2.2 Класифікація цифрових елементів

Цифровим інтегральним мікросхемам, які є основою елементної бази сучасної ЦТ, властива різноманітність за багатьма ознаками - технологією виготовлення, логікою роботи, будовою електричної схеми, ступенем інтеграції, областю застосування тощо. Проте, незважаючи на таке різноманіття цифрові мікросхеми мають деякі спільні властивості, характеристики та параметри, за якими їх виділяють в окремі групи чи серії.

Елементи ЦТ – це найменші функціональні частини будь-якого цифрового пристрою або системи.

За функціональним призначенням цифрові елементи можна розподілити на логічні елементи (ЛЕ), запам’ятовувачі та допоміжні.

Логічні елементи (ЛЕ) це елементарні комбінаційні пристрої /КП/ з одним виходом, що реалізують, як правило, одну логічну функцію за законами бульової алгебри і характеризуються функціональною повнотою, тобто можуть бути логічним базисом.

Запам’ятовувачі - це елементарні комірки пам’яті однобітної інформації (0 або 1), які можна скласти з ЛЕ.

ЛЕ та запам’ятовувачі утворюють групу цифрових елементів загального призначення - універсальних елементів, на основі яких можна будувати (синтезувати) цифрові пристрої довільного призначення.

ЛЕ загального призначення виготовляють в основному як МІС. Це забезпечує максимальну гнучкість та ефективність при проектуванні на їх основі різних нестандартних і не досить складних функціональних вузлів. До ЛЕ загального призначення належать і такі, що мають розширені логічні та функціональні можливості, тристанові драйвери, ЛЕ з відкритим електродом (колектором або емітером) тощо.

Допоміжні елементи, або елементи спеціального призначення, використовуються в основному для перетворення електричних сигналів в цифрові або навпаки, а також для формування, комутування, індикації, спряження чи узгодження логічних рівнів тощо. Вони практично повністю входять до цифрових пристроїв першої групи – комбінаційних пристроїв, (не враховуючи систем ЦАП і АЦП). Отже, до них належать спеціальні елементи спряження - інтерфейсні мікросхеми, узгоджувачі рівнів сигналів мікросхем різних технологій, приймачі-передавачі як формувачі двійкових сигналів на лініях зв’язку різних типів, елементи цифрової індикації тощо.

Цифрові елементи та пристрої розрізняють також за способом введення та виведення кодових слів , а саме: послідовної, паралельної та змішаної дії.

2.3Основні характеристики та параметри цифрових мікросхем

До основних характеристик мікросхем ЛЕ, за якими визначаються їх параметри, належать статична, динамічна та навантажувальна. Простіші цифрові елементи характеризуються швидкодією , навантажувальною здатністю (коефіцієнтом розгалуження по виходу) , коефіцієнтом об’єднання по входу (числом входів логічного елемента) , завадостійкістю , споживаною потужністю P_cep, напругою живлення U і рівнем сигналу.

Розглянемо ці характеристики разом з параметрами ЛЕ, які з них випливають.

Швидкодія – один із найважливіших параметрів, що характеризується середнім часом затримки розповсюдження сигналу , де і – затримка включення і виключення схеми.

С

Рис. 2.4 Передавальна характеристика інвертора

татична, або передавальна, характеристика мікросхем ЛЕ - це залежність вихідної напруги (потенціалу) від вхідної напруги на одному з входів ( ) при незмінних рівнях напруги на інших входах ЛЕ.

На рис. 2.2 зображена типова передавальна характеристика інвертора, на якій можна розрізнити три ділянки: 1 - відповідає стану ; 2 - проміжному логічному стану (перепаду) в якому мікросхема знаходиться в активному режимі роботи; 3 – стану . Зі сторони входу на передавальній характеристиці мікросхеми ЛЕ також можна виділити пороги перемикання для лог.0 і для лог.1 та область між ними - зону логічної невизначеності .

За передавальною характеристикою мікросхем ЛЕ визначаються такі основні статичні параметри, як рівні напруг , напруги логічного перепаду , порогова напруга і параметри, що належать до завадостійкості.

Завадостійкість (або допустима амплітуда завади) - це максимально допустима величина потенційної завади, яка при появі на вході мікросхеми не викликає хибного перемикання (збою), тобто небажаного переходу цієї мікросхеми із стану 0 у стан 1 або навпаки. Розрізняють статичну (довготривалу) та динамічну (короткотривалу) завади. У довідниках наводяться дані лише статичної завадостійкості.

