Классификация и основные параметры базовых логических элементов

БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Классификация и основные параметры базовых логических элементов

В процессе развития микросхемотехники выделялось несколько типов базовых логических элементов (БЛЭ), имеющих достаточно высокие значения параметров и удобных для интегрального ис­полнения. Классификация их приведена на рис. 1.1. Активными приборами являются биполярные транзисторы (БТ), МОП-тран­зисторы (МДПТ) и транзисторы с инжекционным питанием (ИТ).

В зависимости от типа активных приборов, с помощью которых выполняется входная (И, ИЛИ) и выходная (И) операции, базо­вые логические элементы и цифровые ИС на их основе принято подразделять на следующие типы: транзисторной логики (ТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и интегральной инжекционной логики (И Л). Дан­ная символика поясняется так: ТЛ - входная и выходная опера­ции выполняются на одних и тех же транзисторах, ТТЛ - входная операция выполняется на одних транзисторах; выходная - на других; ДТЛ – входная - на диодах, выходная - на транзисторах.

Элементы транзисторной логики делятся еще по способу объединения электродов транзисторов на элементы с объединенными коллекторами и объединенными эмиттерами (эмиттерно-связанной логики- ЭСТЛили просто ЭСЛ). Первые представляют собой набор ключей ОЭ с общей коллекторной нагрузкой. Если в цепях баз транзисторов включены резисторы или резисторы с шунти­рующими их конденсаторами, то такие БЛЭ называют соответст­венно c резистивными связями (РСТЛ илиРТЛ) и резистивно-конденсаторными связями (РКСТЛ или РЕТЛ), если без резисторов - связь непосредственная (НСТЛ).

Схемы на МОП - транзисторах реализуют транзисторную логику и обозначаются n-МОПТЛили р-МОПТЛ, если транзисторы од­нотипные, и КМОПТЛ, если комплементарные.

Следует иметь в виду, что интегральные схемыНСТЛ, РСТЛ, РКСТЛ не перспективны и в новых разработках аппаратуры не используются. Схемы ДТЛ тоже потеряли практическую ценность для массового применения, но они бывают иногда полезны, напри­мер, для защиты входов цифровых устройств от интенсивных по­мех, при использовании длинных несогласованных или незащищенных сигнальных линий и другое. Наиболее широкое распространение в настоящее время получили серии цифровых ИС ТТЛ (в том числе с диодами Шотки-ТТЛШ), ЭСЛ, И²Л, n-МОПТЛ и КМОПТЛ. Поэтому ниже рассматриваются БЛЭ только таких ти­пов.

Свойства БЛЭ и создаваемых на их основе различных цифро­вых ИС оцениваются рядом электрических параметров. Их тер­минологические определения и буквенные обозначения установле­ны ГОСТ 19480-74, а методики измерения - ГОСТ 18683-83. Ос­новными параметрами ЛЭ являются следующие.

Время задержки распространения сигнала в ЛЭ. Характеризует быстродействие элемента. Различают время задержки при включении и выключении . На практике ча­сто используют среднюю задержку, определяемую как

(1.1)

Временныеинтервалы и отсчитываются обычно на уров­не 0,5 перепадов напряжения на входе и выходе ЛЭ рис. 1.2.

Потребляемая от источника питания мощность. Она характеризует экономичность ЛЭ. Различают потребляе­мую мощность в состоянии логической единицы , логического нуля и среднюю:

(1.2)

Для однотипных БЛЭ произведение

, 1.3)

называемое средней работой переключения, почти постоянно в широком диапазоне значений и . Следовательно, эле­мент с повышенной имеет меньшую задержку переключе­ния и наоборот. Для разнотипных БЛЭ работа переключе­ния может существенно отличаться. Таким образом, является своеобразным показателем качества типа БЛЭ.

Напряжение логического нуля U° и логической единицы U¹ - значение высокого и низкого уровней напряжения на выходе БЛЭ в двух логических состояниях. Разность этих уровней называют логическим перепадом .

Входной ток логического нуля и логической единицы . Максимальное значение токов во входных цепях ЛЭ при подаче на них соответственно уровней U° и U¹.

Коэффициент разветвления по выходу . Указывает на максимальное число входов ИС данной серии, ко­торые одновременно могут подключаться к выходу ЛЭ без нару­шения его нормального функционирования.

Коэффициент объединения по входу . Определяет число входов, по которым реализуется логическая функция.

Для современных БЛЭ типовые значения параметров составля­ют:

- десятые доли микроватт... десятки милливатт;

- единицы... сотни наносекунд;

- десятые доли... единицы вольт;

- 4...30;

- 2...5.

Наряду со статическими параметрами практический интерес представляют также статические характеристики: передаточная - , входная - и выходная - .

Характеристики являются более информативными для анализа и проектирования цифровых ИС и устройств на их основе. Они поз­воляют не только определять большинство статических парамет­ров, но и выявлять ряд особых свойств. Так, например, с помощью передаточной характеристики, типовой вид которой показан на рисунке 1.3, можно получить значения , U¹, а также область зна­чений входного напряжения, в пределах которой происходит пере­ключение БЛЭ, - пороговую область . Это, в свою очередь, позволяет оценить статическую помехоустойчивость БЛЭ, т.е. способность противостоять воздействию мешающего сигнала, длительность которого значительно превосходит время задержки . Допустимая включающая помеха определяется как , а выключающая как

Нашло распространение также понятие порогового напряжения . Его значение соответствует точке пересечения линии единич­ного наклона с передаточной характеристикой. Для большинства БЛЭ область переключения узкая (0,1…0,2В). Поэтому иногда полагают .