Учебник по схемотехнике ЭВМ / ch3 / lek2

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ ЛЕКЦИЯ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

Основой для построения современной вычислительной техники являются цифровые интегральные схемы (ЦИС), сложность которых принято характеризовать степенью интеграции Kи.

Kи = lg Nэл,, (2.1)

где Nэл - число элементов И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, расположенных на кристалле микросхемы.

По степени интеграции микросхемы подразделяют на:

- малые интегральные схемы (МИС) - это схемы 1...2 степени интеграции, содержащие от нескольких до 100 элементов, в состав которых входит один или несколько логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров и т.п.;

- средние интегральные схемы (CИС) - схемы 2...3 степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1000 элементов, в состав которых входят один или несколько функциональных узлов типа регистр, счетчик, дешифратор и т.п.;

- большие интегральные схемы (БИС) - это схемы 3...4 степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10000 элементов, в состав которых входит одно или несколько функциональных устройств (например, арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство, программируемая логическая матрица и др.);

- сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) - схемы 5...7 степени интеграции, представляющие собой законченные микроэлектронные изделия, способные выполнять функции аппаратуры.

По способу представления информации ИС делятся на потенциальные и импульсные. В потенциальных ИС значения “0” и “1” представляются двумя существенно различающимися уровнями электрического сигнала: высоким и низким. Чаще всего низкий потенциал принимают за “0” и обозначают U0 (UL), а высокий потенциал принимают за “1” и обозначают U1 (UH). Такое представление называется положительной логикой. При использовании отрицательной логики за “0” принимают высокий потенциал, за “0” - низкий потенциал.

В импульсных ЦИС одно из значений логического сигнала определяется наличием на выходе схемы импульсов определенной длительности и амплитуды, а другое значение - отсутствием импульсов. В положительной логике отсутствие импульсов соответствует “0”, а наличие - “1”.

Большинство типов современных ИС относится к классу потенциальных. Для характеристики потенциальных микросхем используется следующая система параметров:

- выходные напряжения низкого и высокого уровня (UOL, UOH) при заданных токах нагрузки;

- входные токи низкого и высокого уровня (IIL, IIH);

- порог переключения UTH;

- абсолютная помехоустойчивость по отношению к помехам положительной полярности UП+ и отрицательной полярности UП--;

- мощность РCC или ток ICC, потребляемые от источника питания;

- времена задержек распространения сигнала от входа до выхода

при изменении сигнала на выходе из “0” в “1” (tPLH) и из “1” в “0” (tPHL);

- времена подготовки (tSU) и удержания (th) входных сигналов относительно тактовых сигналов.

Параметры цифровых схем определяются по их статическим и переходным характеристикам. Основной статической характеристикой ИС является передаточная характеристика UO = f (UI). По типу передаточной характеристики различают инвертирующие и неинвертирующие ЦИС. Типичная передаточная характеристика инвертирующего логического элемента представлена на рис.2.1

На передаточной характеристике можно выделить три ярко выраженных участка: I - соответствует состоянию Uвых=UL; II - соответствует состоянию Uвых=UH, III - промежуточному состоянию или зона неопределенности.

Максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая логического переключения или сбоя, называется помехоустойчивость и определяется выражениями 2.2, 2.3.

UП+ = UП0 - U0 , (2.2)

UП-- = U1 - UП1 , (2.3)

где UП0, UП1 - порог переключения при изменении выходного напряжения из “1” в “0” и из “0” в “1” соответственно.

Эффективным средством повышения помехоустойчивости является получение гистерезиса на передаточной характеристике (рис.2.2).

Входная характеристика логических схем II = f(UI) служит для определения значений входных токов IIL и IIH. Выходные характеристики UOL = f(IOL), UOH = f(IOL) позволяют определить зависимость выходных напряжений низкого и высокого уровней от токов нагрузки.

Ток потребления, соответственно и мощность потребления, зависят от логического состояния микросхемы (особенно для МИС и СИС) и частоты переключения. Поэтому различают статическую мощность потребления, которая определяется согласно выражению:

P = 0,5 VCC (I0СС + I1СС) , (2.4)

где I0СС - ток потребления при Uвых = UL, I1СС - ток потребления при Uвых = UH, и динамическую мощность потребления, которая является функцией частоты переключения логического элемента.

Задержки распространения сигналов от входов до выходов микросхемы характеризуют их быстродействие и определяются с помощью переходных характеристик, которые приведены на рис.2.3.

Времена задержек распространения сигналов определяются, как промежутки времени между моментами достижения входными и выходными потенциалами порога переключения. Значения tP существенно зависят от емкости нагрузки. Для характеристики быстродействия очень часто используют величину средней задержки равной:

tP = 0,5 (tPHL + tPLH). (2.5)

В ЦИС, содержащих элементы памяти, на подачу некоторых входных сигналов накладываются определенные временные ограничения, которые принято характеризовать временами подготовки (tSU) и удержания (th). Время подготовки - это интервал до поступления тактового сигнала, в течение которого информационный сигнал должен оставаться неизменным. Время удержания - это время после поступления тактового сигнала, в течение которого информационный сигнал не должен изменяться. Необходимые времена подготовки и удержания обеспечивают правильное восприятие элементом памяти подаваемой на него входной информации. На рис. 2.4 в качестве примера показаны времена подготовки и удержания относительно положительного фронта тактового сигнала.

Понятия подготовки и удержания применимы не только к сигналам синхронизации и информационному, но распространяются и на процессы взаимодействия двух и более информационных сигналов.

Рассмотренная система параметров ЦИС полностью характеризует их электрические характеристики и, как правило, в той или иной мере указывается в справочной литературе.