1. Цифровые сигналы. Характеристики и параметры логических элементов.
Под цифровым сигналом понимается дискретный сигнал, квантованный по амплитуде. Звуковые и видеосигналы, передаваемые по кабелю или с помощью радиоволн, воспринимают «шум», который потом нельзя отделить от полезного сигнала. Если же передаваемый сигнал преобразовать в ряд чисел, определяющих его амплитуду в последовательные моменты времени, а затем эти числа передавать в виде цифровых сигналов, то аналоговый сигнал, восстановленный на приемной стороне (с помощью ЦАП), не будет содержать ошибок. Этот метод, известный под названием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), особенно эффективен в том случае, когда сигнал должен проходить через ряд ретрансляторов, как, например, при межконтинентальной телефонной связи. Это связано с тем, что восстановление цифрового сигнала в каждом пункте ретрансляции гарантирует помехоустойчивую передачу. С помощью ИКМ космические зонды передают на землю данные и изображения.
На диаграмме-"столбике", соответствующем входу, имеется три части. Нижняя часть показывает диапазон входного сигнала, который воспринимается как низкий логический уровень. В случае с ТТЛ-логикой с напряжением питания 5 В, этот диапазон будет соответствовать значению напряжения от 0 В до 0.8 В. Средняя часть показывает диапазон входного напряжения, в котором уровень сигнала не воспринимается гарантированно как низкий или высокий. Верхняя часть соответствует входному сигналу, который воспринимается как высокий логический уровень. В случае 5-вольтовой ТТЛ-логики, этот сигнал будет иметь напряжение от 2 до 5 В.
Входные пороги обычной КМОП-логики, определяются как 0.3UПИТ и 0.7UПИТ.·Однако большинство изготовленных по технологии КМОП логических микросхем, которые используются сегодня, совместимы по логическим порогам с микросхемами ТТЛ и LVTTL; эти пороги также доминируют среди стандартов для цифровых схем, работающих при напряжении питания 3.3 В и 5 В.
18.2. Характеристики и параметры логических элементов
В настоящее время при разработке интегральных схем (ИС) наибольшее распространение получили следующие типы логических элементов:
– транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
– транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);
– эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
– интегрально-инжекторная логика (И2Л);
– логика на комплементарных полевых транзисторах (КМОП).
Самыми распространёнными на сегодняшний день являются ИС, реализующие ТТЛ и её разновидности. Интегральные схемы данного типа обладают средним быстродействием и средней потребляемой мощностью.
Потенциальный способ представления логического «0» и логической «1» при положительной логике :
а – инвертор:
;
б - повторитель:
;
в – логическое
сложение (ИЛИ):
;
г – инверсия суммы
(ИЛИ-НЕ):
;
д – логическое
умножение (И):
;
е – инверсия
произведения (И-НЕ):
ж – сложение по
модулю 2 (исключающее ИЛИ, неравнозначность):
;
з –
.
-
уровень логического «0»;
-
уровень логической «1»;
.
Динамические характеристики ЛЭ:
Время задержки ЛЭ зависит от времени задержки переднего tЗ1 и заднего tЗ2 фронтов и определяется из выражения tЗ = (tЗ1+ tЗ2).
Нагрузочная способность ЛЭ характеризует его способность получать сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для численной характеристики нагрузочной способности ЛЭ используются два коэффициента:
1. n – коэффициент разветвления – характеризует количество выходов для элементов данной серии, которые могут быть подключены к одному выходу. Для ТТЛ n=10. Нагрузочная способность элемента характеризуется его выходным сопротивлением RВЫХ.
2. m – коэффициент объединения – характеризуется количеством входов данного логического элемента (от двух и более).
Различают следующие статические характеристики ПЛЭ:
1. IВХ = f(UВХ) – входная характеристика элемента, характеризующаяся входным сопротивлением логического элемента. Сопротивление RВХ различно при подаче низкого и высокого уровней сигнала обычно при высоком уровне сигнала RВХ больше.
2. UВЫХ = f(IВЫХ) – нагрузочная (выходная) характеристика. Её угол наклона определяется выходным сопротивлением ЛЭ.
3. UВЫХ = f(UВХ) – переходная характеристика, или амплитудная передаточная характеристика
Логическая «1» соответствует уровням от E1МИН до .
Логический «0» соответствует уровням от до E0МАКС.
Участок АВ
– соответствует зоне отсечки ключа, CD
– насыщению, ВС
– переходная область (активный режим,
).
Чем круче участок ВС,
тем выше качество ЛЭ.
Пороговый уровень нуля на входе UП0 характеризует максимально возможный входной сигнал (UВХ>UП0), а пороговый уровень «1» – UП1 характеризует минимальный входной сигнал (UВХ>UП1).
Термин помехоустойчивость используется для обозначения максимального уровня помехи, которая, будучи добавлена к логическому сигналу при самых неблагоприятных условиях, не будет еще приводить к ошибочной работе схемы.
Помехоустойчивость ЛЭ при передаче «0» на входе ΔUП0 определяется выражением с учётом наихудшего случая: ΔUП0=UП0–E0МАКС, где E0МАКС – максимальный уровень «0» элементов данной серии
Помехоустойчивость ЛЭ при передаче «1» определяется аналогично: ΔUП1 = E1МИН – UП1.
Помехоустойчивость ЛЭ определяет максимально возможное значение аддитивной помехи на входе ЛЭ, которое не приводит к переключению элемента в другое состояние (или неопределённое). Помехоустойчивости ΔUП0 и ΔUП1 различны, имеют значения порядка от долей до 1В для ТТЛ ЛЭ.
Быстродействие ЛЭ серий ИС ТТЛ в основном определяется инерционными свойствами применяемых биполярных транзисторов и нагрузки. Инерционность, обусловленная параметрами нагрузки, зависит от конкретной схемы и конструктивного выполнения логического устройства. Инерционность, связанная с собственно частотными свойствами ЛЭ, может быть уменьшена изменением схемотехники и режимов работы самого элемента.