ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ
Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, например двоичной, функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, а также цифровых узлов измерительных приборов, аппаратуры автоматического управления, связи и т. д.
По функциональному назначению цифровые микросхемы подразделяются на подгруппы логических микросхем, триггеров, элементов арифметических и дискретных устройств и др. Внутри каждой подгруппы по функциональному признаку микросхемы подразделяют на виды. Сведения о подгруппе и виде микросхемы содержатся в ее условном обозначении (см. Приложение).
Цифровые микросхемы выпускают сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие единое конструктивно-технологическое исполнение, но относящиеся к различным подгруппам и видам. В серии может быть также несколько микросхем одного вида, различающихся, например, числом входов или нагрузочной способностью. Чем шире функциональный состав серии, тем в большей степени она обеспечивает выполнение требований к микроэлектронной аппаратуре в отношении компактности, надежности и экономичности, поскольку применение микросхем одной серии исключает необходимость в дополнительных, например согласующих, устройствах.
Таблица 4.1
| Вид логики | Полярность напряжения питания | |
| Положительная | Отрицательная | |
| Положительная |  |
 |
| Отрицательная |  |
 |
Большинство цифровых микросхем и все те, о которых будет идти речь в этой книге, относятся к потенциальным микросхемам: сигнал на их входе и выходе представляется высоким и низким уровнем напряжения. Указанным двум состояниям сигнала ставятся в соответствие логические значения 1 и 0. В зависимости от кодирования состояния двоичного сигнала различают положительную и отрицательную логику (табл. 4.1).
Логические операции, выполняемые микросхемами, обычно указывают для положительной логики. Однако есть и исключения из этого правила, они в тексте будут оговорены.
Длительность потенциального сигнала определяется сменой информации: например, длительность сигнала на выходе микросхемы определяется временным интервалом между двумя входными сигналами. Иногда применительно к потенциальным микросхемам говорят, что они управляются положительными или отрицательными импульсами. В таких случаях речь идет о том, что для изменения состояния микросхемы необходимо на заданное время изменить уровень входного сигнала с 1 на 0 (отрицательный импульс) либо с 0 на 1 (положительный импульс).
Свойства цифровых микросхем характеризуют системой электрических параметров, которые для удобства рассмотрения разделим на статические и динамические.
Статические параметры характеризуют микросхему в статическом режиме. К ним относятся:
напряжение источника питания Uи.п; входное U°вх и выходное U°вых напряжения логического 0; входное U1вх и выходное U1вых напряжения логической 1; входной IОвх, I'вх и выходной I°Вых, I'Вых токи логического 0 и логической 1;
коэффициент разветвления по выходу Kраз, определяющий число входов микросхем — нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу данной микросхемы; в этом смысле часто употребляют термин «нагрузочная способность» микросхемы;
коэффициент объединения по входу Коб, определяющий число входов микросхемы, по которым реализуется логическая функция; допустимое напряжение статической помехи Ua;
средняя потребляемая мощность РПот,ср.
Последние два параметра нуждаются в кратком пояснении.
Допустимое напряжение статической помехи характеризует статическую помехоустойчивость микросхемы, т. е. ее способность противостоять воздействию мешающего сигнала, длительность которого значительно превосходит время переключения микросхемы. Такая помеха и названа статической. Напряжение допустимой статической помехи обычно определяется как разность выходного и входного напряжений, соответствующих уровню логической 1 либо уровню логического 0 (в расчет принимается наименьшее значение Ua): U1n=U1BbIX — U1вx; U0п = U°вх-U°вых.
Средняя потребляемая мощность определяется выражением
PnoT.cp = (Р0пот + Рпот) /2,
где Рпот, Р'пот — потребляемая микросхемой мощность в состоянии соответственно 0 и 1 на выходе.
Общепринятое усреднение потребляемой мощности оправдано тем, что обычно во время работы в составе цифрового устройства логические микросхемы половину времени находятся в открытом состоянии, а другую половину времени — в закрытом.
Средняя потребляемая мощность тесно связана с быстродействием микросхемы (ее временем переключения или рабочей частотой переключения); чем больше средняя потребляемая мощность, тем с большей частотой может переключаться микросхема.
Рис. 4.1. Временные диаграммы напряжений на входе и выходе логической микросхемы
Для многих типов микросхем характерно заметное увеличение потребляемой мощности с ростом частоты переключения, что связано с увеличением потребления
мощности в процессе переключения по сравнению со статическим режимом. Учитывая это, следует при расчетах реального энергопотребления цифрового устройства ориентироваться на мощность, потребляемую микросхемами в режиме переключения с заданной частотой, т. е. на мощность, потребляемую в динамическом режиме.
Динамические параметры характеризуют свойства микросхемы в режиме переключения. В основном это временные параметры микросхемы:
время перехода из состояния логического 0 в состояние логической 1 t0,1;
время задержки распространения сигнала при выключении микросхемы t0,1зд, р;
время перехода из состояния логической 1 в состояние логического 0 t1,0;
время задержки распространения сигнала при включении микросхемы t 1,0Здр;
среднее время задержки распространения сигнала tзд,р,ср.
Динамические параметры определяют при сравнении сигналов на входе и выходе логического элемента. На рис. 4.1 приведены временные диаграммы входного и выходного сигналов и показаны уровни отсчета, относительно которых определяют динамические параметры.
Среднее время задержки служит усредненным параметром быстродействия и определяется как полусумма задержек t0,1зд.р и t1,0зд.р.
Этот параметр часто является основным при расчете рабочей частоты сложных логических устройств.
Среднее время задержки зависит от многих факторов: принципа построения логических элементов, наличия или отсутствия режима насыщения у входящих в схему транзисторов, величины переключающих токов и т. д. Кроме того, на среднее время задержки оказывают существенное влияние и условия работы микросхемы: температура окружающей среды, изменения питающих напряжений, емкость нагрузки и т. д.
Стремление обеспечить высокую надежность аппаратуры заставляет принимать в расчет те значения параметров логических элементов, в том числе и среднего времени задержки, которые соответствуют наихудшим условиям их работы.
Рис. 4.2. Характеристика динамической помехоустойчивости логической микросхемы
При использовании в расчетах справочных данных необходимо обращать внимание на то, для каких условий приведены эти данные и при необходимости перерассчитывать параметры с учетом реальных условий работы микросхем.
Например, расчеты, уточняющие среднее время задержки, можно производить с помощью коэффициентов, отражающих влияние на значение среднего времени задержки тем пературы «9 и емкости нагрузки Кс:
При этом предполагается линейная зависимость среднего време-ни задержки от указанных факторов.
К числу динамических параметров следует отнести также динамическую помехоустойчивость, характеризующую способность микросхемы противостоять воздействию импульсной помехи, длительность которой соизмерима со средним временем задержки передачи сигнала через микросхему.
Количественно динамическая помехоустойчивость определяется амплитудой и длительностью импульса помехи, но чаще с помощью характеристики (рис. 4.2), отражающей зависимость допустимой амплитуды импульса помехи от длительности этого импульса.Из рисунка видно, что по мере увеличения длительности импульса помехи допустимая амплитуда помехи снижается до уровня максимально-допустимого напряжения статической помехи.
Заметим, что указанные параметры широко используют для характеристики как микросхемы в целом, так и отдельных ее элементов: логических элементов, триггеров и др.
Эксплуатационные параметры характеризуют работоспособность интегральных микросхем в условиях воздействия окружающей среды. К ним относятся: диапазон рабочих температур, допустимые механические нагрузки (вибрации, удары, линейные ускорения), границы допустимого изменения атмосферного давления, наибольшая влажность и некоторые другие.
