4.1.2 Характеристики логических элементов

Логические, схемотехнические и эксплуатационные свойства логических эле­ментов определяются совокупностью характеристик и параметров, к которым отно­сят:

• функции логических элементов;

• логические соглашения;

• коэффициенты объединения по входу и выходу;

• коэффициент разветвления;

• быстродействие;

• мощность потребления;

• работа переключения;

• входные и выходные напряжения и токи;

• статическая и динамическая помехоустойчивость;

• надежность элементов;

• допустимые величины механических воздействий, диапазоны давления и температуры окружающей среды, устойчивость к радиационным воздейст­виям;

• масса, стоимость и конструктивное оформление.

В большинстве случаев указанные характеристики и параметры относятся и к ИМС, на которых реализованы логические элементы.

Коэффициент объединения по входу N_I характеризует число логических входов логического элемента — обычно 1, 2, 3, 4 или 8 (рис.4.6).

Рисунок 4.6-Примеры значений коэффициента N_I

Коэффициент объединения по выходу N₀ характеризует допустимое количест­во соединенных между собою выходов логических элементов с целью создания но­вых функций.

Коэффициент разветвления по выходу N_p характеризует нагрузочную способ­ность логического элемента, то есть максимальное число входов идентичных схем, которое может быть одновременно подключено к выходу данного элемента без на­рушения его работоспособности (рис. 4.7).

В состав серий ИМС обычно входят эле­менты с малой нагрузочной способностью (N_р = 3...15) и с большой (N_p = 30...50).

Рисунок 4.7-Подключение нагрузки: а)- N_p=3 б) N_p=4

Приняты следующие определения и буквенные обозначения электрических па­раметров цифровых микросхем (ДСТУ 2883-94):

• входные U_I, и выходные U_O уровни напряжений (индексы — от английских слов Input и Output);

• входные напряжения низкого U_IL и высокого U_IH уровней; для них устанав­ливаются максимальное значение низкого уровня U_{IL max} и минимальное значение высокого уровня U_IHmin (рис. 4.8);

• выходные напряжения низкого U_0l и высокого U_oh уровней; для них уста­новлены максимальное значение низкого уровня U_0lmax и минимальное значение высокого уровня U_IHmin ;

• входной I₁ и выходной I₀ токи;

• входной ток I_IL — при низком уровне напряжения на входе, I_1H — при высо­ком;

• выходной ток I_OL — при низкому уровне напряжения на входе, а I_0H — при высоком;

• U_cc — значение напряжения источника питания;

• I_cc — ток, потребляемый ИМС от источника питания;

• Рсс — мощность, потребляемая ИМС от источника питания;

• входные пороговые напряжения, при которых происходит переключение элемента: U_TIH — наименьшее значение для высокого уровня и U_TIL — наи­большее значение для низкого уровня.

Входной Выходной

Рисунок 4.8-Обозначение уровней напряжения

Основные параметры логических элементов определяют с помощью входной, выходной и передаточной характеристик. Типовые графики этих характеристик для инвертирующих элементов транзисторно-транзисторной логики представлены на рис. 4.9.

Входная характеристика логического элемента I_I = f(U_I) — это зависимость входного тока от изменения входного напряжения.

Токи, втекающие в схему элемен­та, считаются положительными, а вытекающие — отрицательными (рис.4.9,а).

Из этой характеристики определяют входные токи I_IL для напряжения U_{IL max} и токи I_IH для напряжения U_IHmin.

Выходная характеристика логического элемента U_O = f(Io) определяет за­висимость выходного напряжения от тока нагрузки для состояний высокого и низкого уровней (рис. 4.9, б). Из этой характеристики определяют допустимые значения то­ков: +I_0L — при низком уровне выходного напряжения U_{OL max} и -I_0Н — при высоком уровне напряжения U_OHmin (рис. 4.9, б).

Рисунок 4.9-Характеристики логического ТТЛ-элемента:

а)-входная, б)-выходная, в)-передаточная

Передаточная характеристика U₀ – f(U_I) — это зависимость выходного на­пряжения от входного (рис. 4.9, в).

