II. Простейшие комбинационные

Интегральные микросхемы

Часть первая

Логические интегральные схемы

Глава 1. Основные параметры логических схем

В импульсных устройствах вычислительной техники и цифровой автоматики широко применяются интегральные микросхемы, позволяющие автоматизировать выполнение определённых операций, последовательность и порядок которых задается необходимыми функциями. В качестве простейших элементов таких устройств используются интегральные логические элементы /ИЛЭ/, которые работают по принципу ключа, но при нескольких входных сигналах.

Функциональная схема ИЛЭ включает в себя, как правило, три части:

• л огическая, предназначенная для выполнения заданной логической функции И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ (рис. 2.1, 2.2);

• у силительная;

• формирующая, обычно сочетается со второй и обеспечивает формирование выходного сигнала заданного уровня.

Все логические интегральные микросхемы можно разделить на три группы:

• ИЛЭ с передачей тока или напряжения на вход нагрузочного элемента (резистивно-ёмкостная транзисторная логика РЕТЛ, транзисторная логика с непосредственной связью на биполярных или МДП-транзисторах, логика с двойной инжекцией И²Л (инжекционным питанием, интегральная инжекционная);

• ИЛЭ с логикой на входе, – конъюнкция или дизъюнкция, с последующей передачей тока на формирующий элемент: (диодно-транзисторная логика ДТЛ, транзисторно-транзисторная логика ТТЛ, транзисторная логика с переменным порогом срабатывания ППТЛ);

• ИЛЭ с эмиттерной связью и токовым переключением (эмиттерно-связанная логика ЭСЛ).

Как и в простейших ключах на транзисторах все параметры ИЛЭ делятся на статические и динамические.

К группе статических параметров относятся:

входные токи и напряжения высокого и низкого уровней: , , , , , , , ;

• пороговые напряжения низкого и высокого уровня , . Пороговое напряжение – это такое напряжение на входе ИЛЭ, при поступлении которого на вход (входы) ИЛЭ происходит переключение состояния ИЛЭ на противоположное.

• помехоустойчивость ИЛЭ, определяемая в режиме низкого или высокого уровней выходного сигнала, связана с изменением входного напряжения по отношению к пороговому так, чтобы при этом уровень выходного сигнала , оставался неизменным.

• коэффициент разветвления по выходу К_РАЗ, определяет нагрузочную способность ИЛЭ. Он показывает, какое число аналогичных ИЛЭ может быть подключено к выходу заданного и при этом его работоспособность должна отвечать предъявляемым техническим требованиям.

• коэффициент объединения по входу К_ОБ, показывает число аналогичных ИЛЭ, которое можно подключить вместе с заданным, так чтобы его работоспособность отвечала предъявляемым техническим требованиям.

• потребляемая мощность в режиме логического нуля и логической единицы .

Большинство статических параметров можно оценить с помощью передаточной характеристики ИЛЭ по напряжению.

Передаточная характеристика, это графическая зависимость одноименных параметров напряжения или тока. Наибольшее распространение получила передаточная характеристика ИЛЭ по напряжению, то есть зависимость выходного напряжения при изменении входного (рис. 2.3).

Т очка «А» соответствует уровню выходного напряжения равного логической единице «1», точка «В» – логическому нулю «0».

К группе динамических параметров относятся, в основном, времена, характеризующие быстродействие ИЛЭ:

• время задержки при переходе ИЛЭ по выходному состоянию из низкого уровня напряжения в высокий и время задержки при переходе ИЛЭ по выходному состоянию из высокого уровня напряжения в низкий . Часто эти времена определяются по среднему уровню выходного сигнала .

• времена фронта и среза, определяемые по размаху выходного напряжения при переключении ИЛЭ – и . Обычно имеют место соотношения и , так как времена фронта и среза определяются выходным каскадом ИЛЭ, а времена задержек – всей схемой.

• работа переключения, которая находится как произведение потребляемой мощности и времени задержки. Обычно это .

Все времена переходного процесса находятся из переходных характеристик ИЛЭ, которые представлены на рис. 2.4.

Н а практике среднее время задержки определяется по методу кольцевого генератора.

Нечетное число ИЛЭ объединяются в кольцевую схему, в которой при достаточно большом числе ИЛЭ происходит самовозбуждение с периодом колебаний Т (рис. 2.5).

На одном из выходов схемы имеет место максимальная амп литуда колебаний с периодом Т. Среднее время задержки может быть найдено как , где , число ИЛЭ в схеме кольцевого генератора.

Идеальный интегральный логический элемент должен обладать максимальным быстродействием, высокой помехоустойчивостью, широкими функциональными возможностями, малой мощность рассеивания, не создавать бросков тока в источнике питания при переключении.