Нагрузочная способность — логический элемент
Нагрузочная способность логического элемента п определяет количество входов идентичных элементов, на которые может быть нагружен выход данного элемента, при неискаженной передаче двоичных символов. Иногда нагрузочная способность называется коэффициентом разветвления по выходу. [2]
Нагрузочная способность логического элемента зависит от допустимых колебаний напряжения питания, нап ряжений входных сигналов и изменений температуры окружающей среды. Расчет логических элементов производится, как правило, для наихудших режимов и условий работы. [4]
Нагрузочная способность логического элемента определяет его коэффициент разветвления N. [5]
Нагрузочную способность логических элементов на микросхемах И2Л следует определять с учетом неравномерного распределения базовых токов между инверторами, входы которых подключены к общему выходу. [7]
В промышленности для повышения нагрузочной способности логических элементов ДТЛ и ТТЛ используют схемы со сложным инвертором. Инвертирование фазы сигнала осуществляется сложным инвертором на транзисторах Т2, Т3, Т, питание элемента — источником постоянного напряжения Ек 5 В. [8]
Коэффициент разветвления по выходу характеризует нагрузочную способность логического элемента и определяется количеством входов однотипных элементов, которые можно подключить к выходу. В некоторых случаях в ТУ указывается максимальный выходной ток логического элемента. [9]
В контактных схемах эта функция используется для размножения числа контактов реле, а в бесконтактных необходима для увеличения нагрузочной способности логических элементов . Кроме того, повторители используются для согласования некоторых элементов, которые непосредственно соединять нельзя. [11]
Расчет для наихудших условий приводит к увеличению надежности конкретной схемы, но сильно ограничивает максимальное число входов и нагрузочную способность логических элементов . [12]
Так как вероятность того, что величины всех компонентов имеют одновременно отклонения в худшую сторону, мала, то для повышения числа входов и нагрузочной способности логических элементов можно использовать метод статистического расчета. В результате достигается уменьшение числа элементов, что может увеличить надежность всего устройства в целом. Для многих применений можно использовать специальный случай статистического расчета, когда значения сопротивлений и напряжений источников питания приняты номинальными, а значения коэффициента усиления транзистора и токов утечки наихудшими. Такой расчет схем обычно дает достаточно высокую точность. [13]
Усложнение схемы в этом случае направлено на устранение эффекта динамического запирания транзисторов выходных эмиттерных повторителей при работе на большую емкостную нагрузку и тем самым увеличивает динамическую нагрузочную способность логического элемента . [14]
Нагрузочная способность логических элементов в значительной степени определяется характеристиками инвертора. [15]
Логические, схемотехнические и эксплуатационные свойства логических элементов определяются совокупностью характеристик и параметров, к которым относят:
· функции логических элементов;
· коэффициенты объединения по входу и выходу;
· входные и выходные напряжения и токи;
· статическая и динамическая помехоустойчивость;
· допустимые величины механических воздействий, диапазоны давления и температуры окружающей среды, устойчивость к радиационным воздействиям;
· масса, стоимость и конструктивное оформление.
В большинстве случаев указанные характеристики и параметры относятся и к ИМС, на которых реализованы логические элементы.
Коэффициент объединения по входу NI характеризует число логических входов логического элемента — обычно 1, 2, 3, 4 или 8 (рис.4.6).
Рисунок 4.6-Примеры значений коэффициента NI
Коэффициент объединения по выходу N0 характеризует допустимое количество соединенных между собою выходов логических элементов с целью создания новых функций.
Коэффициент разветвления по выходу Np характеризует нагрузочную способность логического элемента, то есть максимальное число входов идентичных схем, которое может быть одновременно подключено к выходу данного элемента без нарушения его работоспособности (рис. 4.7).
В состав серий ИМС обычно входят элементы с малой нагрузочной способностью (Nр = 3. 15) и с большой (Np = 30. 50).
Рисунок 4.7-Подключение нагрузки: а)- Np=3 б) Np=4
Приняты следующие определения и буквенные обозначения электрических параметров цифровых микросхем (ДСТУ 2883-94):
• входные UI, и выходные UO уровни напряжений (индексы — от английских слов Input и Output);
• входные напряжения низкого UIL и высокого UIH уровней; для них устанавливаются максимальное значение низкого уровня UIL max и минимальное значение высокого уровня UIHmin (рис. 4.8);
• выходные напряжения низкого U0l и высокого Uoh уровней; для них установлены максимальное значение низкого уровня U0lmax и минимальное значение высокого уровня UIHmin;
• входной I1 и выходной I0 токи;
• входной ток IIL — при низком уровне напряжения на входе, I1H — при высоком;
• выходной ток IOL — при низкому уровне напряжения на входе, а I0H — при высоком;
• Ucc — значение напряжения источника питания;
• Icc — ток, потребляемый ИМС от источника питания;
• Рсс — мощность, потребляемая ИМС от источника питания;
• входные пороговые напряжения, при которых происходит переключение элемента: UTIH — наименьшее значение для высокого уровня и UTIL — наибольшее значение для низкого уровня.
