Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Основные характеристики и параметры логических элементов
Основной статической характеристикой ЛЭ является передаточная характеристика –зависимость выходного напряжения Uвых от напряжения на одном из входов при постоянных напряжениях на остальных входах, равных U 0 или U 1в зависимости от типа ЛЭ. По виду передаточной характеристики различают инвертирующие и неинвертирующие ЛЭ. На выходе первых (НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) получают инверсные по отношению к входным логические сигналы, на выходах вторых (И, ИЛИ и др.) – прямые.
характеристики, тем выше квантовая способность инвертора. При идеальной прямоугольной передаточной характеристике (бесконечный коэффициент усиления) входной сигнал выше напряжения порога инвертора приводит к появлению на выходе напряжения логического нуля, а входной сигнал меньше напряжения порога создает на выходе напряжение логической единицы. В реальных случаях квантование сигнала проходит после прохождения двух-трех инверторов. При этом квантуется не только амплитуда сигнала, но и восстанавливается крутизна фронтов импульсов, обеспечивающая быстродействие логических преобразований. Сложные логические функции реализуются с помощью разветвленных цепей, состоящих из ЛЭ. При этом выход одного ЛЭ соединяют со входом другого. Поэтому логический сигнал U 0 или U 1 с выхода предыдущего ЛЭ поступает на вход последующего. Входные напряжения U 0 и U 1, задаваемые предыдущими ЛЭ, показаны на осях входных напряжений на рисунке 10.6. Помимо логических сигналов на входах могут появляться напряжения помехи, которые либо повышают, либо понижают входное напряжение. Если на входе действует напряжение U 0, то опасны помехи, имеющие положительную полярность, так как они повышают входное напряжение. При достаточно большом напряжении помехи рабочая точка на передаточной характеристике может сместиться в область переключения 3 (см. рисунок 10.6), что приведет к сбою в работе, т. е. ложному изменению выходных напряжений в цифровом устройстве. При поступлении на вход напряжения U 1 и напряжения помехи отрицательной полярности также возможно ложное переключение. Максимально допустимые постоянные напряжения помехи положительной полярности (при напряжении U 0 на входе) и отрицательной полярности (при напряжении U 1 на входе) определяют помехоустойчивость ЛЭ по отношению к статическим (длительно действующим) помехам. Эти напряжения отмечены на рисунке 10.6. ; (10.2) . (10.3) В тех случаях, когда область переключения 3 не очень широкая, т.е. , можно ввести средний порог переключения . Для повышения помехоустойчивости необходимо увеличивать логический перепад и уменьшать «ширину» области переключения 3. Поскольку напряжение U1 не может быть выше напряжения источника питания Uи.п , а напряжение U0 ниже нуля, то и . Идеальная передаточная характеристика, соответствующая максимальной помехоустойчивости, должна удовлетворять условиям U1 = Uи.п, U0 = 0, ; тогда достигаются одинаковые и максимально возможные значения .
