Параметри елементів цифрової електроніки

 

Проектування цифрових схем виконується з урахуванням параметрів елементів, на яких вони будуються. Всі параметри цифрових елементів можна поділити на чотири групи: функціональні, вимірювальні, режимні та техніко-економічні.

Функціональні параметри визначають функціональні можливості використання елемента у складі цифрової схеми, до них відносяться:

- логічна функція, яку реалізує елемент;

- K_об - коефіцієнт об’єднання за входом;

- K_роз - коефіцієнт розгалуження.

Коефіцієнт об’єднання за входом K_об це число входів логічного елемента. Цей параметр фактично визначає кількість аргументів n булевої функції, яку реалізує ЛЕ. Для мікросхем ЛЕ K_об звичайно складає 1, 2, 3, 4 або 8.

Коефіцієнт розгалуження K_роз визначає максимальну кількість входів ідентичних елементів, які можна одночасно підключити до виходу даного елемента без порушення його працездатності. Цей параметр називають також навантажувальною здатністю і, як буде показано далі, він дозволяє визначити максимально допустимий струм навантаження на виході елемента. Типові значення K_роз для ІМС різних типів логіки складають від 10 до 100.

Вимірювальні параметри можуть бути безпосередньо виміряні на виводах логічного елемента. Їх поділяють на статичні і динамічні. Статичні параметри вимірюють при постійній напрузі, до них відносяться:

- U⁰_вх, U⁰_вих (U_IL, U_OL) -вхідна і вихідна напруги низького рівня або вхідна і вихідна напруги логічного нуля;

- U¹_вх, U¹_вих (U_IH, U_OH) -вхідна і вихідна напруги високого рівня або вхідна і вихідна напруги логічної одиниці;

- DU_л = U¹ – U⁰ (U_M = U_H – U_L) – логічний перепад;

- I⁰_вх (I_IL) - вхідний струм при низькому рівні напруги на вході;

- I¹_вх (I_IH) - вхідний струм при високому рівні напруги на вході;

- I⁰_вих (I_ОL) - вихідний струм при низькому рівні напруги на виході;

- I¹_вих (I_ОH) - вихідний струм при високому рівні напруги на виході;

- P⁰_сп, (P_ccL) –потужність, яку споживає елемент в стані логічного „0”;

- P¹_сп, (P_ccH) – потужність, яку споживає елемент в стані логічної „1”;

-  I⁰_сп, (I_ccL) - струм, який споживає елемент в стані логічного „0”;

- I¹_сп, (I_ccH) - струм, який споживає елемент в стані логічної „1”;

- U_сс (U_cc) - напруга живлення.

В дужках тут і далі дано позначення параметрів згідно з Держстандартом України ДСТУ 2383 – 04. Індекси „I” та „О” в цих позначеннях походять від англійських слів Input та Output, що означають вхід і вихід, а індекси L і Н, від англійських слів Low і High – низький і високий рівні напруги.

Середня потужність P^*_cс споживана елементом від джерела живлення обчислюється за формулою: P^*_cс = U_cc(I⁰_сп+ I¹_сп)/2 = U_cc(I_ccH+ I_ccL)/2. Сучасні цифрові елементи споживають потужність від мікроват до десятків міліват.

Динамічні параметри характеризують швидкодію цифрових елементів. Їх вимірюють при подачі на вхід елемента логічних перепадів напруги DU_л = U¹ – U⁰. Для вимірювання часових інтервалів сигналу використовують умовні рівні в частках від амплітуди сигналу U¹ – 0,1; 0,5; 0,9. Осцилограми вхідного і вихідного сигналу для елемента з інверсним виходом наведені на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Визначення динамічних параметрів логічного елемента

Динамічні параметри логічного елемента визначають з часових інтервалів показаних на рис. 4.1. До таких параметрів відносяться:

- t^1,0 (t_HL) – час переходу від високого „1” до низького „0” рівня, який відповідає тривалості фронту вихідного сигналу;

- t^0,1 (t_LH) – час переходу від низького „0” до високого „1” рівня, який відповідає тривалості спаду вихідного сигналу;

- t_з^1,0 (t_DHL) – час затримки вмикання;

- t_з^0,1 (t_DLH) – час затримки вимикання;

- t_вм^1,0 (t_THL) – час вмикання;

- t_вим^0,1 (t_TLH) – час вимикання;

- t_зп^1,0 (t_PHL) – час затримки поширення сигналу при вмиканні;

- t_зп^0,1 (t_PLH) – час затримки поширення сигналу при вимиканні.