Рисунок 4.8-Обозначение уровней напряжения
Основные параметры логических элементов определяют с помощью входной, выходной и передаточной характеристик. Типовые графики этих характеристик для инвертирующих элементов транзисторно-транзисторной логики представлены на рис. 4.9.
Входная характеристика логического элемента II = f(UI) — это зависимость входного тока от изменения входного напряжения.
Токи, втекающие в схему элемента, считаются положительными, а вытекающие — отрицательными (рис.4.9,а).
Из этой характеристики определяют входные токи IIL для напряжения UIL max и токи IIH для напряжения UIHmin.
Выходная характеристика логического элемента UO = f(Io) определяет зависимость выходного напряжения от тока нагрузки для состояний высокого и низкого уровней (рис. 4.9, б). Из этой характеристики определяют допустимые значения токов: +I0L — при низком уровне выходного напряжения UOL max и -I0Н — при высоком уровне напряжения UOHmin (рис. 4.9, б).
Рисунок 4.9-Характеристики логического ТТЛ-элемента:
а)-входная, б)-выходная, в)-передаточная
Передаточная характеристика U0 – f(UI) — это зависимость выходного напряжения от входного (рис. 4.9, в).
Из этой характеристики определяют значение помехоустойчивостидля низкого уровня на входе ML (отпирающая помеха) и для высокого уровня на входе МH (запирающая помеха):
Средняя мощность Р*CC. потребляемая элементом от источника питания вычисляется по формуле
где ICCL и Icch — токи потребления при низком и высоком уровнях напряжения на выходе соответственно;
I*cc — средний ток потребления.
Современные элементы потребляют мощность от микроватт до десятков милливатт.
Потенциальные сигналы характеризуются значением логического перепада (амплитудой) Um = UH — UL и длительностью положительного tWH и отрицательного tWL перепадов (рис. 4.10).
Перепады напряжений часто называют положительными и отрицательными импульсами.
Рисунок 4.10-Измерение параметров сигнала:
а)-амплитуды, б, в)-длительности перепада
Для измерения временных параметров сигнала устанавливают условные уровни в долях амплитуды — 0,1; 0,5 и 0,9.
Быстродействие микросхем определяют по значениям следующих длительностей:
• фронта tLH и спада tHL (рис. 4.11, а);
• собственно включения tTHL и выключения tTLH (рис.4.11,б); и их задержки соответственно tDHL и tDLH;
• задержек распространения сигнала при включении tPHL и выключении tPLH (рис.4.11,в).
Рисунок 4.11- Измерение временных параметров сигналов:
а)-фронта и спада, б)-времени включения и выключения, в)—времени задержек распространения сигнала при включении tPHL и выключении tTLH
Надежность ИМС характеризуется тремя взаимозависимыми показателями:
• интенсивностью отказов 
= n/ (mt),
где n — число отказов за время испытания, час;
m — общее количество испытуемых микросхем;
• наработкой на отказ Т = 1/ 
• возможностью безотказной работы на протяжении заданного интервала времени
Р = ехр(- 
).
Для современных ИМС интенсивность отказов 
= (10 -7 . 10 -8 ). Приняв, что = 10 -8 , t = 15000, получим значение вероятности безотказной работы P(t) = 0,998 или 99,8%.
По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы подразделяются на пять групп, которым присвоены следующие обозначения (ДСТУ 3212-95):
• полупроводниковым на биполярных транзисторах — 1, 6;
• полупроводниковым на полевых транзисторах — 5, 7;
• другим (пленочным, вакуумным, керамическим и т.д.) — 3;
• резервным — 0, 8, 9.
По функциональному назначению микросхемы подразделяются на группы, которым присваиваются следующие обозначения:
• коммутаторы и ключи — К;
• логические элементы — Л;
• многофункциональные схемы — X;
• наборы элементов — Н;
• преобразователи сигналов — П;
• схемы источников вторичного электропитания — Е;
• схемы задержки — Б;
• схемы сравнения — С;
• схемы запоминающих устройств — Р;
• схемы цифровых устройств — И;
• схемы вычислительных средств — В.
В каждой функциональной группе различают виды, например:
ЛЛ — элемент ИЛИ;
ЛА — элемент НЕ-И;
ЛЕ — элемент НЕ-ИЛИ;
ЛР — элемент НЕ-И-ИЛИ;
ТВ — универсальные (тип JK);
ТР — с раздельной записью (тип RS);
ТМ — с задержкой (тип D);
• схем вычислительных средств:
ВС — микропроцессорные секции;
ВУ — схемы микропрограммного управления;
ВБ — схемы синхронизации;
ВВ — схемы интерфейса;
ВН — времязадающие схемы;
Для характеристики материала и типа корпуса по ГОСТ 174-67 перед цифровым обозначением серии добавляются следующие буквы;
Р — для пластмассового корпуса типа 2;
М — для керамического, металлокерамического корпуса типа 2;
Е — для металлополимерного корпуса типа 2;
С — для стеклокерамического корпуса типа 2 и др.
Для некоторых микросхем буквенные обозначения типа корпуса не применяют.
Присвоение обозначений микросхемам осуществляет в Централизованном порядке главная организация по стандартизации изделий электронной техники.