При оценке помехоустойчивости по формулам (10.2) и (10.3) следует учитывать, что входящие в них величины U 1, U 0, , имеют технологический разброс, т. е. различаются даже для однотипных ЛЭ и зависят от температуры, напряжения источника питания, числа нагрузок аналогичных ЛЭ, присоединенных к выходу, и других условий. Поэтому в этих формулах обычно используют наихудшие значения величин; при этом в технических условиях приводят заниженные, но гарантируемые при заданных условиях эксплуатации значения и . Технологический разброс указанных выше напряжений велик для ЛЭ разных микросхем, но он значительно меньше для ЛЭ в составе одной микросхемы. Соотношения (10.2) и (10.3) определяют как максимально допустимые постоянные напряжения помех, так и амплитуды импульсных помех большой длительности. Если длительность импульса помехи уменьшается настолько, что становится меньше времени переключения ЛЭ, то допустимая амплитуда импульсной помехи возрастает. Следовательно, импульсная помехоустойчивость может быть выше статической. Входная характеристика – это зависимость входного тока Iвх от напряжения на данном входе при постоянных напряжениях на остальных входах. Для ЛЭ на биполярных транзисторах по этой характеристике определяют входные токи для двух состояний: ток низкого уровня при , вытекающий из данного входа, и ток высокого уровня при , втекающий в этот вход. Для элементов на МДП- транзисторах входные токи в обоих состояниях пренебрежимо малы. Выходная характеристика – это зависимость выходного напряжения Uвых от выходного тока Iвых при заданных постоянных напряжениях на входах. В общем случае таких характеристик может быть две: для напряжения низкого уровня на выходе и для напряжения высокого уровня на выходе , где и – выходные токи низкого и высокого уровней. Нагрузочная способность п (коэффициент разветвления на выходе) характеризует максимальное число ЛЭ, аналогичных рассматриваемому, которые одновременно можно подключать к его выходу. Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число ЛЭ необходимо для построения сложной цифровой микросхемы. Однако увеличение нагрузочной способности ограничено, поскольку с ростом числа нагрузок ухудшаются другие основные параметры ЛЭ, главным образом статическая помехоустойчивость и быстродействие. Так, помехоустойчивость ЛЭ на биполярных транзисторах уменьшается с ростом числа нагрузок, так как увеличиваются выходные токи в обоих состояниях, а это приводит к снижению уровня напряжения U 1 и повышению уровня напряжения U 0. Среднее время задержки сигнала возрастает вследствие увеличения емкости нагрузки. По этой причине в состав одной серии микросхем малой и средней степеней интеграции и в цифровых устройствах БИС вводят ЛЭ с различной нагрузочной способностью: n = 4...25. Коэффициент объединения по входу т равен числу входов ЛЭ. С увеличением коэффициента m расширяются его логические возможности за счет выполнения функций над большим числом логических переменных. При этом для создания сложного устройства требуется меньше ЛЭ. Однако увеличение числа входов, как правило, ухудшает другие основные параметры ЛЭ, прежде всего быстродействие. Для построения большинства цифровых микросхем достаточно иметь элементы с числом входов т = 3…4. Если требуются схемы с повышенным числом входов, то в серии микросхем вводятся специальные ЛЭ расширители числа входов. Потребляемая мощность ЛЭ (мощность, потребляемая ЛЭ от источника питания) зависит от его логического состояния, так как изменяется ток Iи.п в цепи питания Логический элемент потребляет ток при U вых = U 0 и ток при Uвых = U 1. Поэтому средняя потребляемая мощность в статическом режиме . Зная среднюю мощность и число ЛЭ в цифровом устройстве Nл.э можно вычислить среднюю мощность, потребляемую устройством. Она равна PсрNл.э. Уменьшить потребляемую мощность можно, снизив напряжение или ток питания. Однако при этом понизятся помехоустойчивость, а для многих типов ЛЭ и быстродействие. Наиболее эффективный способ уменьшения мощности Рср реализован в ЛЭ на КМДП- инверторах. В этих элементах токи в статическом режиме пренебрежимо малы, а мощность потребляется только при переключении. Мощность, потребляемую дополнительно в процессе переключения, называют динамической. Она пропорциональна частоте переключения ЛЭ. Поэтому динамическую мощность определяют при заданной рабочей частоте, близкой к максимальной. Быстродействие ЛЭ оценивают средним временем задержки распространения сигнала t зд.р.ср (средней задержкой), определяющим среднее время выполнения логической операции: , где и – времена задержки распространения сигнала при переходе напряжения на выходе от U 0 к U 1 и от U 1 к U 0 соответственно, измеряемые на уровне . Произведение средней задержки на максимальное число последовательно соединенных ЛЭ в устройстве дает наибольшую задержку сигнала в этом устройстве. Временные диаграммы на входе и выходе инвертирующего ЛЭ приведены на рисунке 10.8. Задержки распространения и отсчитываются на этих диаграммах либо по уровню усредненного порога переключения , либо по уровню, соответствующему половине логического перепада. Задержки необходимо измерять в условиях, учитывающих работу ЛЭ в цифровых устройствах. Поэтому входной сигнал U вх(t) формируется аналогичным ЛЭ, а на выходе исследуемого ЛЭ подключают схему-нагрузку. При упрощенном анализе переходных процессов в ЛЭ реальный входной сигнал заменяют импульсом прямоугольной формы. Соответствующие временные диаграммы показаны на рисунке 10.9. Времена задержек, включения , выключения и переходов t 1, 0, t 0, 1 отсчитывают по уровням 0, 1 UЛ и 0, 9 UЛ. Среднюю задержку вычисляют из соотношения .
