Снижение нагрузок на выходах логических элементов

Снижение нагрузок на выходах логических элементов может понадобиться, если нагрузки превышают допустимые значения, а также для повышения бы­стродействия схем, на которое нагрузки элементов оказывают самое непо­средственное влияние. Чем больше у элемента – источника сигнала – число нагрузок (или нестандартных внешних нагрузок), тем большее время тратится на достижение выходным сигналом порогового уровня при переключении, т. е. на изменение его логического состояния. Для предотвращения потерь быстродействия из-за нагрузок на выходах сильно нагруженных элементов применяют буферизацию (рис. 13, б) или разделение нагрузки (рис. 13, в).

Введение буферных каскадов ускоряет работу источника сигнала, но вносит собственную задержку в тракт передачи сигнала. Будет ли в конечном счёте эффект ускорения, определяется конкретным расчётом.

При разделении нагрузки новые элементы с задержками в тракт передачи сигнала не вводятся, но увеличивается нагрузка на тот источник сигнала, который питает рассматриваемую схему. Поэтому и здесь эффективность должна оцениваться конкретным расчётом.

Прошлое и настоящее малых и средних
интегральных схем

Малые и средние интегральные схемы (МИС и СИС) – старейшие на рын­ке цифровых элементов. Микросхемы ТТЛ появились в 1963 г., в после­дующие 10-15 лет были разработаны сотни их разновидностей. Позднее были освоены микросхемы типа КМОП, которые в то время проигрывали биполярным схемам по быстродействию, но всегда отличались высокой компактностью, энергетической экономичностью, высокой помехоустойчи­востью, способностью работать при изменениях питающего напряжения в широких пределах. Элементы КМОП по мере повышения их быстродейст­вия стали всё более вытеснять микросхемы ТТЛ, оставляя за ними схемо­технику буферных, согласующих и других элементов, которые должны со­хранять высокое быстродействие при больших нагрузках. Наряду с этими типами цифровых микросхем широко применялись и элементы ЭСЛ для особо скоростных устройств. Другие схемотехнические типы элементов применялись гораздо реже. В течение нескольких десятилетий микросхемы ТТЛ, КМОП, ЭСЛ выпускались в виде МИС и СИС, и проектировщики успели основательно привыкнуть к этому виду элементной базы.

Сейчас выпуск и использование ИС невысокого уровня интеграции не прекратились (МИС и СИС производятся девятью крупными фирмами), но их роль во многих случаях изменилась. Возможность размещать на кристалле все больше и больше транзисторов привела к развитию новых средств для построения цифровых устройств – микросхем высокого уров­ня интеграции с программируемой изготовителем или пользователем структурой. Новые кристаллы стали заменять всё большее и большее чис­ло стандартных МИС и СИС. Основная работа в части логических преоб­разований информации стала выполняться большими и сверхбольшими интегральными схемами (БИС и СБИС). И где-то в середине 1990-х гг. разработка новых функциональных вариантов МИС и СИС фактически прекратилась (до этого времени серии стандартных элементов постоянно пополнялись новыми типами микросхем). Но МИС и СИС не исчезли из сферы цифровых элементов (сохранились как их существование, так и их использование), в то время как принципы “корпусирования” под воздейст­вием потребностей практики обогатились новыми подходами. Появилось так называемое одновентильное корпусирование логических схем (Single-gate Logic). Ранее, начиная с возникновения ТТЛ, проектировщики стремились получить в одном корпусе побольше элементов, и изготовители старались максимально наполнить имеющиеся в их распоряжении корпуса, разме­щая в них несколько идентичных элементов. Например, в корпусе с 14 вы­водами размещали 4 элемента 2И-НЕ (рис. 14, а).

а

б

Рис. 14. Традиционное (а) и одновентильное (б)
корпусирование малых интегральных схем

Такой подход естественен для ситуации, когда МИС и СИС были основой цифровых устройств. Сейчас положение иное – основная работа ложится на схемы высокого уровня интеграции. Однако ограничиться только БИС и СБИС при построении устройств и систем не удаётся. Практически всегда возникает потребность в реализации одиночных логических функций или преобразовании уровней сигнала или буферизации линий интерфейса и т. д. Для удовлетворения подобных потребностей одновентильные схемы, т. е. схе­мы, реализующие одну несложную функцию, размещают в сверхминиатюр­ные корпуса (площадью в единицы квадратных миллиметров) с поверхност­ным монтажом (рис. 14, б). Малые размеры микросхем в сочетании с совершенными технологическими процессами их изготовления позволяют получить элементы высокого быстродействия (задержки около 3 нс). На­пряжения питания сверхминиатюрных МИС варьируются (5; 3,3; 2,5; 1,8 В с перспективами дальнейшего снижения)