Обозначение микросхемы должно состоять из следующих элементов:
• первый и второй элементы — две цифры, характеризующие соответственно группу и подгруппу микросхемы по конструктивно-технологическому исполнению;
• третий элемент — две цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем;
• четвертый элемент — две буквы, характеризующие соответственно группу и вид микросхемы;
• пятый элемент — две цифры, обозначающие порядковый номер разработки микросхемы.
Три первых элемента определяют серию микросхем. В случае необходимости после обозначения порядкового номера разработки микросхемы по функциональному назначению дополнительно проставляются буквы от А до Я, характеризующие отличие микросхем одного типа по электрическим параметрам. Такая буква во время маркировки может быть заменена цветной точкой. Буква или цвет маркировочной точки указываются в технических условиях микросхем конкретных типов.
Примеры условного обозначения микросхем:
• 5704ВГ03 — полупроводниковый программируемый контроллер управления
динамической памятью с симметричной комплементарной структурой серии
5704; номер разработки серии — 04, номер разработки микросхемы в данной серии по функциональному назначению — 03 (рис. 1.31);
• 1101УД06 — полупроводниковая микросхема серии 1101, порядковый номер разработки серии — 01, структура на биполярных транзисторах с изоляцией р-п переходом, операционный усилитель постоянного тока, порядковый номер разработки микросхемы в данной серии по функциональному назначению — 06.
Рисунок 4.12- Структура условного обозначения микросхемы 5704ВГ03
Перед условным обозначением микросхем указывается сокращенное название государства-разработчика — У (Украина).
Для микросхем с шагом 1,27 или 2,54 мм между выводами корпуса, которые поставляются на экспорт, вначале условного обозначения после буквы У проставляется буква Е, например:
• УЕ1217УД06 — микросхемы серии 1217, выпущенные в Украине в экспортном исполнении (шаг выводов 1,27 или 2,54 мм) в пластмассовом корпусе типа 2. В ранее принятых обозначениях ИМС широкого применения вначале ставили букву К.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9496 — 
| 7460 — 
или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
К основным параметрам логических элементов относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического 0 и логической 1, нагрузочная способность, помехоустойчивость и быстродействие, потребляемая мощность.
Уровни лог. 0 и лог. 1 на входе и на выходе микросхем отличаются, как правило, до 30 % от напряжения источника питания. Кроме того, логические уровни КМОП микросхем существенно отличаются от логических уровней ТТЛ микросхем (см. рис. 3.8). Так при отсутствии тока нагрузки напряжение на выходе КМОП микросхемы совпадает с напряжением питания (уровень лог. 1) или с потенциалом общего провода (уровень лог. 0). При увеличении тока нагрузки напряжение лог. 1 может уменьшаться до 90 %, а напряжения лог. 0 – увеличиваться до 10 % от напряжения питания. На входе же КМОП микросхемы минимально допустимый уровень лог. 1 составляет 70 %, а лог. 0 – 30 % от напряжения питания.
У микросхем ТТЛ уровень лог. 1 находится в пределах от 40 % от напряжения питания (на входе) до 50 % на выходе. Уровень лог. 0 соответственно от 15 % (на входе) до 8 % на выходе.
Нагрузочная способность – способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется так называемым коэффициентом разветвления и оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы. Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов серий ТТЛ серии составляет 10, а для микросхем серий КМОП – до 100.
Следует отметить, что при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность.
Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических 0 и 1, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серий КМОП – не менее 30 % напряжения питания.
Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости. Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т. е. максимальной частотой переключения. Предельная рабочая частота современных микросхем ТТЛ составляет свыше 10 МГц, а микросхем на КМОП структурах лишь 1 МГц.
Предельная частота ограничивается средним временем задержки распространения сигнала (см. рис. 3.9)
. (3.1)
Для микросхем ТТЛ это время составляет около 20 нс, а для микросхем КМОП – около 200 нс.
Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях лог. 0 (Рлог.0) и лог. 1 (Рлог.1) на выходе. В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления
. (3.2)
Статическая средняя мощность потребления базовых элементов ТТЛ составляет несколько десятков милливатт, а у элементов КМОП она более чем в тысячу раз меньше.
Следует отметить, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Поэтому помимо потребляемой мощности в статическом режиме РСР микросхемы характеризуются также потребляемой мощностью в динамическом режиме РДИН, измеряемой на максимальной частоте переключений.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие технологии построения логических элементов Вы знаете?
2. Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента диодно-транзисторной логика. Укажите недостатки по причине которых диодно-транзисторной логика не находит широкого применения.
3. Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента И-НЕ транзисторно-транзисторной логики.
4. Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента ИЛИ-НЕ эмиттерно-связанной транзисторной логики. Какими преимуществами ЭСЛ обладает перед ТТЛ?
5. Нарисуйте логические схемы и поясните работу элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ, реализованных на КМОП структурах.
6. Какие особенности применения КМОП микросхем Вы знаете?
7. Перечислите основные параметры логических элементов и поясните их.
Дата добавления: 2015-05-05 ; просмотров: 1502 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
