Основные параметры и характеристики логических элементов

Рассмотрим потенциальные элементы: логическое состояние определяется значениями электрического потенциала на входе и выходе.

Параметры элементов:

Потенциалы логического 0 и логической 1: U ⁰, U ¹; порог переключения V_П; число входов (коэффициент объединения по входам) M; входные токи I ⁰ _вх, при U_вх=U ⁰, I ¹ _вх при U_вх=U ¹; коэффициент разветвления по выходу N (нагрузочная способность); помехоустойчивость к помехам - положительным и отрицательным: U⁺_п, U ^‑ _п; мощность P _э или ток, который питания I_пит, задержки переключения: t ⁰¹ _з из состояния 0 на выходе в состояние 1, t ¹⁰ _з из 1 на выходе в 0.

Основная статическая характеристика логических элементов – передаточная:

U_вых = f (U_вх) – зависимость потенциала на выходе от потенциалов на одном из входов, при постоянном значении на других входах. К входам и выходам логических схем подключаются такие же схемы. Передаточные характеристики бывают инвертирующие и неинвертирующие.

Рис. 26. Неинвертирующая передаточная характеристика

I – зона логического нуля по выходу,

II – зона логической единицы по выходу,

III – зона неопределенности.

U _Л= U ¹- U ⁰ – логический перепад;

DV_П= V ¹ _П - V ⁰ _П – ширина зоны неопределенности;

U⁺_П= V ⁰ _П - U ⁰; U^‑_П =U ¹- V ¹ _П - помехоустойчивость по положительной и отрицательной помехам, соответственно;

U⁺_П + U^‑_П = U_Л - DV_П;

V ⁰ _П , V ¹ _П – пороги переключения.

Т.к. DV_П<<U_Л, то V⁰_П»V¹_П»V_П

U_Л = E_ПИТ U⁺_П +U^‑_П £ E_ПИТ.

Следует использовать такие схемы, у которых , тогда

Помехоустойчивость следует рассчитывать для наихудшего случая:

U⁺_П= V ⁰ _{П MIN} - U ⁰ _MAX; U ^‑_П= U ¹ _MIN – V ¹ _{П МAX}

Рис. 27. Инвертирующая передаточная характеристика.

I – зона логического нуля по выходу,

II – зона логической единицы по выходу,

III – зона неопределенности.

Входная характеристика:

I_вх = f(U_вх) определяет входные токи

I⁰_вх ³0 вытекающего из схемы при U_вх=U⁰,

I¹_вх £0 втекающего в схему при U_вх=U¹,

Выходные характеристики:

U⁰_вых=f(I⁰_н), U¹_вых = f(I¹_н)

, , ,

По этим характеристикам определяются максимально допустимые токи.

,

, - известны; , - заданы.

Рис. 28. Выходная характеристика.

Если нагрузкой служат идентичные логические схемы, то

,

- коэффициент разветвления на выходе. С ростом помехоустойчивости N - уменьшается.

Мощность схемы:

Статическая:

Динамическая мощность:

C_П – паразитная емкость схемы

- частота переключения

Для определения задержек , используется схема рис. 29. Она состоит из трех логических схем одной серии: схемы, на выходе которой формируется входной сигнал для исследуемой схемы, самой исследуемой схемы и схемы, которая является нагрузкой для исследуемой. Такое подключение близко к реальным условиям работы логических схем.

Время задержки определяется как среднее арифметическое времени задержки переключения с логического нуля на логическую единицу и времени задержки переключения с логической единицы на логический нуль.

Рис. 29. Схема для определения задержек

Рис. 30. Определение задержек по переходной характеристике.

Длительность фронтов определяется по уровням 0.1 – 0.9, см. рис. 30:

Рис. 31. Определение длительностей фронтов по переходной характеристике.

Рис. 32. Зависимость задержки и энергии переключения от потребляемой мощности.

В настоящее время A_П достигает , Теоретический предел .

Классификация элементов по быстродействию:

сверх быстродействующие: нс

быстродействующие: нс

среднего быстродействия: нс

низкого быстродействия: нс

По мощности:

микромощные: мВт

маломощные: мВт

средней мощности: мВт

большой мощности: мВт

Е_пит выбирается из стандартного ряда от 1,2 до 12,6 В (См. [4]) для биполярных схем 2 - 5 В, для МДП 5 – 9 В. Если Е _пит уменьшается, то уменьшается P_Э, но, при этом, уменьшаются и , а времена задержек и фронтов возрастают.