З часових діаграм (рис. 4.1) можна бачити зв’язок між деякими динамічними параметрами, а саме: t_вм^1,0 = t^1,0 + t_з^1,0; t_вим^0,1 = t^0,1 + t_з^0,1. При аналізі швидкодії цифрових схем для практичних розрахунків використовують середній час затримки поширення сигналу t_зп (t_P) = (t_зп^1,0 + t_зп^0,1)/2.

До групи вимірювальних параметрів належать також параметри, що визначають статичну і динамічну стійкість логічних елементів до перешкод. Статичну завадостійкість елемента оцінюють відносно рівнів логічних „0” і „1”. Статичну завадостійкість відносно рівня логічного нуля U⁰_пер (M_L) визначають як максимальне значення (звичайно в вольтах) позитивної перешкоди, що не призводить до збою в роботі ЛЕ. Статична завадостійкість відносно рівня логічної одиниці U¹_пер (M_H) – це максимально значення негативної перешкоди, що не призводить до збою в роботі ЛЕ. Для оцінки завадостійкості використовують передаточну характеристику ЛЕ U_вих = f(U_вх) (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Оцінка статичної завадостійкості по передаточній характеристиці логічного елемента

На передаточній характеристиці можна виділити три ділянки, які відрізняються величиною коефіцієнта передачі (коефіцієнта підсилення за напругою) k =dU_вих/dU_вх. Ці ділянки відокремлені точками Б і В у яких коефіцієнт передачі k_Б = k_В = 1. Відзначимо, що в любій точці передаточної характеристики величина k визначається тангенсом кута нахилу дотичної в цій точці. Як можна бачити на рис. 4.2 для ділянок АБ і ВГ k_АБ, k_ВГ ≤ 1, а для ділянки БВ k_БВ ³ 1, тобто на ділянках АБ і ВГ підсилення вхідного сигналу не відбувається, а на крутій ділянці БВ підсилення має місце. З точки зору нормальної роботи логічного елемента у цифрових схемах ділянка БВ з k_БВ ³ 1 є непридатною. Дійсно, якщо робоча точка ЛЕ розташована на цій ділянці, а цифрова схема містить послідовний ланцюг логічних елементів, то такий ланцюг буде працювати як багатокаскадний підсилювач напруги. Тому, наприклад, якщо ланцюг створює парна кількість інверторів, і з точки зору алгебри логіки такий ланцюг повинен працювати як повторювач, то підсилення сигналу призведе до того, що сигнал низького рівня U⁰ на вході ланцюга підсилиться до сигналу високого рівня на його виході U¹, тобто відбудеться порушення логіки роботи цифрової схеми. Для того, щоб цього не відбувалось робоча точка ЛЕ не повинна виходити за межи ділянок передаточної характеристики АБ і ВГ, де підсилення відсутнє (k_АБ, k_ВГ ≤ 1).

Оскільки напруга перешкоди, складається з вхідними сигналами U⁰ або U¹, це веде до зсуву робочої точки відносно цих рівнів напруги. Якщо цей зсув приведе до того, що робоча точка опиниться на ділянці БВ, відбудеться збій в роботі цифрової схеми. З останнього ясно (див. рис. 4.2), що відносно рівня U⁰ збій може спричинити позитивна перешкода, а відносно рівня U¹ – негативна. З рис. 4.2 видно, що перешкода не викличе збою, якщо вона буде мати значення U_пер, сума якого з напругою U⁰ або U¹ дасть величину U_вх, яка лежить в межах ділянок АБ і ВГ. Це має місце при виконанні умов U⁰ + U_пер ≤ U_Б або U¹ – U_пер ³ U_В. Завадостійкість логічних елементів оцінують виходячи з найгіршого випадку, коли U⁰ = U⁰_max і U¹ = U¹_min. Таким чином U⁰_пер = U_Б - U⁰_max, а U¹_пер = U¹_min - U_В. Точки Б і В при обчисленні статичної завадостійкості знаходять, як точки дотику прямої з одиничним тангенсом нахилу до передаточної характеристики логічного елемента.

