Обоснование выбора элементной базы

При разработке цифрового устройства используются модели представления цифровых схем:

· Логическая модель.

· Модель с временными задержками.

· Модель с учетом электрических эффектов (или электрическая модель).

Первая модель применима для разработки всех цифровых устройств, она не требует никаких цифровых расчетов, для нее достаточно знание алгоритма функционирования устройства.

Вторая модель учитывает задержки срабатывания логических элементов. Ее применение необходимо для всех быстродействующих устройств и для случая одновременного изменения нескольких входных сигналов. Вторая модель предполагает расчет (по сути, суммирование) временных задержек элементов на пути прохождения сигналов. В результате этого расчета может выясниться, что требуется внесение изменений в схему электрическую принципиальную устройства.

Третья модель учитывает входные и выходные токи, входные и выходные сопротивления и емкости элементов. Эту модель надо применять при объединении нескольких входов и выходов, при передаче сигналов на большие расстояния и т.п.

Проектирование цифровых устройств принципиально отличается от проектирования аналоговых, при котором обязательными являются расчеты.

Разработчик цифровых устройств имеет дело только с логикой, с логическими сигналами и с алгоритмами работы цифровых микросхем. Справочные данные на цифровые микросхемы обычно содержат большой набор параметров, каждый из которых можно отнести к одному из трех перечисленных уровней представления, т.е. к одной из трех формальных моделей.

Таблица истинности микросхемы (для простых микросхем) или описание алгоритма ее работы (для более сложных микросхем) относится к первой, логической модели.

Величины задержек логических сигналов между входами и выходами относятся ко второй модели. Задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль, как правило, отличается от задержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу.

Уровни входных и выходных токов, а также уровни входных и выходных напряжений относятся к третьей модели. К этой модели относятся также величины внутренней емкости входов микросхемы. К этой модели можно отнести также такие параметры, как допустимое напряжение питания микросхемы и максимальный ток, потребляемый микросхемой.

К третьей модели также относятся следующие параметры, которые содержатся в справочной литературе:

· порог срабатывания (уровень входного напряжения, выше которого сигнал воспринимается как единица, а ниже - как нуль);

· помехозащищенность (характеризует величину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние выходных сигналов);

· коэффициент разветвления (число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения работы);

· нагрузочная способность (параметр выхода, характеризующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный выход без нарушения работы). Чаще всего нагрузочная способность прямо связана с коэффициентом разветвления.

Таким образом, большинство справочных параметров микросхемы относятся к третьей модели (к модели с учетом электрических эффектов).

Характеристики и параметры входов и выходов цифровых интегральных микросхем определяются, прежде всего, технологией и схемотехникой их внутреннего строения.

Для разработчика цифровых устройств любая микросхема представляет собой «черный ящик» и разработчик, не всегда зная внутреннее ее строение, должен четко представлять, как поведет себя та или иная микросхема в данном конкретном включении и будет ли она правильно выполнять требуемую от нее функцию.

Интегральная микросхема (ИМС) – это микроэлектронное изделие, изготовленное методами интегральной технологии (чаще полупроводниковой), заключенное в самостоятельный корпус и выполняющее определенную функцию преобразования дискретных (цифровых) сигналов. В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы подразделяются на серии (семейства), различающиеся физическими параметрами базовых элементов и их функциональным назначением.

ИМС обязательно имеет следующие выводы (рисунок 2.7): выводы питания: общий («земля») и напряжение питания (данные выводы на схемах обычно не показываются); выводы для входных сигналов («входы»), на которые поступают внешние цифровые сигналы; вывод или выводы для выходных сигналов («выходы»), на которые выдаются цифровые сигналы из самой микросхемы. Каждый вывод имеет свой номер, например «Uп» – 14, «Общий» – 7 и т.д.

Рисунок 2.7 – Внешний вид ИМС

Каждая микросхема преобразует тем или иным способом последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов или сигнал.

Конструктивно-технологическая реализация ИМС определяет их основные технические характеристики:

· амплитудную передаточную характеристику: Uвых = F(Uвх );

· входную характеристику: Iвх = F(Uвх);

· выходную характеристику: Uвых = F(Iвых).

Основные характеристики в свою очередь определяют технические параметры: Uвых = F(Uвх ) определяет формирующие свойства ЛЭ, его помехоустойчивость, амплитуду и уровни стандартного сигнала; Iвх = F(Uвх) определяет зависимость входного тока ЛЭ от входного напряжения определяет нагрузочную способность ЛЭ и режим работы линий связи; Uвых = F(Iвых) определяет зависимость выходного напряжения ЛЭ от выходного тока нагрузки. Эта характеристика в совокупности с входной позволяет определить нагрузочную способность ЛЭ, режим его работы, способ согласования переходных процессов в линиях связи.

Различают статические и динамические параметры.

К динамическим параметрам относят:

· нагрузочную способность, которая определяется нагрузочными коэффициентами (Fi - входной нагрузочный коэффициент; N - коэффициент разветвления по выходу);

· помехоустойчивость, которая определяет невосприимчивость элемента (тов) ИМС к действию наложенных на входной сигнал отклонений (помех), величина которых лежит в заданных пределах.

· быстродействие, которое определяется задержками распространения сигнала при переходе выходного напряжения от «1» к «0» t10зд р и от от «0» к «1» t01зд р. При расчете временной задержки последовательно включенных элементов используется средняя задержка распространения сигнала ЛЭ:

τ_{зд р ср} = (t¹⁰_{зд р} + t⁰¹_{зд р})/2.

К основным статическим параметрам относятся:

· входные (U0вх, U1вх) и выходные (U0вых, U1вых) напряжения логического «0» и логической «1»;

· входные (U0вх пор, U1вх пор) и выходные (U0вых пор, U1вых пор) пороговые напряжения логического «0» и логической «1»;

· входные и выходные токи логического «0» и «1» (I0вх, I1вх, I0вых, I1вых);

· токи потребления в состоянии логического «0» и «1» (I0пот, I1пот);

· потребляемая мощность (Рпот).

Если потребляемая мощность зависит от выходного напряжения «0» (Р0пот) или «1» (Р1пот), то в качестве основного параметра используют среднюю потребляемую мощность Рпот = (Р0пот + Р1пот)/2.

Для ЛЭ, потребляющих значительную мощность при переключении, средняя потребляемая мощность в технической документации задается в виде зависимости Рпот ср = f(Fимп), где Fимп – частота следования импульсов.

Чаще всего применяются две технологии изготовления ИМС:

· ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) - биполярная транзисторно-транзисторная логика и ТТЛ с диодами Шоттки;

· КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой «металл–окисел–полупроводник».

Различаются они типами используемых транзисторов и схемотехническими решениями внутренних каскадов микросхем.

Элементы, выполненные на основе одной конструктивно-технологической реализации, образуют семейство схем.