9.16. Параметры цифровых ис

Логические и схемотехнические возможности базовых функциональных элементов определяются совокупностью электрических и функциональных параметров, которые являются основными для микросхем.

Основные параметры цифровых ИМС определяют допустимые сочетания схем в устройстве и в обобщенном виде характеризуют работоспособность этих схем в сложных устройствах. Основные параметры цифровых ИМС, число которых одинаково для всех типов микросхем, определяются по измеряемым электрическим параметрам (входным и выходным токам и напряжениям), число которых зависит от типа микросхемы. Поэтому основные параметры являются общими для всех существующих и возможных логических ИМС и позволяют сравнивать между собой микросхемы различных типов. Основными параметрами являются:

– реализуемая логическая функция;

– быстродействие;

– коэффициент объединения по входу;

– коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность);

– помехоустойчивость;

– потребляемая мощность;

– устойчивость против внешних воздействий;

– степень интеграции, надежность.

Быстродействие ИС определяется средним временем задержки сигнала. Среднее время задержки определяет время прохождения сигнала через одну микросхему в устройстве. При определении средней задержки в качестве границ временных интервалов обычно берут точки на фронтах, соответствующие половине перепада напряжения, или точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 этого перепада (рис. 9.28).

Если цепь состоит из N последовательно включенных однотипных логических ИМС, то время прохождения сигнала по цепи

, (одной ИС) (9.31)

тогда

и зависит от режима работы транзистора в микросхеме и потребляемой мощности.

По среднему времени задержки ИС делятся на:

– сверхбыстродействующие t_зд ср < 5 нс;

– быстродействующие 10 нс > t_зд ср > 5 нс;

– среднего быстродействия 100 нс > t_зд ср > 0 нс;

– низкого быстродействия t_зд ср > 100 нс.

Схемы ТТЛ-типа относятся к схемам среднего быстродействия 50 нс > t_зд ср > 5 нс. Наибольшее быстродействие имеют транзисторные логические схемы с эмиттерными связями (ЭСЛ) t_зд ср = 1…10 нс.

Коэффициент объединения по входу m – это максимальное число входов, которое может иметь логический элемент. С увеличением коэффициента объединения по входу расширяются логические возможности микросхемы за счет выполнения функции с большим числом элементов на одном типовом элементе. Увеличение коэффициента объединения по входу ухудшает другие параметры микросхемы: быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность. Чаще всего коэффициент объединения по входу не превышает 8, что определяется ограниченным числом выводов ИС. Для увеличения m в ИМС вводят специальную схему (логический расширитель), подключение которой к основному элементу позволяет увеличить m до 10 и более.

Коэффициент разветвления по выходу n – нагрузочная способность, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше n, тем шире логические возможности микросхемы и тем меньшее число микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако увеличение n, т.е. увеличение числа нагрузок, ухудшает помехоустойчивость и быстродействие.

Нагрузочная способность ИС в значительной степени определяется типом применяемого в них инвертора. Для простейшего инвертора, состоящего из одного транзистора n = 2…4, для сложных n = 10…20.

В схемах на основе МДП-транзисторов входы последующих схем в статическом режиме практически не нагружают выходов предыдущих. Это дает возможность иметь очень большой коэффициент разветвления по выходу. Однако в динамическом режиме емкости присоединенных входов затягивают переходной процесс и увеличивают ток, потребляемый данной схемой.

Помехоустойчивость U_п макс – наибольшее значение напряжения на входе микросхемы, при котором еще не происходит изменение уровней выходного напряжения. Помехоустойчивость определяет работоспособность логического элемента при наличии различных помех, действующих на входе ИМС наряду с полезным сигналом. Помехи могут возникать как в самих логических схемах, так и наводиться от посторонних устройств.

Помехи бывают статические и динамические. Под статическими понимают помехи, длительность которых значительно превосходит длительность переходных процессов в логических элементах. К импульсной (динамической) помехе относятся коротковременные импульсы, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов в логических элементах.

Статическая помехоустойчивость – это наименьшее постоянное напряжение, которое будучи добавлено (при самом неблагоприятном сочетании обстоятельств) к полезному входному сигналу смещает рабочую точку на передаточной характеристике в область переключения, что вызывает ложное срабатывание по всей последующей цепи логических схем. Логическая ИМС в статическом режиме может находиться в одном из двух состояний – открытом или закрытом. Поэтому различают помехоустойчивости закрытой схемы по отношению к отпирающим помехам и открытой схемы по отношению к запирающим помехам.

