Основные характеристики цифровых микросхем

Цифровые интегральные микросхемы предназначены для обработки и хранения информации, представленной в виде двоичных чисел.

К основным параметрам относятся:

- быстродействие;

- потребляемая мощность;

- помехоустойчивость;

- нагрузочная способность;

- уровни напряжений источника питания;

- уровни напряжений логической единицы и нуля.

Быстродействие определяется динамическими параметрами, среди которых наиболее универсальным является среднее время задержки распространения сигнала. Зная время задержки базового элемента, можно суммированием рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы для всех последовательно включенных элементов. Эта закономерность связывает время задержки распространения с предельной рабочей частотой, которая является основным динамическим параметром цифровых автоматов.

Мощность, потребляемая элементом от источника питания, в каждом состоянии (в состоянии 1 или 0) различна. В связи с этим измеряют статическую среднюю мощность и динамическую мощность, определяемую на предельной рабочей частоте. Мощность, потребляемая микросхемами, увеличивается с повышением частоты сигналов.

Помехоустойчивость логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем случайного напряжения, которое может присутствовать на его входе без опасности ложного срабатывания. Статическая помехоустойчивость логического элемента полностью определяется помехоустойчивостью ключа, входящего в состав элемента. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы, длительности и амплитуды помехи, а также от скорости переключения и статической помехоустойчивости логического элемента.

Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу, определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без нарушения его работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагрузочной способности ухудшаются другие параметры: уменьшаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность.

При серийном выпуске микросхем стала необходимой стандартизация напряжения питания и для большинства серий, построенных на биполярных транзисторах, работающих в ключевом режиме (так называемая транзисторно-транзисторная логика — ТТЛ), стандартным напряжением питания является 5 В ± 5%. Микросхемы на основе КМДП структур могут работать при 3...15 В. Микросхемы на биполярных транзисторах, работающих в активном режиме (так называемая эмиттерно-связанная логика — ЭСЛ), работают от источников питания с отрицательным напряжением минус 5,2 В ± 5%.

Базовые логические элементы

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент, на котором могут быть собраны устройства, выполняющие любые логические операции. Обычно в качестве базовых берут элементы, выполняющие операции И — НЕ или ИЛИ — НЕ.