Пошук по сайту


1. Основні характеристики та параметри цифрових мікросхем

1. Основні характеристики та параметри цифрових мікросхем

Сторінка1/4
  1   2   3   4
1. Основні характеристики та параметри цифрових мікросхем.

До основних характеристик мікросхем за якими визначаються їх параметри належать статистична, динамічна, навантажувальна, статична – це залежність вихідної напруги від вхідної на одному з виходів, при незмінних рівнях напруги та інших входах.

На типовій передавальній характеристиці інвертора можна розрізнити три ділянки:

І-й етап коли

П - й етап коли проміжний логічний стан

Ш-й етап коли



Зона зона логічної невизначеності. За передавальною характеристикою визначають такі основні статичні параметри: статичні рівні напруг і , напругу логічного перепаду, порогова напруга і параметри завадостійкості.

Завадостійкість або допустима амплітуда завади – максимально допустима величина потенційної завади, яка при появі на вході мікросхеми не викликає хибного перемикання (збою) тобто не бажаного переходу мікросхеми з стану 0 в стан 1 або навпаки. Розрізняють статичну (довготривалу) та динамічну (короткотривалу) завади. У довідниках наводяться дані лише статичної завадостійкості. В залежності від стану перемикання з 0 в 1 або з 1 в 0 завадостійкість можна визначити





До статичних характеристик логічних елементів належать також вхідна характеристика та вихідні характеристики.
- вхідна характеристика.



Середня потужність споживання мікросхемою (Р сер. стат.)

Потужності які споживаються мікросхемою при і .



За значенням Р сер. мікросхеми поділяють на нановатні (1мкВт), мікропотужні (до 300 мкВт), малопотужні (0,3 – 3мВт), середньої потужності (3 – 25 мВт), потужні (25 – 250 мВт).

До статичних характеристик також належить коефіцієнт об’єднання входів, що визначає максимальне число входів логічних елементів і тим самим число незалежних змінних Для середньої серії мікросхем К об’єднання



знаходиться в інтервалі від 0,1 до 1 наносекунд.



Потужні мікросхеми характеризуються найбільшою швидкодією, а мікро і малопотужні мають малу швидкодію.

Добротність вимірюється в джоулях

Для напівпровідникових мікросхем існує теоретична межа, яка лежить в області між пікоДж.

Навантажувальна здатність – це параметр логічного елемента мікросхеми, який в залежності від схемотехнічних особливостей може характеризуватися значенням вхідних струмів або коефіцієнтом розгалуження.

Коефіцієнт розгалуження по виходу дорівнює максимальному числу аналогічних логічних елементів, які можна одночасно підключити до виходу даної мікросхеми при збереженні її основних параметрів.

Коефіцієнт розгалуження від 5 до 15.

До другорядних параметрів мікросхем належать кількість напруг живлення ті їх полярності.

2. Порівняльні характеристики цифрових мікросхем.

На характеристики та параметри цифрових мікросхем значно впли­ває технологія їх виготовлення. Групу мікросхем, що виконані за од­накового або близькою технологією і ... мають схожі схемотехнічні рішення та деякі характеристики, називають серією мікросхем. Різно­видів технологій виготовлення цифрових мікросхем досить багато. Але незважаючи на це всіх їх об'єднує логічна спільність, а саме -однотипність "цеглинок" цифрової техніки Ж, тобто базис, у якому можна виконувати логічне проектування /синтез/ цифрових пристроїв, абстрагуючись при цьому від будь-якої конкретної серії чи технології. Це і є головною перевагою ЦТ.

Прив"язка до конкретної серії мікросхем необхідна на етапі схе­мотехнічного проектування. Тут вже потрібні знання про характеристи­ки та параметри мікросхеми, виходячи з вимог щодо роботи цифрового пристрою та критеріїв, які поставлені перед розробником.

Залежно від схемотехнічної реалізації ЛЕ поділяють на такі типи мікросхем:

ТТЛ-транзисторно-тразисторної логіки на біполяр­них транзисторах;

МОН або МДН - на польових транзисторах /МОН -метал-оксид-напів-провідники;

МДН - метал-діелектрик-напівпровід­ник/ ;

КМОН - із симетричною комплементарною структурою на по­льових транзисторах n- та p-типів;

ЕЗЛ - емітерно-зв'язаної логіки на біполярних транзис­торах ;

ІІЛ - інтегрально-інжекційної логіки. Кожна технологія виготовлення мікросхем неперервно удосконалю­ється у напрямку збільшення швидкодії, зменшення споживаної потуж­ності та зростання ступеня інтеграції.

