Логічні елементи інтегральних мікросхем

БІЛОукраїнський ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

"Логічні елементи інтегральних мікросхем"

Найбільш поширені ЛЕ та схеми потенційного типу. Серед існуючих логічних елементів (потенційні, імпульсні, імпульсно-потенційні) потенційні ЛЕ та схеми є найбільш поширеним класом. Основною відмітною ознакою ЛЕ та схем потенційного типу від імпульсних та імпульсно-потенційних є наявність зв'язку по постійному струму між їх входами та виходами. Іншою відмітною ознакою є те, що вони можуть керуватися та керувати іншими схемами за допомогою сигналів як обмеженої (імпульсні сигнали), так і не обмеженої (потенційні сигнали) тривалості.

У випадку не виключається можливість застосування таких схемах реактивних компонентів, тобто. індуктивностей та ємностей. Останні, зазвичай, грають допоміжну роль. Однак саме принципова можливість побудови ІМС різної складності без реактивних компонентів вигідно відрізняє цей клас пристроїв від інших, оскільки їх виготовлення найкраще відповідає можливостям мікроелектронної технології.

Безперервно зростає ступінь інтеграції ІМС потенційного типу та складність виконуваних ними функцій. Схемотехнічна реалізація ІМС потенційного типу складає основі ряду типових, базових функціональних елементів.

До параметрів, що характеризують логічні та схемотехнічні можливості ЛЕ мікросхем та великих інтегральних схем (ВІС), відносяться:

1. реалізована логічна функція;

2. здатність навантаження n, що характеризує можливість підключення певної кількості ідентичних ЛЕ(Коефіцієнт розгалуження по виходу);

3. коефіцієнт об'єднання по виходу m (mі - для реалізації логічної функції І; mабо - для реалізації логічної функції АБО) (коефіцієнт об'єднання по входу);

4. середня затримка передачі сигналу τср (напівсума часу затримок передачі сигналів 1 і 0 зі входу ЛЕ на його вихід);

5. гранична робоча частота fр (частота перемикання тригера, складеного з ЛЕ);

7. споживана потужність.

За видом логічної функції ЛЕ, що реалізується,умовно можуть бути розбиті на два класи. До першого класу відносяться функціональні елементи одноступінчастої логіки. Це найпростіші ЛЕ, що реалізують функції І, АБО, НЕ, І-НЕ, АБО-НЕ. До другого класу відносяться функціональні елементидвоступінчастоїлогіки, що реалізують більш складні функції: І-АБО, АБО-І, НЕ-І-АБО, І-АБО-НЕ, І-АБО-І та ін.

навантажувальна здатністьЛЕ n визначає число входів ідентичних елементів, яке може бути підключене до виходу кожного з них. При цьому забезпечуються неспотворена передача двійкових символів 0 і 1 в цифровому пристрої з ланцюга з довільного числа послідовно включених елементів при найгірших поєднаннях дестабілізуючих факторів. Дестабілізуючими факторами можуть бути: зміна напруги живлення, розкид параметрів компонентів, зміна температури і т.п.

Часто здатність навантаження n називаєтьсякоефіцієнтом розгалуження по виходу(Краз ) і виражається цілим позитивним числом (n=4, 5, 7, 10 і т. д.).

Чим вище здатність навантаження ЛЕ, тим ширші їх логічні можливості і тим менші витрати при проектуванні і побудові цифрового пристрою. Однак збільшення параметра n можливе до певних меж, оскільки при цьому погіршуютьсяінші параметри ЛЕ: знижується швидкодія, погіршується завадостійкість та збільшується споживана потужність. Зазвичай до складу однієї серії ІМС часто входять ЛЕ з різною здатністю навантаження: основні ЛЕ з n=4…10 і буферні елементи — так звані підсилювачі потужності з n=20…50. Це дозволяє гнучкіше проектувати цифрові пристрої, досягаючи оптимальних показників по споживаній потужності та числу ЛЕ.

Залежно від частотного діапазону роботи логічних МДП-мікросхем (метал-діелектрик-напівпровідник) їх здатність навантаження може змінюватися в широких межах (n=10…100).

Коефіцієнт об'єднання входуm(Коб ) характеризує максимальне число логічних входів функціонального елемента. Зі збільшенням параметра m розширюються логічні можливості мікросхеми за рахунок виконання функцій з великою кількістю аргументів на одному типовому елементі І-НЕ, АБО-НЕ тощо. Однак при збільшенні числа входів, як правило, погіршуються інші параметри функціонального елемента, такі як швидкодія , завадостійкість та здатність навантаження.

