Описание логической функции цифровых схем

Для того, чтобы упростить анализ любых схем обычно фиксируют какие-либо параметры схемы. Для того, чтобы исключить влияние задержек распространения сигналов на выходные сигналы цифровых микросхем, можно рассматривать эти сигналы в статическом режиме.

Для того, чтобы исключить влияние конкретных схемных решений цифровых устройств, а также влияние конкретных значений выходного напряжения и токов нагрузки, входные и выходные сигналы цифровой схемы можно описывать цифрами '0' и '1'.

Выходные сигналы в простейших цифровых схемах зависят только от входных сигналов, и не зависят от их значений в предыдущие моменты времени. Такие цифровые устройства получили название комбинационных цифровых устройств. Обычно такие устройства описываются при помощи таблиц истинности.

Таблица истинности — это совокупность всех возможных комбинаций логических сигналов на входе цифрового устройства и значений выходных сигналов для каждой комбинации. Для того, чтобы не пропустить ни одной комбинации входных сигналов их обычно записывают в виде двоичного кода. Пример таблицы истинности приведен в таблице 1.

Таблица 1. Таблица истинности цифровой микросхемы

Для описания принципов работы комбинационной цифровой схемы полностью достаточно таблицы истинности. Этой же таблицы достаточно для создания её принципиальной схемы.

Цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС) предназначены для преобразования и обработки дискретных сигналов. Основой для них построения являются электронные ключи, обладающие тем свойством, что они могут находиться в одном из двух состояний и их действие заключается в переходе из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов. Одному из двух состояний ключа соответствует одно из двух фиксированных значений выходной электрической величины. Например, высокий или низкий потенциал, наличие или отсутствие импульса. Так как эти величины могут принимать два дискретных значения, то они являются двоичными переменными.Большинство ЦИМС относятся к потенциальным, сигналы на входах и выходах, которых представляют собой высокий или низкий уровень напряжений. Этим двум уровням напряжений ставятся в соответствие логические 1 и 0. В зависимости от кодирования сигналов различают положительную и отрицательную логику (смотрите таблицу).

Вид логики	Полярность напряжения источника питания
Положительная	Отрицательная
Положительная
Отрицательная

При положительной логике высокому уровню напряжения ставится в соответствие логическая единица, а низкому - логический ноль. При отрицательной логике наоборот.Цифровые интегральные микросхемы выпускаются сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие единое конструктивно - технологическое исполнение. В зависимости от схемотехнической реализации микросхемы делятся на следующие типы: транзисторная логика (ТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), транзисторная логика на МОП - транзисторах (МОП ТЛ).Параметры ЦИМС подразделяются на статические и динамические.

К статическим параметрам относятся:

- входное U⁰_вх и выходное U⁰_вых напряжения логического нуля;

- входное U¹_вх и выходное U¹_вых напряжения логической единицы;

- входной I⁰_вх и выходной I⁰_вых токи логического нуля;

- входной I¹_вх и выходной I¹_вых токи логической единицы;

- коэффициент разветвления по выходу К_раз, определяющий число единичных нагрузок, которое можно одновременно подключить к выходу микросхемы (единичной нагрузкой является один вход логического элемента данной серии);

- коэффициент объединения по входу K_об, определяющий число входов микросхемы, которые можно соединить вместе без потери ее работоспособности;

- допустимое напряжение статической помехи U_п.ст., характеризующее статическую помехоустойчивость микросхемы, т. е. ее способность противостоять воздействию мешающего сигнала, длительность которого превосходит время переключения микросхемы;

- средняя потребляемая мощность P_пот.ср.;Статические параметры потому и называются статическими, что определяются с помощью статических характеристик, которые снимаются при медленных изменениях токов и напряжений. Это обстоятельство позволяет пренебрегать переходными процессами. Влияние переходных процессов, имеющихся в любой реальной микросхеме учитывается при помощи динамических характеристик, которые мы рассмотрим позже. На следующем рисунке показан пример передаточной характеристики инвертирующих элементов (например, " И-НЕ ", " ИЛИ-НЕ ").

В действительности, для реальных микросхем наблюдается разброс характеристик за счет разброса параметров входящих в них радиоэлементов. Поэтому передаточная характеристика для некоторой совокупности однотипных элементов представляет собой не одну кривую, а некоторую область, ограниченную сверху и снизу двумя граничными кривыми, как показано на следующем рисунке:

При этом U¹_{вых max} и U¹_{вых min} - максимальный и минимальный уровни выходного сигнала, которые имеются хотя бы у одного из элементов данного типа. Аналогично рассматриваются U⁰_{вых min} и U⁰_{вых max}. На этом же графике отмечены уровни входных сигналов: U⁰_{вх max} - это такой уровень, при котором ни один из элементов данного типа не переключается из 1 в 0, U⁰_{вх min} - уровень входного сигнала, при котором на выходе любого элемента данного типа сохраняется сигнал логического нуля. По этой же характеристике можно определить запасы помехоустойчивости данного типа микросхем. достаточно провести прямые под углом 45 градусов от точек пересечения уровней U¹_{вых min} и U⁰_{вых max} с осью ординат до пересечения с осью абцисс. Сравнивая полученные точки на оси абцисс со значениями U⁰_{вх max} и U¹_{вх min}, определяют запасы помехоустойчивости по нулевому и по единичному сигналу на входе.

К динамическим параметрам, характеризующим свойства микросхемы в режиме переключения, относятся:

- время задержки сигнала при включении t⁰¹_зд.р - интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе U_вх микросхемы от U¹_вых до U⁰_вых, измеренный либо на уровне 0,5 амплитуды импульса, либо на уровне порога чувствительности;

- время задержки сигнала при выключении t¹⁰_зд.р - интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе U_вых микросхемы от U⁰_вых до U¹_вых, измеренный либо на уровне 0,5 амплитуды импульса, либо на уровне порога чувствительности.

Иногда в качестве параметров приводятся длительности фронтов нарастания и спада выходного напряжения t⁰¹_ф и t¹⁰_ф. На следующих рисунках вы можете увидеть входной и выходной сигналы цифровой инвертирующей микросхемы. Из рисункв вы можете увидеть, как измеряются все основные динамические параметры.