У табл, 3.1 зведені усереднені характеристики мікросхем, що виготовлені за найбільш поширеними в інженерній практиці технологі­ями.


Як видно з табл. 3.1 мікросхеми різних серій, що належать до од­ної технології, можуть відрізнятися між собою за параметрами. Харак­терно, що більш висока швидкодія мікросхем досягається за рахунок збільшення споживаної потужності; для малопотужних мікросхем власти­ва більша затримка, а отже, й нижча гранична частота перемикання. За рахунок застосування діодів та транзисторів Шоткі у мікросхемах ТТЛШ підвищується швидкодія.

У сучасній цифровій схемотехніці домінуюче положення належить мікросхемам ТТЛ. Незважаючи на широку різноманітність технологій виготовлення інтегральних схем тільки мікросхеми ТТЛ на світовому ринку стабільно посідають перше місце вже протягом кількох десяти-річ. Така популярність ТТЛ зумовлена, по-перше, вдалим поеднаьчям двох альтернативних вимог - максимуму швидкодії при мінімумі спожи­ваної потужності, і, по-друге, вдалим схемотехнічним рішенням базо­вої схеми, яка за принципом дії для всіх серій ТТЛ, в тому числі і з діодами та транзисторами Шоткі, е однаковою, а тому сумісною для різних серій. В сім'ї ТТЛ б мікросхеми, які забезпечують високу завадостійкість та навантажувальну здатність.

До недоліків мікросхем ТТЛ належать наявність струмів коротко­го замикання, які можуть викликати значні.завади у колах живлення. Для їх зменшення застосовують розділю вальні конденсатори з номіналами >= 0,1 мкФ. Крім того, при низькоомних навантаженнях можуть виника­ти труднощі узгодження, які спричиняють зниження швидкодії та під­вищення споживаної потужності. Останнім часом все ширше застосову­ються у практиці мікросхеми малопотужної швидкодіючої серії з діо­дами та транзисторами Шоткі, зокрема серії К555 та КРІ533 / tзс - 4 нс; Рсст = 4 мВт/, а також КРІ53І tзс = 2,7... ...3,5 нс; Рсст = 4 мВт/.

Номенклатура мікрасхем ТТЛ дуже різноманітна /див. табл. 3.1/. Основні /типові/ параметри мікросхем ТТЛ наведені у табл. 3.2.





Серед ТТЛ окрему групу складають мікросхеми підвищеної завадо­стійкості - серія К5ІІ, яка при підвищеній напрузі живлення /до 18 В/ забезпечує у 20 разів більшу швидкодію.

Головним конкурентом мікросхем ТТЛ за таким важливим парамет­ром, як потужність споживання, є МДН-/МОН- і КМОН-/ технологія. Ос­новною перевагою ЛЕ на МОН- і KMоО-структурах порівняно з іншими Ж е відсутність струму споживання у статичному режимі ро­боти. Це зумовлено тим, що струм заслону /на відміну від струму ба­зи біполярного транзистора/ завжди дорівнює нулю. Ж КМОН-технологїї споживають струм тільки у процесі перемикання і витрачають потужність головним чином на перезаряд вхідних ємностей наступних схем. Тому динамічна потужність споживання Pд прямо пропорційна частоті пере­микання і значно залежить від напруги живлення. Комплементарна струк­тура будови цих мікросхем припускає дуже високу густину розміщення елементів, що забезпечує їм переважаюче застосування у ВІС як завер­шених функціональних вузлів цинової та .мікропроцесорної техніки. Сучасні мікросхеми КМОН-технології працюють у досить широкому діа­пазоні напруг живлення - від +3 до +15 В. Це дозволяє виконувати просте спряження з мікросхемами ТТЛ та операційними підсилювачами.

З метою якісного та кількісного порівняння на рис. 3.7,а показа­ні логічні рівні для входів мікросхем КМОН та ТТЛ у процентному спів­відношенні щодо напруги живлення, а на рис. 3.7,б – характеристики рівнів напруг на вході X та виході Y ЛЕ ТTЛ. Різниці між гаран­тованими вхідними та вихідними, високим та низьким рівнями напруг визначають можливості Л2 не реагувати на завади. Отже, згідно із зоб­раженими на рис. 3.7, б даними характерними гарантованими для ТТЛ рівнями є: на вході - для U00x = О...0,8 В, для U11x = 2,0... ...5,0 В; на виході - для U0xY = 0...0.4 В; для U1xY - 2,4... ...5,0В.