В литературе часто приводят среднее время задержки в кольцевом генераторе, представляющем замкнутую в кольцо цепочку нечетного числа m инвертирующих ЛЭ. Схема кольцевого генератора, содержащая m инверторов, представлена на рисунке 10.10. Если напряжение на входе первого инвертора в некоторый момент времени равно U 1, то при нечетном числе инверторов на выходе последнего элемента с задержкой m∙ t зд.р.ср установится напряжение U 0 и начнется переключение первого инвертора в противоположное состояние. При этом в кольцевом генераторе возбуждаются колебания с периодом TГ = 2 m∙ t зд.р.ср. Коэффициент 2 в этой формуле обусловлен тем, что для переключения первого инвертора в исходное состояние Uвх = U 1 электрическое колебание по цепочке инверторов должно пройти дважды. Измеряя период колебаний, можно вычислить среднюю задержку: . Для исключения зависимости измеряемой задержки от числа инверторов в цепи последнее выбирают достаточно большим: .
Рисунок 10.10 - Схема кольцевого генератора
При заданных импульсных параметрах транзисторов среднюю задержку ЛЭ можно уменьшить в определенных пределах, увеличив токи, потребляемые от источника питания, и уменьшив тем самым времена перезарядки паразитных емкостей. Однако при этом возрастает потребляемая мощность. Таким образом, между средней задержкой и потребляемой мощностью ЛЭ существуют зависимость: чем меньше средняя задержка, тем больше потребляемая мощность. В связи с этим для сравнения ЛЭ различных типов используют параметр, называемый работой переключения: Апер = Рср ∙ t зд.р.ср. (10.4) Чем выше качество схемотехнической и конструкторско-технологической реализации ЛЭ, тем меньше работа переключения. Для ЛЭ микросхем малой и средней степеней интеграции Апер = 1…10 пДж, для логических элементов в БИС и СБИС Апер = 0, 01…1 пДж. Большинство основных параметров ЛЭ сильно зависит от напряжения источника питания U и.п. При снижении U и.п уменьшаются потребляемая мощность и работа переключения, но ухудшаются помехоустойчивость, нагрузочная способность и, как правило, снижается быстродействие. Заданные параметры большинства типов ЛЭ могут быть обеспечены лишь в сравнительно узком диапазоне отклонения напряжения питания от выбранного номинального значения ± (5...10)%. Для сопоставления ЛЭ различных типов при заданном уровне технологии, характеризуемом минимальным топологическим размером ∆, используют относительную площадь, выражаемую числом квадратов со стороной ∆ (литографических квадратов). В настоящее время наиболее актуальны исследования и разработки ЛЭ для СБИС и УБИС, проводимые в трех основных направлениях. Первое развивается на основе кремниевых МДП-транзисторов и позволяет получать максимальную степень интеграции (число элементов 106 …109 ) при достаточно высоком быстродействии (средняя задержка 0, 5…1 нс). Во втором направлении используются гетероструктурные кремниевые биполярные транзисторы Si-Ge и обеспечивается повышенное быстродействие (средняя задержка 0, 1…0, 5 нс), но при меньшей степени интеграции. Третье направление позволяет достигать сверхвысокого быстродействия (средняя задержка 50…100 пс) при числе элементов 103…106, оно развивается на основе арсенид-галлиевых МЕП-транзисторов и гетероструктурных НЕМТ – транзисторов с высокой подвижностью электронов.
|