихідні U_О рівні напруг (індекси – від англійських слів Input і Output);

• вхідні напруги низького U_ІL і високого U_ІH рівнів; для них встановлю­ється максимальне значення низького рівня U_{ІL max} та мінімальне значення висо­кого рівня U_{ІH min} (рис.7, а);

• вихідні напруги низького U_ОL і високого U_ОH рівнів; для них встанов­лю­­ється максимальне значення низького рівня U_{ОL max} та мінімальне значення висо­кого рівня U_{ОH min} (рис.7, б);

• вихідний I_I і вихідний I_О струми;

• вхідний струм I_IL – при низькому рівні напруги на вході, I_IH – при високому;

• U_СС – значення напруги джерела живлення;

• I_СС – струм, що споживається ІМС від джерела живлення;

• P_СС – потужність, споживана ІМС від джерела живлення;

• вхідні граничні напруги, при яких відбувається перемикання елемен­та: U_TIH – найменше значення для високого рівня і U_TIL – найбільше значення низького рівня.

О сновні параметри логічних елементів визначаються за допомогою вхід­ної, вихідної і передавальної характеристики. Типові графіки цих характери­с­тик інверсних елементів транзисторно-транзисторної логіки зображено на рис. 8.

В хідна характеристика логічного елемента I_I=f(U_I) – це залежність вхід­ного струму від зміни вхідної напруги. Струми, що входять у схему елемента, вважають додатними, а ті, що виходять – від’ємними (рис. 8, а). За цією харак­те­ристикою визначають вхідні струми I_IL для напруги U_{IL max} і струм I_IH для нап­руги U_{IH min}. Вихідна характеристика логічного елемента U_O=f(I_O) визначає зале­жність вихідної напруги від струму навантаження для станів високого і низь­ко­­го рівнів (рис. 8, б). З наведеної характеристики визначають допустимі значен­ня струмів: +I_OL – при низькому рівні вихідної напруги U_{OL max} i -I_OH – при висо­кому рівні U_{OH min} (рис. 8, б).

Передавальна характеристика U_O=f(U_I) – це залежність вихідної напруги від вхідної (рис. 8, в). З цієї характеристики визначають значення завадостійко­сті для низького рівня на вході M_L (перешкода, що відкриває) і високого рівня на вході M_H (перешкода, що закриває):

M_L=U_TIL-U_{IL max}; M_H= U_{IH min} -U_TIH.

Середня споживана потужність елементом від джерела живлення розраховується за формулою

де I_ССL, I_ССH – струми споживання при низькому і високому рівнях напруги на виході відповідно; - середній струм споживання. Сучасні елементи спожи­вають потужності від мікроват до десятків міліват.

П отенціальні сигнали характеризуються значенням логічного перепаду (амплітудою) U_М=U_L- U_H і тривалістю позитивного t_WH та негативного t_WL пере­падів (рис. 9). Перепади напруг часто називають позитивними та негативними імпульсами.

Для вимірювання часових параметрів сигналу встановлюють умовні рівні в частках від амплітуди – 0.1; 0.5; 0.9.

Швидкодію мікросхем визначають за значеннями таких часових параметрів:

• фронту t_LH і t_HL (рис. 10, а);

• власне вмикання t_ТHL і вимикання t_ТLH (рис. 10, б), та їх затримки відповідно t_DHL і t_DLH;

• затримка поширення сигналу при вмиканні t_РHL і вимикання t_РLH (рис. 10, в).

Для практичних розрахунків використовують середній час затримки поширення сигналу

t_P=(t_PHL+t_PLH)/2.

Для оцінки якості сигналу широко використовують узагальнений пара­метр – роботу перемикання

A_n=P^*_CC·t_P.

Якщо потужність P^*_CC вимірюється в міліватах, а час затримки – в нано­секундах, то робота перемикання виражається в пікоджоулях (пДж). Значення узагальненого параметра A_n знаходиться в межах 0,1÷200 пДж. Чим менше A_n, тим кращі характеристики має логічний елемент.

Надійність ІМС характеризується трьома взаємозалежними показника­ми:

• інтенсивністю відмов λ=n/(mt) де n – число відмов за час випробуван­ня, год; m – загальна кількість мікросхем на випробуванні;

• напрацювання на відмову T=1/ λ;

• ймовірністю безвідмовної роботи протягом заданого інтервалу часу Р=exp(-λ·t).

Для сучасних ІМС інтенсивність відмов λ=(10^-7÷10^-8). Прийнявши, що λ=10^-8, t=15000, отримаємо значення ймовірності безвідмовної роботи P(t)=0,998 або 99,8%.

За конструктивно-технологічним виконанням мікросхеми поділяються на п’ять груп, яким присвоєно такі позначення (ДСТУ 3212-95):

• напівпровідникові на біполярних транзисторах – 1,6;

• напівпровідникові на польових транзисторах – 5,7;

• гібридні – 2,4;

• інші (плівкові, вакуумні, керамічні та інше);

• резерв – 0,8,9.

