Важнейшей характеристикой ЛЭ является передаточная (статическая) характеристика: зависимость выходного напряжения от входного Uо=f(UI). Вид характеристики зависит от типа ЛЭ (ЭСЛ, ТТЛ, КМОП) и может изменяться при воздействии дестабилизирующих факторов (температуры, напряжения питания, числа нагрузок и др.).
С целью нормального функционирования цифровых устройств логические схемы потенциального типа должны иметь три точки пересечения с обращенной передаточной характеристикой (рис. 1.12). Разность между пороговыми значениями верхнего и нижнего выходных уровней Uоht-Uolt=∆U является логическим перепадом схемы. Выходные пороговые напряжения находят с помощью пороговых точек а и b, в которых дифференциальный коэффициент усиления по напряжению Ku = -1.
Рисунок 1.12 - Передаточная характеристика ЛЭ
Логические схемы в устройствах соединяются последовательно, поэтому их входные напряжения определяются выходными напряжениями предыдущих схем.
Помехоустойчивость микросхемы по верхнему UNIH и нижнему UNIL уровням входного сигнала (рис. 1.12) определяется выражениями
U nih = Uoht — Uiht, (1.6)
Unil = Uilt-Uolt; (1.7)
где UOHT и UOLT — выходные пороговые напряжения высокого и низкого уровней;
U1НТ и UILT — входные пороговые напряжения высокого и нижнего уровней.
Идеальная передаточная характеристика, для которой помехоустойчивость максимальна, должна соответствовать условиям
U
тогда
(1.8)
Выражение (1.8) определяет предельные значения помехоустойчивости для ЛЭ потенциального типа.
Для повышения статической помехоустойчивости ЛЭ, исходя из передаточной характеристики, необходимо увеличивать логический перепад и значения входных пороговых напряжений. Однако увеличение логического перепада связано с ростом напряжения питания схемы Ucc и увеличением потребляемой мощности Р, так как для большинства логических схем P~ . В свою очередь, увеличение пороговых напряжений приводит к увеличению среднего времени задержки микросхемы.
|
Рисунок 1.13 – Влияние технологического разброса на передаточные характеристики
Для создания рационального (оптимального) помехоустойчивого ЛЭ необходимо иметь передаточную характеристику, близкую к симметричной относительно середины области переключения (заштрихованная область на рис. 1.12). Это положение позволяет сблизить значения помехоустойчивости по верхнему и нижнему уровням входного сигнала, а также уменьшить зависимость пороговых напряжений от режима работы схемы.
На помехоустойчивость ЛЭ в значительной степени влияет технологический разброс пороговых напряжений (рис. 1.13), поэтому выбор пороговых напряжений ЛЭ с учетом их уходов (изменений) от температуры (рис. 1.14), напряжения питания (рис. 1.15), числа нагрузок является одной из важнейших задач при расчете схемы ЛЭ серии.
Рисунок 1.14 - Зависимость передаточных характеристик от температуры
Реально помехоустойчивость для каждого типа ЛЭ устанавливают на основании статистического анализа передаточных характеристик.
Рисунок 1.15 - Зависимость передаточных характеристик от напряжения питания
Входная характеристика II = f(UI) — зависимость входного тока от входного напряжения, служит для определения нагрузочной способности элемента и связана с режимом работы линий связи. Типовые входные характеристики ЛЭ типов ТТЛ и ЭСЛ приведены на рисунках 1.16 и 1.17.
|
Рисунок 1.16- Входная характеристика ЛЭ типа ТТЛ
На входной характеристике ЛЭ ТТЛ-типа (рис. 1.16) можно выделить следующие области:
I и IX - недопустимых входных напряжений;
II и VIII - предельно допустимых входных напряжений по техническим условиям (ТУ);
III и VII - рабочие, с наиболее характерными рабочими точками А и В;
IV и VI - зоны допустимых статических помех;
V - зона переключения ЛЭ.
Рисунок 1.17 - Входная характеристика ЛЭ типа ЭСЛ
На входной характеристике ЛЭ ЭСЛ -типа (рис. 1.17) также можно выделить области, определяющие рабочий режим схем (зоны II и VI с рабочими точками А и В), области статической помехоустойчивости (III и V), зона переключения ЛЭ (IV), зоны предельных входных напряжений (I и VII).
Выходная характеристика UO=f(10) — зависимость выходного напряжения от выходного тока нагрузки. Эта характеристика и параметры входной характеристики ЛЭ позволяют определить его нагрузочную способность.
Выходная характеристика ЛЭ ЭСЛ -типа показана на рисунке 1.18, где приведены характеристики по верхнему и нижнему логическим уровням и нагрузочная характеристика RL. Точки пересечения А и В являются рабочими точками ЛЭ в зонах нижнего и верхнего уровней.
Рисунок 1.18 - Выходная характеристика ЛЭ типа ЭСЛ
Входные и выходные характеристики ЛЭ ТТЛ -типа могут быть использованы для оценки уровня помех, возникающих в линиях связи во время переключения ЛЭ.
