Параметры и характеристики логических элементов

Важнейшей характеристикой ЛЭ является передаточная (статическая) характеристика: зависимость выходного напряжения от входного U₀ = f(U_I). 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 (рисунок 5.12). Разность между пороговыми значениями верхнего и нижнего выходных уровней U_оht − U_olt = ∆U является логическим перепадом схемы. Выходные пороговые напряжения находят с помощью пороговых точек а и b, в которых дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_u = 1.

Логические схемы в устройствах соединяются последовательно, поэтому их входные напряжения определяются выходными напряжениями предыдущих схем.

Входные и выходные характеристики ЛЭ ТТЛ -типа могут быть использованы для оценки уровня помех, возникающих в линиях связи во время переключения ЛЭ.

Рисунок 5.12 - Передаточная характеристика ЛЭ

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 U_OH, U_OL;

входные и выходные токи высокого и низкого уровней I_IH, 1_1L, I_OH, I_OL;

выходные токи высокого и низкого уровней в состоянии "Выключено" I_ozh, I_ozl - для микросхем с тремя состояниями на выходе;

входные пороговые напряжения высокого и низкого уровней U_IHT, U_IHT;

токи потребления в состоянии высокого и низкого уровней I_ССH, I_ССL;

ток потребления в состоянии "Выключено" I_ССZ - 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.

Мощность, потребляемая схемой от источников питания, определяется как , где - напряжение i- го источника питания; I_CCi - ток потребления в соответствующей цепи питания.

Если потребляемая мощность различна в состоянии высокого и низкого уровней на выходе схемы, то в качестве основного параметра в ТУ приводят среднюю потребляемую мощность: Р_CCaU = (Р_CCН + Р_CCL )/ 2.

Рисунок 5.13 - Временная диаграмма входного и выходного сигналов инвертирующего ЛЭ

Потребляемая мощность схемы зависит от частоты переключения. Эта зависимость Р_сс= f (F) обычно приводится в технической документации на микросхему, где F - частота следования входных импульсов.

Основными параметрами ЛЭ при работе в динамическом режиме являются (рисунки 5.13, 5.14):

время задержки распространения сигнала при включении и выключении t_PLH, t_PHL, 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:

t_Рav= (t_РHL + t_РLH) / 2;

Рисунок 5.14 - Временная диаграмма входного и выходных сигналов для ЛЭ с тремя состояниями на выходе

время спада t_f и нарастания t_r 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 t_DHL и выключения t_DLH - 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 t_PZL и обратно t_PLZ, а также из состояния "Выключено' в состояние высокого уровня t_PZH и обратно t_PHZ - для схем с тремя состояниями на выходе (рисунок 5.13);

максимальная рабочая частота схемы F_max - частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.

Быстродействие ЛЭ микросхемы определяется его схемотехникой, технологией и зависит от емкости нагрузки, температуры окружающей среды, напряжения источника питания.

Основными параметрами, позволяющими производить сравнение базовых ЛЭ различных серий, являются время задержки распространения сигнала t_р, потребляемая ЛЭ мощность Р_сс и работа переключения - произведение потребляемой мощности на время задержки A = P_cc·t_p (рисунок 5.15).

Работа переключения обычно выражается впикоджоулях, если мощность потребления - в милливаттах, а задержка распространения сигнала - в наносекундах. При сравнении базовых ЛЭ чаще всего используют типовые значения параметров. По величине работы переключения и числу ЛЭ на кристалле можно судить об уровне развития технологии и схемотехники цифровых микросхем.

Сравнение различных серий, выпускаемых отечественной промышленностью (табл. 5.2), показывает, что наименьшая работа переключения для биполярной технологии достигнута на ИМС КР1533, а для КМОП -технологии – на KP1554. Еще более впечатляющие результаты получены с использованием арсенида галлия - ИМС К6500.

Рисунок 5.15 - Зависимость времени задержки распространения сигнала от мощности потребления для различных технологий

Использование диодов Шотки и усовершенствованного технологического процесса, в том числе применение изопланарной технологии, позволило уменьшить потребляемую мощность и времена задержек и создать маломощные (533, К555, КР1533) и быстродействующие (530, КР531, КР1531) ТТЛШ ИМС.

Дальнейшее усовершенствование КМОП -технологии, создание транзисторов с длиной канала 1,2 мкм позволило разработать новую микромощную серию ИС КР1554 с быстродействием до 125 МГц, аналогичным для быстродействующих биполярных ТТЛШ ИМС. Однако малая потребляемая мощность таких схем характерна на частотах до 10...30 МГц. С увеличением рабочей частоты переключения КМОП ИМС растет динамическая потребляемая мощность. На частотах свыше 10 МГц мощность потребления возрастает и становится соизмеримой с мощностью потребления ТТЛШ ИМС.

Таблица 5.2 - Сравнение различных серий микросхем, выпускаемых отечественной промышленностью

Технология	Схемотехническое исполнение	ИС	Электрические параметры	Зарубежный аналог, фирма
P cc, мВт/ЛЭ	tp, мс/ЛЭ (Сн = 15 пФ)	Работа переключения (P cc tp), пДЖ	Частота переключений тригеров, МГц
Биполярная	ТТЛ (Si)	К155, КМ155, К133, КМ133				До 35	SN74 Texas Instruments
ТТЛШ (Si)	530, КР531, КМ531 КР1531 533, К555, КМ555 1533, КР1533		9,5		До 125 До 130 До 45 До 100	SN54S/74S Texas Instruments 74F (FAST) Fairchild SN54LS /74LS Texas Instruments SN54ALS /74ALS Texas Instruments
ЭСЛ (Si)	100, К500 К1500		0,75		До 125 До 300	MC 10000 Motorola F100K Motorola
Униполярная	КМОП (Si)	564, К561 КР1554	0,0025 на 1 МГц 0,0025 на 1 МГц 0,0025 на 1 МГц	3,5	0,1 0,025 0,008	До 10 До 30 До 125	СД4000А, RCA 54HC National Semiconductor 74AC (FACT) Fairchild
НОПТШ (GaAs)	К6500	3…6	0,1	0,3…0,6		10G000, Gigabit Logic

Наибольшее быстродействие в биполярных схемах на кремнии достигнуто на ЛЭ ЭСЛ -типа, однако работа переключения таких микросхем довольно велика из-за большой мощности потребления. Минимальное время задержки, полученное в ЭСЛ ИМС (К1500), составляет 0,7 нс/ЛЭ при мощности потребления 40 мВт (рисунок 5.15).

Сверхвысокое быстродействие при малой мощности потребления удалось достичь в микросхемах на арсениде галлия. Работа переключения ЛЭ таких схем составляет десятые доли пикоджоуля при быстродействии 100...150 пс.

Снижение работы переключения цифровых микросхем различных схемотехнических решений за последнее десятилетие составило несколько порядков. Дальнейшее ее уменьшение связано с технологическими ограничениями (минимальными размерами элементов, глубинами залегания переходов и т. д.).

Минимальные топологические размеры, реализованные в микросхемах, близки к предельно достижимым значениям, поэтому дальнейший прогресс в микроэлектронике возможен в результате использования новых полупроводниковых материалов со значительно большей подвижностью носителей заряда. Такими перспективными материалами являются арсенид галлия GaAs, фосфид индия InР и др. Реально ограничения работы переключения обусловлены физическими процессами в транзисторах и основными свойствами, полупроводникового материала.