Из этой характеристики определяют значение помехоустойчивости для низкого уровня на входе M_L (отпирающая помеха) и для высокого уровня на входе М_H (запирающая помеха):

M_L = U_TIL - U_ILmax, М_H = U_{IH min} - U_TIH-

Средняя мощность Р*_CC. потребляемая элементом от источника питания вы­числяется по формуле

Р^* cc ⁼ U_CC (I_CCL + I_cch) / 2 = Ucc I*cc

где I_CCL и I_cch — токи потребления при низком и высоком уровнях напряжения на вы­ходе соответственно;

I*cc — средний ток потребления.

Современные элементы по­требляют мощность от микроватт до десятков милливатт.

Потенциальные сигналы характеризуются значением логического перепада (амплитудой) U_m = U_H - U_L и длительностью положительного t_WH и отрицательного t_WL перепадов (рис. 4.10).

Перепады напряжений часто называют положительными и отрицательными импульсами.

Рисунок 4.10-Измерение параметров сигнала:

а)-амплитуды, б, в)-длительности перепада

Для измерения временных параметров сигнала устанавливают условные уров­ни в долях амплитуды — 0,1; 0,5 и 0,9.

Быстродействие микросхем определяют по значениям следующих длительно­стей:

• фронта t_LH и спада t_HL (рис. 4.11, а);

• собственно включения t_THL и выключения t_TLH (рис.4.11,б); и их задержки соответственно t_DHL и t_DLH;

• задержек распространения сигнала при включении t_PHL и выключении t_PLH (рис.4.11,в).

Рисунок 4.11- Измерение временных параметров сигналов:

а)-фронта и спада, б)-времени включения и выключения, в)-времени задержек распространения сигнала при включении t_PHL и выключении t_TLH

Надежность ИМС характеризуется тремя взаимозависимыми показателями:

• интенсивностью отказов = n/ (mt),

где n — число отказов за время испы­тания, час;

m — общее количество испытуемых микросхем;

• наработкой на отказ Т = 1/

• возможностью безотказной работы на протяжении заданного интервала времени

Р = ехр(- ).

Для современных ИМС интенсивность отказов = (10^-7 ... 10^-8). Приняв, что = 10^-8, t = 15000, получим значение вероятности безотказной работы P(t) = 0,998 или 99,8%.

По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы подразделяются на пять групп, которым присвоены следующие обозначения (ДСТУ 3212-95):

• полупроводниковым на биполярных транзисторах — 1, 6;

• полупроводниковым на полевых транзисторах — 5, 7;

• гибридным — 2, 4;

• другим (пленочным, вакуумным, керамическим и т.д.) — 3;

• резервным — 0, 8, 9.

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на группы, ко­торым присваиваются следующие обозначения:

• генераторы — Г;

• коммутаторы и ключи — К;

• логические элементы — Л;

• многофункциональные схемы — X;

• наборы элементов — Н;

• преобразователи сигналов — П;

• схемы источников вторичного электропитания — Е;

• схемы задержки — Б;

• схемы сравнения — С;

• триггеры — Т;

• усилители — У;

• формирователи—А;

• схемы запоминающих устройств — Р;

• схемы цифровых устройств — И;

• схемы вычислительных средств — В.

В каждой функциональной группе различают виды, например:

• логических элементов:

ЛИ — элемент И;

ЛН — элемент НЕ;

ЛЛ — элемент ИЛИ;

ЛА — элемент НЕ-И;

ЛЕ — элемент НЕ-ИЛИ;

ЛР — элемент НЕ-И-ИЛИ;

ЛД — расширители;

ЛП — прочие;

• триггеров:

ТВ — универсальные (тип JK);

ТР — с раздельной записью (тип RS);

ТМ — с задержкой (тип D);

ТК — комбинированные;

ТП — прочие;

• схем вычислительных средств:

BE — микро-ЭВМ;

ВМ — микропроцессоры;

ВС — микропроцессорные секции;

ВУ — схемы микропрограммного управ­ления;

ВБ — схемы синхронизации;

ВВ — схемы интерфейса;

ВН — времязадающие схемы;

ВП — прочие.

Для характеристики материала и типа корпуса по ГОСТ 174-67 перед цифро­вым обозначением серии добавляются следующие буквы;

Р — для пластмассового корпуса типа 2;

М — для керамического, металлокерамического корпуса типа 2;

Е — для металлополимерного корпуса типа 2;

С — для стеклокерамического корпуса типа 2 и др.

Для некоторых микросхем буквенные обозначения типа корпуса не применяют.