Амплитудно-временная характеристика импульсной помехоустойчивости — временная зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности (рис. 1.19) является характеристикой, необходимой при.оценке допустимого уровня импульсных помех для бессбойного функционирования микросхем цифровых устройств. Импульсные помехи в устройствах имеют большую амплитуду, чем статические, поэтому они могут быть более опасными. Экспериментальное определение амплитудно-временной характеристики импульсной помехоустойчивости при массовом контроле микросхем является довольно сложной задачей. Отсутствие надежных критериев ее оценки при массовом производстве и ее зависимость от условий работы и применения микросхемы не позволили ввести эту зависимость в ТУ, однако она необходима при конструировании аппаратуры на основе цифровых микросхем.
|
На амплитудно-временной характеристике импульсной помехоустойчивости можно выделить две области: I — допустимых и II — недопустимых импульсных помех. При больших длительностях импульсов помехи tр>tр2 импульсная помехоустойчивость приближается к статической. Значение tpl, к которому стремится амплитудно-временная характеристика при больших амплитудах помехи, определяет минимальную длительность импульса помехи, при которой возможен сбой схемы. Она обычно в несколько раз меньше средней задержки сигнала в схеме. При значениях длительности и амплитуде импульса помехи, лежащих в заштрихованной области (рис. 1.19), схема нечувствительна к импульсным воздействиям.
Рисунок 1.19 - Зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности
Параметры ЛЭ цифровых микросхем разделяются на параметры статического и динамического режимов работы.
К основным параметрам статического режима работы, определяющим помехоустойчивость, нагрузочную способность (коэффициенты объединения по входу М и выходу N), потребляемую мощность при заданном напряжении питания микросхем, относятся:
выходные напряжения высокого и низкого уровней UOH, UOL;
входные и выходные токи высокого и низкого уровней IIH, 11L, IOH, IOL;
выходные токи высокого и низкого уровней в состоянии «Выключено» Iozh, Iozl — для микросхем с тремя состояниями на выходе;
входные пороговые напряжения высокого и низкого уровней UIHT, UIHT;
токи потребления в состоянии высокого и низкого уровней IССH, IССL;
и ток потребления в состоянии «Выключено» IССZ — длямикросхем с тремя состояниями на выходе.
Ток потребления зависит от типа ЛЭ. Для ЛЭ ЭСЛ -типа ток почти постоянен и не зависит от логического состояния элемента.
Для ТТЛ ИМС и ТТЛШ ИМС токи имеют разные значения для состояний высокого и низкого уровней. При переключении ЛЭ ТТЛ -типа имеют место выбросы тока, что приводит к увеличению тока потребления на высоких частотах. Амплитуда и длительность такого выброса зависят от характера нагрузки, схемотехнического решения выходного каскада, длины линии связи и т. д.
Рисунок 1.20- Зависимость мощности потребления от частоты ЛЭ типа ТТЛШ
Мощность, потребляемая схемой от источников питания, определяется как , где - напряжение i- го источника питания; ICCi — ток потребления в соответствующей цепи питания.
Рисунок 1.21- Временная диаграмма входного и выходного сигналов инвертирующего ЛЭ
Если потребляемая мощность различна в состоянии высокого и низкого уровней на выходе схемы, то в качестве основного параметра в ТУ приводят среднюю потребляемую мощность: РCCaU=(РCCН+ РCCL)/1. Потребляемая мощность схемы зависит от частоты переключения (рисунок 1.20). Эта зависимость Рсс=f(F) обычно приводится в технической документации на микросхему, где F — частота следования входных импульсов.
Рисунок 1.22 - Временная диаграмма входного и выходных сигналов для ЛЭ с тремя состояниями на выходе
Основными параметрами ЛЭ при работе в динамическом режиме являются (рисунки 1.21, 1.22):
время задержки распространения сигнала при включении и выключении tPLH, tPHL, представляющее собой интервал времени между входным и выходным импульсом при переходе напряжения на выходе схемы от напряжения низкого уровня к напряжению высокого уровня и наоборот, измеренное на уровне 0,5 от амплитуды сигнала или при заданном напряжении;
среднее время задержки распространения сигнала
tРav=(tРHL+tРLH)/2;
время спада tf и нарастания tr выходного импульса — интервал времени, в течение которого выходное напряжение изменяется от уровня 0,9 до 0,1 и соответственно нарастает от уровня 0,1 до 0,9 от установившегося значения (амплитуды сигнала);
время задержки включения tDHL и выключения tDLH — интервал времени между входным и выходным импульсами, измеренные на уровне 0,1 входного и 0,9 выходного сигналов и соответственно 0,9 входного и 0,1 выходного сигналов или на заданных значениях напряжения;
время задержки распространения при переходе из состояния «Выключено» в состояние низкого уровня tPZL и обратно tPLZ, а также из состояния «Выключено» в состояние высокого уровня tPZH и обратно tPHZ — для схем с тремя состояниями на выходе (рис. 1.21);
максимальная рабочая частота схемы Fmax — частота, при •которой сохраняется работоспособность схемы. '
Быстродействие ЛЭ микросхемы определяется его схемотехникой, технологией и зависит от емкости нагрузки, температуры окружающей среды, напряжения источника питания.