З точки зору можливості збільшення коефіцієнта об'єднання по входу або по входу або логічні схеми істотно відрізняються один від одного. Наприклад, в ІМС де функція першого логічного ступеня виконується на діодах або емітерних переходах багатоемітерного транзистора, збільшення числа входів не вимагає додаткових істотних витрат площі кристала. В ІМС, де функція першого логічного ступеня виконується на транзисторах, збільшення параметра m вимагає значного збільшення числа компонентів ЛЕ та зростання площі кристала ІМС.

У існуючих серіях інтегральних мікросхем основні логічні елементи виконуються, як правило, з невеликою кількістю входів

Доосновнимдинамічним параметрамлогічного елемента відносяться:

tф1 - фронт формування рівня логічної 1;

tф0 - фронт формування рівня логічного 0;

τ10 - затримка перемикання зі стану 1 у стан 0;

τ01 - затримка перемикання зі стану 0 стан 1;

fp – робоча частота.

Визначення цих параметрів забезпечується у порівнянні сигналів на вході і виході ЛЕ, тобто. при розгляді процесу передачі через ЛЕ.

На рис. 1 наведено характеристики сигналів на вході та виході інвертора та показані рівні звіту, щодо яких визначаються динамічні параметри ЛЕ.

Мал. 1. До визначення динамічних параметрів логічного елемента (інвертора)

Рівням звіту динамічних параметрів ЛЕ є (розглядається позитивна логіка, при якій високий рівень вихідного сигналу відповідає 1, а низький - 0) максимальний рівень логічного 0 і мінімальний рівень логічного 1. позитивний імпульс) та рівнем 0 фронту спаду вихідного імпульсу (негативний імпульс).

Затримка перемикання τ01 визначається як часовий інтервал між рівнем 0 фронту спаду вхідного імпульсу та рівнем 1 фронту наростання вихідного імпульсу.

Фронти імпульсу, що визначаються між рівнями 1 і 0 спаду імпульсу, позначаються tф0 між рівнями 0 і 1 наростання імпульсу - tф1 .

Середня затримка τср ЛЕ визначається як напівсума затримок τ10 і τ01 і служить усередненим параметромшвидкості, використовуваним при розрахунку тимчасових характеристик багатоелементних послідовно включених логічних мікросхем.

твірсередньої затримки на число послідовно з'єднаних ЛЕ у пристрої дає найбільшу затримку сигналу цього пристрою. Параметр τср наводиться в технічних умовах на ІМС. Для спрощення процесу розрахунку часових характеристик складних логічних кіл часто вважають сигнали прямокутними, тобто tф0 = tф1 = 0.

Переміностійкість.Базовий елемент ІМС у статичному режимі може перебувати в одному з двох стійких станів (0 або 1). З цієї причини розрізняють статичну завадостійкість ЛЕ за рівнем 0 (Uno) і за рівнем 1 (Un 1). Статична завадостійкість базових елементів ІМС визначається значенням напруги, яка може бути подана на вхід ІМС щодо рівня 0 або 1, не викликаючи її хибного спрацьовування (наприклад, перехід зі стану 1 у стан 0 або навпаки).

Напруга перешкоди або збільшує, або знижує вхідну напругу. Якщо на вході діє напруга логічного 0 (U0 ), то небезпечні перешкоди, що мають позитивну полярність, так як вони підвищують вхідну напругу, що може призвести до збою в роботі, тобто помилкову зміну вихідних напруг у цифровому пристрої. При надходженні на вхід логічної напруги 1 (U1 ) і напруги перешкоди негативної полярності також можливе хибне перемикання. Максимально допустимі постійні напруги перешкоди позитивної полярності (при напрузі логічного 0 на вході) і негативної полярності (при напрузі логічної 1 на вході) визначають стійкість перешкод ЛЕ по відношенню до статичних (тривале діючих) перешкод.

Внутрішні перешкоди в цифровому пристрої виникають при перемиканні ЛЕ, тому їхня амплітуда пропорційна логічного перепаду Uл.

Логічним перепадомназивається різниця напруг логічної 1 і логічного 0:

Дляоцінки завадостійкості ЛЕ крім напруг Uп1 і Uп0 використовують відносні величини:

---