Причиной появления статических помех в большинстве случаев является падение напряжения на проводниках, соединяющих микросхемы в устройстве. Наиболее опасные помехи возникают в шинах питания. Для исключения подобных ситуаций необходимо внимательно относиться к расположению проводников, подводящих напряжения питания, увеличивать по возможности их сечение.

По статической помехоустойчивости логические элементы условно можно разделить на элементы:

– с низкой помехоустойчивостью U_п ст = 0,2…0,4 В;

– со средней помехоустойчивостью U_п ст = 0,4…0,8 В;

– с высокой помехоустойчивостью U_п ст > 0,8 В.

Импульсная помехоустойчивость всегда выше статической. Это вызвано тем, что при коротком импульсе помехи паразитные емкости в логическом элементе не успевают перезарядиться до пороговых уровней переключения ИМС. Поэтому при одинаковой статической помехоустойчивости схемы с меньшим временем задержки сильнее подвержены действию импульсных помех.

Потребляемая мощность. Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания, определяется выражением

, (9.32)

где U_ипj – напряжение j-го источника питания;

I_j – ток в соответствующем выводе схемы.

Потребляемая схемой мощность в любой момент времени не является постоянной, а зависит от логического состояния и типа логического элемента и изменяется при переключении схемы. Поэтому в качестве основного параметра используют не мгновенное, а среднее значение мощности, потребляемой микросхемой за достаточно большой промежуток времени

(9.33)

где P₀ и P₁ – мощности, потребляемые схемой в состоянии логического нуля "включено" и в состоянии логической единицы "выключено".

Такое определение справедливо, когда мощность, потребляемая схемой во время переходных процессов, значительно меньше мощности, потребляемой в одном из статических состояний. В противном случае микросхема характеризуется еще и средним значением мощности, потребляемой при максимальной частоте переключения элемента. По потребляемой мощности ИМС делятся на:

– мощные 25 мВт  P_ср  250 мВт (ЭСЛ-схемы);

– средней мощности 3 мВт  P_ср  25 мВт (ТТЛ-схемы);

– маломощные 0,3 мВт < P_ср < 3 мВт;

– микромощные 1 мВт  P_ср < 300 мкВт (КМДП-схемы);

– нановатные P_ср < 1 мкВт (И²Л).

Потребляемая мощность зависит от напряжения источника питания U_ип. При снижении U_ип уменьшается потребляемая мощность, ухудшается помехоустойчивость, нагрузочная способность, а иногда и быстродействие. В связи с этим U_ип выбирается с учетом требований, предъявляемых ко всем параметрам ИМС. Напряжение U_ип должно соответствовать одному из значений стандартного ряда напряжений питания: 1,2; 1,6; 2,0; 2,4, 3,0; 4,0; 5,0; 6,3; 9,0; 12,6 В. Для цифровых микросхем на биполярных транзисторах типовые значения U_ип составляют 2…5 В, для схем на МДП-транзисторах 5…9 В.

Помимо номинального значения U_ип определяется допустимое отклонение питания _п=U_ип/U_ип. Для цифровых устройств _n = 0,05…0,1, так как при более низких значениях существенно повышаются требования к источникам питания.

Цифровые ИМС, потребляющие большую мощность, характеризуются наибольшим быстродействием и применяются для создания быстродействующих вычислительных устройств. В вычислительных устройствах, для которых быстродействие не является определяющим параметром, применяются маломощные и микромощные схемы.

Для оценки мощности, потребляемой схемой во время переключения, используется интегральный параметр, называемый энергией переключения. Он определяется как произведение потребляемой мощности P_ср на время задержки _зд: P_ср_зд. Работа, затрачиваемая на выполнение единичного переключения, называется энергией переключения.

Снижение потребляемой мощности ИМС при сохранении высокого быстродействия является одной из важных проблем микроэлектроники. В настоящее время наметились два пути снижения потребляемой мощности:

– создание логических элементов, работающих при минимально допустимых токах и напряжениях;

– создание логических элементов, потребляющих энергию только при переключениях и практически не потребляющих ее в статических состояниях.

Надежность интегральных логических элементов определяет их свойство выполнять заданные функции при сохранении эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки на отказ. Надежность интегральных логических элементов характеризуется интенсивностью отказов соединений между контактными площадками на кристалле и выводами корпуса в единицу времени. Надежность ИМС в нормальных условиях эксплуатации значительно выше надежности аналогичных схем на дискретных элементах. Надежность ИМС сильно зависит от температурных изменений электрических параметров транзисторов, диодов, резисторов, входящих в ИМС. Поэтому для ИМС всегда задается диапазон рабочих температур, в котором значения параметров не выходят за принятые значения.