Зазначені групи мікросхем за конструктивно-технологічним виконанням поділяються на підгрупи, яким надаються такі позначення:

• для першої групи: комбіновані структури з біполярними та польовими транзисторами -0; структура на біполярних транзисторах з ізоляцією p-n-переходом чи діелектриком – 1,2; на транзисторах з інжекційною інтегрованою логікою – 3; резерв - 4÷9;

• для другої групи: структура на польових транзистора n- або p- типу – відповідно 5,6; із симетричною комплементарною структурою – 7; структури із зарядовим зв’язком – 8; резерв - 1÷4,9;

• для третьої групи (гібридні мікросхеми): товстоплівкові -1; тонко плі­в­кові – 2; комбіновані – 3; резерв - 4÷9;

• для четвертої групи: товстоплівкові – 4; тонко плівкові – 2; комбіно­вані – 3; резерв - 4÷9.

За функціональним призначенням мікросхеми поділяються на групи, яким надаються такі позначення:

• генератори – Г;

• комутатори та ключі – К;

• логічні елементи – Л;

• багатофункціональні схеми – Х;

• набори елементів – Н;

• перетворювачі сигналів – П;

• схеми джерел вторинного електроживлення – Е;

• схеми затримки – Б;

• схеми порівняння – С;

• тригери – Т;

• підсилювачі - У;

• формувачі – А;

• схеми запам’ятовуючих пристроїв – Р;

• схеми цифрових пристроїв – И;

• схеми обчислювальних засобів – В.

У кожній функціональній групі розрізняються види, наприклад:

• логічних елементів: ЛИ – елемент І; ЛН – елемент НЕ; ЛЛ – елемент ЧИ; ЛА – елемент НЕ І; ЛЕ – елемент НЕ ЧИ; ЛР – елемент НЕ І ЧИ; ЛД – роз­ширювачі; ЛП – інші;

• тригерів: ТВ – універсальні (тип JK); ТР – з роздільним записом (тип RS); ТМ – із затримкою (тип D); ТК – комбіновані; ТП – інші;

• схеми обчислювальних засобів: ВЕ – мікро-ЕОМ; ВМ – мікропроце­сори; ВС – мікропроцесорні секції; ВУ – схеми мікро програмного керування; ВБ – схеми синхронізації; ВВ – схеми інтерфейсу; ВН – часозадаючі схеми; ВП – інші.

Для характеристики матеріалу і типу корпусу за ГОСТ 174-67 перед цифровими позначеннями серії додаються такі букви:

• Р – для пластмасового корпусу типу 2;

• М – для керамічного та металокерамічного корпусу типу 2;

• Е – для метало полімерного корпусу типу 2;

• С – для скло керамічного корпусу типу 2 та інше.

Для деяких мікросхем буквені позначення типу корпусу не застосову­ють.

Присвоєння позначень мікросхемам здійснює у централізованому по­рядку головна організація із стандартизації виробів електронної техніки.

Позначення мікросхем має складатися з таких елементів:

• перший і другий елементи – дві цифри, які характеризують відповідно групу і підгрупу мікросхеми за конструктивно-технологічним вико­нанням;

• третій елемент – дві цифри, що позначають порядковий номер роз­роб­ки серії мікросхеми;

• четвертий елемент – дві букви, що характеризують відповідно групу та вид мікросхеми;

• п’ятий елемент – дві цифри, що позначають порядковий номер роз­робки мікросхеми.

Три перших елементи визначають серію мікросхеми. У разі необхідності після позначення порядкового номера розробки мікросхеми за функціональним призначенням додатково проставляються букви від А до Я, що характеризують відмінність мікросхем одного типу за електричними параметрами, Така буква під час маркування може бути замінена кольоровою міткою. Буква чи колір маркування зазначають у технічних умовах до мікросхем конкретних типів.

Приклад умовного позначення мікросхеми:

• 5704ВГ03 – напівпровідниковий програмований контролер керуван­ня динамічною пам’яттю з симетричною комплементарною структу­рою серії 5704; номер розробки серії – 04; номер розробки мікросхеми у даній серії за функціональним призначенням – 03 (рис. 11);

• 1101УД06 – напівпровідникова мікросхема серії 1101, порядковий номер розробки серії – 01, структура на біполярних транзисторах з ізо­ляцією p-n переходом, операційний підсилювач постійного струму, порядковий номер розробки мікросхеми в даній серії за функціона­ль­ним призначенням – 06.

Перед умовним позначенням мікросхеми наводиться скорочена назва держави-розробника – У (Україна). Для мікросхем із кроком 1,27 або 2,54 мм між виводами корпусу, які поставляються на експорт, на початку умовного поз­начення після літери У проставляється літера Е, наприклад:

• УЕ1217УД06 – мікросхеми серії 1217, вироблені в Україні в експор­тному виконанні (крок виводів 1,27) в пластмасовому корп­усі типу 2.