Присвоение обозначений микросхемам осуществляет в Централизованном по­рядке главная организация по стандартизации изделий электронной техники.

Обозначение микросхемы должно состоять из следующих элементов:

• первый и второй элементы — две цифры, характеризующие соответственно группу и подгруппу микросхемы по конструктивно-технологическому испол­нению;

• третий элемент — две цифры, обозначающие порядковый номер разработ­ки серии микросхем;

• четвертый элемент — две буквы, характеризующие соответственно группу и вид микросхемы;

• пятый элемент — две цифры, обозначающие порядковый номер разработки микросхемы.

Три первых элемента определяют серию микросхем. В случае необходимости после обозначения порядкового номера разработки микросхемы по функциональ­ному назначению дополнительно проставляются буквы от А до Я, характеризующие отличие микросхем одного типа по электрическим параметрам. Такая буква во вре­мя маркировки может быть заменена цветной точкой. Буква или цвет маркировочной точки указываются в технических условиях микросхем конкретных типов.

Примеры условного обозначения микросхем:

• 5704ВГ03 — полупроводниковый программируемый контроллер управления динамической памятью с симметричной комплементарной структурой серии 5704; номер разработки серии — 04, номер разработки микросхемы в дан­ной серии по функциональному назначению — 03 (рис. 1.31);

• 1101УД06 — полупроводниковая микросхема серии 1101, порядковый но­мер разработки серии — 01, структура на биполярных транзисторах с изо­ляцией р-п переходом, операционный усилитель постоянного тока, поряд­ковый номер разработки микросхемы в данной серии по функциональному назначению — 06.

Рисунок 4.12- Структура условного обозначения микросхемы 5704ВГ03

Перед условным обозначением микросхем указывается сокращенное название государства-разработчика — У (Украина).

Для микросхем с шагом 1,27 или 2,54 мм между выводами корпуса, которые поставляются на экспорт, вначале условного обозначения после буквы У проставляется буква Е, например:

• УЕ1217УД06 — микросхемы серии 1217, выпущенные в Украине в экспорт­ном исполнении (шаг выводов 1,27 или 2,54 мм) в пластмассовом корпусе типа 2. В ранее принятых обозначениях ИМС широкого применения вначале ставили букву К.

Примечание

Условные обозначения ИМС, которые выпускались до 1991 года в СССР, ус­танавливались по ОСТ 11073.915-80. В соответствии с отраслевым стандартом, условное обозначение микросхем состояло из четырех цифро-буквенных элемен­тов.

Первый элемент — цифра, которая обозначает конструктивно-технологическую группу: полупроводниковых — 1, 5, 6, 7; гибридных — 2, 4 8; прочих (пленочных, керамических) — 3.

Второй элемент, состоящий из двух или трех цифр, обозначает порядковый номер серии.

Третий двухбуквенный элемент определяет функциональное назначение ИМС: первая буква — подгруппу; вторая — вид в подгруппе, что совпадает с ДСТУ 3212-95.

Четвертый элемент — это порядковый номер разработки ИМС данного типа в серии. Первый и второй элементы вместе обозначают серию ИМС, перед кото­рой могут проставляться буквы, характеризующие тип корпуса.

В дальнейшем условные обозначения ИМС выбираются по отраслевому стандарту. Для ИМС коммерческого назначения условное обозначение начинает­ся с буквы К, а в экспортном варианте — с букв ЭК.

Пример условного обозначе­ния D-триггера ТТЛШ серии КР1333ТМ2 представлен на рис. 4.13

Рисунок 4.13-Пример условного обозначения ИМС по ОСТ 11073.915-80

Корпусы микросхем состоят из трех основных частей:

• кристалла,

• корпуса для защиты кристалла от климатических воздействий и для удобства монтажа,

• проводников для электрической связи кристалла и выводов корпуса.

Имеется четы­ре основных конструктивно-технологических варианта корпусов (рис. 4.14):

• пласт­массовый,

• металлокерамический,

• металлостеклянный

• керамический.

Рисунок 4.14- Конструкции корпусов ИМС:

1-кристалл ИМС; 2-проволочные проводники; 3-кристаллодержатель; 4-выводы; 5-припой; 6-крышка корпуса; 7-стекло; 8-монтажная площадка; 9-основание корпуса.