Мікросхеми ЕЗЛ належать до найбільш швидкодіючих ЛЕ /частота перемикання ЛЕ серій КІОО і К500 становить 150 мГц/. Висока швидкодія забезпечується за рахунок глибоких зворотних зв"язків і ненасичено-го режиму роботи всіх транзисторів, який виключає процес розсмокту­вання неосновних носіїв заряду. Умова ненасиченого режиму роббти забезпечується на вихідних транзисторах. Через високу швидкодію ЛЕ ЕЗЛ досить чутливі до зовнішніх завад, що виникають на шинах живлення при перемиканні сусідніх ЛЕ. Для зниження впливу завад спільний провід /або корпус/ під"еднують на плюс А/ джерела жив­лення. Тому відносно спільного проводе логічні рівні ЛЕ ЕЗЛ є від"єм-ними, що викликає ряд незручностей при взаємному стикуванні /спря­женні/ мікросхем різних технологій. Коли така необхідність виникає, для спряження мікросхем ТТЛ, ЕЗЛ та /К/МОН використовують спеціальні узгоджувачі рівнів [24].

Мікросхеми ЛЕ І2Л належать до найперспективніших компактних і швидкодіючих ЛЕ. Вони забезпечують високу щільність розміщення елемен­тів на кристалі /приблизно у 100 разів більшу від ТТЛ/. ЛЕ I2Л спожи­вають на порядок меншу потужність порівняно з ЛЕ на /К/МОН. Висока швидкодія цих ЛЕ досягається за рахунок як власної технології, так і застосування діодів Шоткі[8;16]. За I2Л-технологією випускаються мікропроцесорні комплекси серій КР532, КР583 і КР5В4 та інші ВІС, до складу яких входять крім цифрових і аналогові - операційні під­силювачі, стабілізатори струму тощо.

На рис.3.8 показана залежність потужності споживання Р ЛЕ від часу затримки t виконання одної логічної операції для ЛЕ різних тех­нологій [ЗО], на якій виділені об­ласті розподілу цих параметрів. Зо­крема, за даною залежністю можна ви­конати якісну і кількісну оцінки фактора добротності Рc tз , що ха­рактеризує енергію, яка необхідна даному ЛЕ для переносу І біт інфор­мації.

Цікаво зауважити, що за останні 25 років спостерігається тенденція зни­ження добутку Рc tз. , причому в основному за рахунок багаторазово­го зменшення tз. Потужність споживання Рc, однак, за цей пе­ріод зменшилася всього у 2-3 рази.

3. Базові елементи ТТЛ (ТТЛШ)

Особливістю мікросхем ТТЛ є наявність у вхідному колі ЛЕ багатоемітерного транзистора. Число емітерів у такому транзисторі можу бути від 2 бо 8, що визначає К05=2…8. Основна схема ЛЕ, яка зображена на рис. 3.9., складається з двох послідовно ввімкнених функціональних елементів: кон’юктора на багатолемітерному транзисторі VT1, що здійснює операцію I, та інвертора на транзисторі VT2, що виконує операцію НЕ. Отже, дана схема виконує логічну операцію n I-HE. Щоб переконатись у тому, досить розглянути дві ситуації, які властиві операції n-I-HE: коли хоча б на одному з входів прикладений низький рівень (лог. 0) і коли на всіх входах схеми діє високий рівень (лог. 1).



Дійсно, якщо хоча б на одному із входів схеми прикладений низький потенціал (потенціал "землі"), тобто якщо Хі = 0, то відкривається перехід база – емітер VT1 і малий струм у колі колектора VT1 і бази VT2 буде підтримувати VT2 у закритому стані. При закритому VT2 на виході схеми напруга набуває значення, що відповідає високому рівню, тобто Y=1. Тільки при одночасній дії високих рівнів на всіх входах схеми, тобто при Х1 =…=Хn=1, буде відкритим перехід база – колектор VT1, і майже весь струм бази VT1 потече у базу VT2. При цьому VT2 відкриється, бо на колекторі VT1 з’явиться потенціал , що достатній для його відкривання. Отже, на виході схеми рівень напруги стане низьким, тобто Y=0.

Таким чином, дана схема виконує функцію багатовходового кон’юктора-інвертора, що реалізує логічну операцію n I-HE. Розглянута схема покладена в основу принципової схеми базового ЛЕ ТТЛ 2І-НЕ, що зображена на рис. 3.10.
ЛЕ 2І-НЕ складається з трьох каскадів вхідного (VT1, R1, VD1,VD2), який реалізує логічну операцію І, фазорозчеплювача (VT2, R2, R4), на виходах якого виділяються прямий та інверсний сигнали, та вихідного (VT3, VT4, VD3), який реалізує операцію інверсії, тобто НЕ.