Статична завадостійкість ЛЕ вища за динамічну, бо на неї під час перехідного процесу паразитні ємності впливають менше, ніж при короткочасних завадах. Динамічну заваду важче виміряти, оскільки вона залежить більше не від типу мікросхеми, а від зовнішніх факторів.

До статичних характеристик мікросхем ЛЕ належать також вхідна характеристика ЛЕ - , за допомогою якої визначають вхідні струми: , який витікає із схеми при , і , який тече у схему при , а також вихідні характеристики ЛЕ - і де і - струм, що тече у схему, і струм, що витікає із схеми, залежно від числа ЛЕ, що навантажують даний ЛЕ:

; ( 2.0 )

Стабільність режимів роботи ЛЕ залежить від енергетичних параметрів - потужності і струму споживання. Середня потужність споживання одного ЛЕ при статичному режимі роботи

( 2.0 )

де і - потужності і струми, які споживані мікросхемою відповідно при і - напруга живлення мікросхеми.

При збільшенні частоти перемикання в мікросхемах ЛЕ, як правило, зростає струм споживання . Внаслідок цього мікросхема споживає додаткову динамічну потужність , що прямо пропорційна частоті перемикання. Отже, повна середня потужність ; значення її можна знайти у довідниках для конкретної максимальної частоти перемикання.

До статичних характеристик мікросхем ЛЕ належить також коефіцієнт об’єднання входів що визначає максимальне число входів ЛЕ і тим самим число незалежних вхідних змінних . Розрізняють входів І та входів АБО Із збільшенням розширюються логічні та функціональні можливості ЛЕ. Але при цьому, як правило, погіршуються такі параметри ЛЕ, як швидкодія та завадостійкість. В окремих серіях мікросхем передбачені спеціальні входи для вмикання так званих логічних розширювачів, що забезпечують збільшення . В існуючих серіях звичайні мікросхеми ЛЕ мають . За допомогою розширювачів у цих ЛЕ можна збільшити до 10 і більше.

Навантажувальна здатність - це параметр мікросхеми ЛЕ, який залежно від схемотехнічних особливостей може характеризуватись або значенням вихідних струмів і або так званим коефіцієнтом розгалуження виходу, або за значенням ємності навантаження, тобто сумарною ємністю зовнішніх кіл, що ввімкнених до виходу мікросхеми.

Коефіцієнт розгалуження виходу або коефіцієнт навантаження, дорівнює максимальному числу входів аналогічних ЛЕ, які можна ввімкнути одночасно до виходу даної мікросхеми при збереженні її основних параметрів. Для різних типів (серій) мікросхем може дорівнювати від одиниці до кількох десятків. Для мікросхем, наприклад ТТЛ різних серій, =5...20. Типове значення =10. Спеціальні ЛЕ з потужним виходом мають 30

Чим більший тим ширші логічні можливості мікросхеми і тим менше число ЛЕ потрібно для побудови складного цифрового пристрою. Однак збільшення обмежене, бо при зростанні навантаження погіршуються такі важливі параметри, як статична завадостійкість та середній час затримки сигналу. У деяких довідниках крім наводяться значення максимально припустимого вихідного струму та максимально припустимої ємності навантаження, які треба знати стикуванні (спряженні) ЛЕ різних серій.

Розглянуті параметри залежать від значення напруги живлення мікросхеми ЛЕ. У довідниках для кожної серії мікросхем наводиться номінальне значення Е та його допустимий розкид. Заниження Е хоч і зменшує споживану потужність , проте при цьому завжди погіршуються завадостійкість, навантажувальна здатність та швидкодія мікросхеми. Перевищення Е призводить до перегрівання мікросхеми, а отже, до дрейфу статичної характеристики мікросхеми (зсуву кривої вправо уверх згідно з рис. 2.2). Вихід з робочого діапазону температур , який можна знайти в довідниках, призводить до порушення практично всіх параметрів мікросхеми.

До другорядних параметрів мікросхем ЛЕ належать кількість напруг живлення та їх полярності; у тих випадках, коли при розробці цифрового пристрою швидкодія та споживана потужність не є найважливішими, при виборі серії основну роль відіграє вартість мікросхеми.