Режимні параметри визначають допустимі значення або діапазони напруги, струму, частоти і температури при яких забезпечується нормальний режим роботи логічного елемента. До таких параметрів відносяться:

- U⁰_max (U_OLmax) – максимально допустима напруга низького рівня (максимальна напруга логічного „0”);

- U¹_min (U_OHmin) – мінімально допустима напруга високого рівня (мінімальна напруга логічної „1”);

- I⁰_вих.max (I_OLmax) – найбільше значення вихідного струму, при якому забезпечується рівень напруги логічного „0” на виході елемента;

- I¹_вих.max (I_HLmax) – найбільше значення вихідного струму, при якому забезпечується рівень напруги логічної „1” на виході елемента;

- f_р, робоча частота - максимальна частота вхідного сигналу, при якій у найгірших умовах гарантується працездатність елемента;

- ±DU_cc – гранично допустиме відхилення напруги живлення від номінальної величини U_cc;

- інтервал робочих температур.

Параметри I⁰_вих.max та I¹_вих.max, які визначають граничні струми навантаження логічного елемента, зв’язані з коефіцієнтом розгалуження K_роз і вхідними струмами елемента I⁰_вх та I¹_вх. Це обумовлено тим, що в цифрових схемах, як правило, навантаженням виходу будь-якого логічного елемента є входи інших елементів. Тому гранично допустимі величини вихідного струму елемента для рівнів логічного „0” і „1” можна розрахувати як:

                    I⁰_вих.max = К_роз I⁰_вх; I¹_вих.max = К_роз I¹_вх. (4.1)

Відзначимо, що для елементів КМОНТЛ така оцінка некоректна завдяки дуже малим вхідним струмам (I⁰_вх, I¹_вх ≤ 1 мкА), тоді як для ТТЛШ вона цілком придатна. Оскільки для елементів ТТЛШ I⁰_вих > I¹_вих, як граничний струм навантаження обирають значення, що дає перша з формул (4.1).

Допустимий діапазон відхилення напруги живлення від номінальної величини U_cc звичайно складає ±5% або ±10 %. Типовий інтервал робочих температур для мікросхем на елементах ТТЛШ -45 ^оС ¸ +85 ^оС, для мікросхем КМОНТЛ -60 ^оС ¸ +125 ^оС.

Техніко-економічні параметри дозволяють порівнювати інтегральні мікросхеми за технічним та економічним рівнем розробки. До таких параметрів відносяться:

- A_п – робота перемикання;

- g - ступінь інтеграцій мікросхеми;

- S – площа кристала мікросхеми;

- надійність;

- маса, вартість та конструктивне оформлення.

Робота перемикання визначається за формулою:

                                       A_п = P^*_cс t_зп.                  (4.2)

Цей параметр дозволяє порівняти якість розробки ЛЕ, що належать до різних типів логіки і серій мікросхем. Чим менше значення A_п, тим кращі характеристики має логічний елемент. Значення параметра A_п для елементів різних типів логіки знаходиться в межах 0,1 – 200 пДж..

Ступінь інтеграції визначають за формулою g = lgN_о, де N_o – кількість активних елементів (діодів, транзисторів) на площі кристала інтегральної мікросхеми (ІМС). Для ІМС сучасних мікропроцесорів параметр g перевищує 7 при площі кристала ІМС близько 1 см².

Надійність ІМС характеризують три взаємозалежних параметри:

- інтенсивність відмов l = n_від./(N_вt_в), де n_від. – число відмов за час випробування t_в; N_в – загальна кількість випробуваних ІМС;

- напрацювання на відмову T = 1/l;

- ймовірність безвідмовної роботи протягом інтервалу часу t: P(t) = exp(-lt) = exp(-t/T).

Для сучасних інтегральних мікросхем інтенсивність відмов складає l = 10^-7 ¸ 10^-8 год.^-1. Таким чином при l = 10^-8 год.^-1 ймовірність безвідмовної роботи мікросхеми за 15000 годин складає P(t) = 0,998 або 99,8 %.

 

 

---

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 829; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!