Демпфуючі діоди VD1 s VD2 cлужать для підвищення завадостійкості ЛЕ. Вони не припускають від’ємних викидів напруг на входах Х1 і Х2 ЛЕ, які можуть виникати при паразитних перехідних процесах. Діод VD3 запобігає відкриванню VT3 у той час, коли VT4 відкритий і на виході є низький (нульовий) рівень напруги, тобто при Y=0.

Роботу схеми ЛЕ 2І-НЕ розглянемо також для двох характерних для неї ситуацій, а саме для Хі =0 і Х12=1. Отже, якщо хоча б на одному із входів ЛЕ прикладено низький рівень, тобто Хі=0, то аналогічно попередній схемі VT2 буде закритий. Тоді VT3, який працює як емітерний повторювач, буде

у відкритому стані, а VT4- відповідно у закритому. Отже, при Хі=0 маємо Y=1.

Якщо на всі входи ЛЕ подано напруги високого рівня, тобто Х12=1,

Емітер ний перехід VT1 , буде закритим і в базу VT2 потече струм, який змістить у прямому напрямі колекторний перехід VT1. Цей струм забезпечить режим насичення для VT2, тобто відкриє його. Спад напруги на R4 при цьому буде достатній для відкривання VT4. Рівень напруги на колекторі відкритого VT2 впаде до значення, достатнього для закривання VT3. Отже, на виході закритого VT4 , буде високий рівень напруги, тобто Y=1, що відповідає логічній операції 2І-НЕ. Резистор R3 обмежує струм вихідного каскаду під час перемикання схеми, коли обидва транзистори VT3 і VT4 знаходяться в активному режимі, тобто коли один з них виходить з режиму насичення, а інший вже ввійшов у нього.



Порівняно з базовою схемою розглянутий ЛЕ стандартної серії ТТЛ має ряд переваг: значно менша споживана потужність Рс що досягається за рахунок ускладнення інвертора парою транзисторів VT3 і VT4, які працюють у фазоінверсному режимі під дією керуючого фазорозщеплювача VT2;

Оскільки у статичному режимі один із транзисторів VT3 або VT4 завжди відкритий, вихідний опір схеми, а отже, й стала часу вихідного кола є досить малою, що сприяє підвищенню швидкодії;

В динамічному режимі при одночасно відкритих транзисторах VT3 і VT4 малий вихідний опір ЛЕ сприяє швидкій перезарядці ємності навантаження CH та паразитної ємності монтажу, що забезпечує високу навантажувальну здатність ЛЕ ТТЛ.

Більш швидкодіючими порівняно з ЛЕ на біполярних транзисторах є мікросхеми ТТЛ на діодах та транзисторах Шоткі (ТТЛШ). Мікросхеми ТТЛШ мають ту саму структуру електричної схеми, що й ТТЛ, тільки замість звичайних діодів та транзисторів використовуються напівпровідникові прилади з бар’єром Шоткі. Підвищення швидкодії ЛЕ ТТЛШ зумовлено малим часом:

- розсмоктування надлишкового заряду в транзисторах Шоткі;

- наростання і спадання фронтів за рахунок більшого (у 2-3 рази)

значення у транзисторах Шоткі, ніж у біполярних транзисторах.

Основною причиною низької швидкодії ЛЕ до стандартної серії ТТЛ є те, що в статистичному режимі окремі транзистори знаходяться у стані глибокого насичення і для переходу в стан відсічки їм потрібний тривалий час для подолання перехідного процесу розсмоктування неосновних носіїв у базовій та колекторній областях. Це є причиною збільшення часу затримки tзс і крім цього, зростання потужності споживання, бо тоді VT3 і VT4 складного інвертора виявляються одночасно відкритими і через них тече досить значний струм. Отже, для підвищення швидкодії (або частоти перемикання) ЛЕ треба запобігти насичення транзисторів. Саме з цією метою застосовують діоди та транзистори Шоткі.

Транзистор з діодом Шоткі та його схема позначення показані на рис. 3 ІІ, а,б, а на рис. 3. ІІ, в зображена базова схема ЛЕ мікросхем ТТЛШ серії К555. Транзистор Шоткі – це біполярний транзистор з діодом Шоткі, який під’єднаний паралельно переходу база-колектор. На рис. 3.ІІ,а показано розподіл напруг на відкритому транзисторі Шоткі.

