1.4. Характеристики логических элементов

Рис. 3. Элемент ИЛИ-НЕ типа РТЛ

Свойства схемы, реализующей логический элемент, оцениваются рядом характеристик, основными из которых являются статическая характеристика передачи и быстродействие. Статическая характеристика передачи представляет собой зависимость напряжения на выходе элемента u₂ от напряжения u₁ на одном из его входов: u₂ = f(u₁). При этом напряжение на других входах поддерживается постоянным и соответствующим логическому нулю для схем ИЛИ и ИЛИ-НЕ и логической единице для схем И и И-НЕ. При снятии статической характеристики напряжение u₁ должно меняться достаточно медленно, чтобы переходными процессами в элементе можно было пренебречь. На рисунке 5 показана характеристика передачи активного логического элемента, работающего с инвертированием сигнала. Здесь же показаны основные параметры характеристики передачи: уровни выходного напряжения U₀ и U₁, соответствующие логическим нулю и единице, логический перепад U_л = U₁ – U₀, пороговые уровни входного напряжения U_0пор и U_1пор и ширина активной области U_пор = U_1пор – U_0пор. Отношение U_л/U_пор имеет смысл среднего коэффициента передачи в активной области.

Очевидно, для нормальной работы логических элементов должны выполняться условия U₀ < U_0пор и U₁ > U_1пор, а для снижения чувствительности элемента к шумам и помехам ширина активной области U_пор должна быть существенно меньше логического перепада U_л.

Рис. 6. Определение инерционности логического элемента

Любой логический элемент осуществляет логическую операцию за конечное время, обусловленное инерционностью электронных компонентов, из которых состоит элемент. Различают время задержки при включении элемента (из состояния логического нуля в состояние логической единицы) ₀₁ и при его выключении ₁₀. Общей характеристикой быстродействия элемента является среднее время задержки t_з = (₀₁ + ₁₀)/2. На рисунке 6 показана реакция инвертирующего элемента на последовательную смену состояний на входе с учетом задержек, которые обычно определяются на уровне напряжения (U₁ – U₀)/2.

Рис. 5. Статическая характеристика передачи инвертирующего элемента

Еще одной характеристикой логического элемента является средняя потребляемая мощность P, которая определяется как полусумма мощностей, потребляемых при высоком и низком уровне на его выходе, то есть P = (P₁ + P₀)/2. Произведение средней потребляемой мощности на среднее время задержки дает работу переключения элемента A = Pt_з, которая постоянна в определенном диапазоне напряжений питания. Ясно, что чем меньше работа переключения, тем выше качество элемента.

Взаимодействие однотипных логических элементов между собой описывается коэффициентом разветвления по выходу K, который равен количеству элементов того же типа, которые можно подключить к выходу данного логического элемента. Значения K для элементов различной структуры лежат в диапазоне от 3 до 300.

2. Описание экспериментальной установки

Лабораторный макет, схема которого приведена на рисунке 7, позволяет исследовать характеристики элементов НЕ, ИЛИ-НЕ или И-НЕ. Макет имеет два встроенных генератора: генератор гармонического сигнала с частотой 1 кГц, который используется для получения статической характеристики передачи, и генератор импульсного сигнала с частотой 10 кГц для определения среднего времени задержки логического элемента. Кроме макета, в состав лабораторной установки входят: осциллограф, цифровой вольтметр и соединительные провода.