Діод Шоткі має низький поріг відкривання, що становить 0,35…0,4 В. Отже коли транзистор відкритий, діод Шоткі під дією відємного зворотного зв’язку за напругою перешкоджає зниженню напруги транзистора нижче за рівень 0,35 В. Відкритий діод Штокі фіксує на колекторному переході напругу на рівні 0,4 В, не дозволяючи переходу база-колектор відкритись, а транзисторі увійти в етап насичення. Істотне зменшення або навіть повне вилучення часу розсмоктування надлишкового заряду у схемі транзистора скорочує час затримки tзс до 3…5 мс.

ЛЕ ТТЛШ за принципом дії аналогічний ЛЕ ТТЛ. Відмінність ТТЛШ у принциповій схемі полягає у підвищенні навантажувальної здатності Kроз за рахунок використання складеного емітерного повторювача, який побудовано на VT3 і VT4, що утворюють складений транзистор Дарлінгтона. Така схема поліпшує вихідні параметри мікросхеми за потужністю, бо загальний коефіцієнт передачі струму складеного транзистора (де і - відповідно коефіцієнти передачі VT3 і VT4). Другою відмінністю ТТЛШ є застосування додаткового діода Шоткі VD5, який спричинює прискорене замикання VT4 під час перемикання ЛЕ із стану у схемі ТТЛ на каскад з VT2, R3 і R4. Останній як генератор струму також забезпечує прискорення процесу перемикання ЛЕ. На початку перехідного процесу при появі струму емітера VT1 опір ще закритого VT2 великий. Це приводить до збільшення спаду напруги на загальному досить великому опорі цього каскаду, а отже до швидкого відкривання VT5.

Зміна багатоемітерного транзистора VT1 ТТЛ на транзистор VT1 і групу (збірку) діодів Шоткі VD1, VD2 і VD3, VD4 забезпечує зменшення часу відкривання транзистора TІ, оскільки паразитна ємність ізоляції збірки діодів Шоткі менша від багатоемітерного транзистора Шоткі. Проте на відміну від ТТЛ елементи ТТЛШ мають нижчу завадостійкість внаслідок вищого рівня та зниженого порогу , що зумовлений малим порогом відкривання діодів Шоткі. Тому зона нечутливості елемента ТТЛШ дещо ширша, що спричиняє зниження завадостійкості, яка становить = 0,8 В порівняно з ЛЕ ТТЛ, що мають = 1,0 В.

Незважаючи на дещо знижену завадостійкість ТТЛШ належать до перспективної елементної бази цифрової техніки середньої та високої швидкодії з різним рівнем інтеграції навіть для ВІС. Малопотужні ЛЕ ТТЛ споживають приблизно у 5 разів меншу потужність від ЛЕ ТТЛ. Однак при виборі елементної бази мікросхем треба також брати до уваги їх вартість, яка у ТТЛШ набагато більша, ніж у ТТЛ.
  1   2   3   4

поділитися в соціальних мережах



Схожі:

1. Основні характеристики та параметри цифрових мікросхем
До основних характеристик мікросхем за якими визначаються їх параметри належать статистична, динамічна, навантажувальна, статична...

О. С. Бібко Київський національний лінгвістичний
У даній статті здійснено спробу розглянути основні принципи організації навчального процесу в середній школі Японії, а також зміст...

До Положення про конкурс на кращу серію цифрових ресурсів Перелік тем для участі у конкурсі

Іспит. Птца. Лютий 2009 (попередня версія 2)
Місце курсу Прикладна Теорія Цифрових Автоматів у системі наук інформаційної сфери

1 вихідне положення, самоочевидний принцип. В дедуктивних наукових...
В дедуктивних наукових теоріях аксіомами називають основні вихідні положення чи твердження якоїсь теорії, що приймаються без доведень,...

Лекція №29 Тема лекції: Основні операції кожного з таких елементів...
Тема лекції: Основні операції кожного з таких елементів мікропроцесора: блоку управління, блоку обробки даних

Програма Electronіcs Workbench призначена для побудови електронних...
Моделювання й дослідження роботи операцийних вузлів різних типівз використанням програми Electronіcs Workbench

План роботи
Аналіз роботи школи в 2014/2015 навчальному році та основні завдання на 2015/2016 навчальний рік

Програмові вимоги до державного іспиту за фахом за напрямом 050102 «Комп’ютерна інженерія»
Основні типи даних C++, модифікатори (signed, unsigned, long, short), специфікатори зберігання (extern, static, register, auto)

Міністерство освіти І науки україни запорізький національний технічний університет
Прикладна теорія цифрових автоматів (птца), частина 1 комп’ютерна арифметика. Тексти лекцій для студентів усіх форм навчання спеціальностей...



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації

a.lekciya.com.ua
Головна сторінка