Основные характеристики и параметры логических элементов (стр. 1 из 3)

Основные характеристики логических элементов

Амплитудная передаточная характеристикаU_ВЫХ = f(U_BX) определяет формирующие свойства ЛЭ, его помехоустойчивость, амплитуду и уровни стандартного сигнала. Вид характеристики зависит от типа логического элемента (ЭСЛ, ТТЛ) и может изменяться в определенных пределах в зависимости от разброса параметров схем, изменений напряжения питания, нагрузки, температуры окружающей среды.

Рассмотрим типовую амплитудную передаточную характеристику (АПХ) инвертирующего ЛЭ (рис. 2.1). В статическом состоянии выходной сигнал ЛЭ может находиться либо на верхнем (U^B), либо на нижнем (U^H) уровне напряжения.

Асимптотический верхний (т. В) и асимптотический нижний (т. А) уровни логических сигналов находятся как точки пересечения АПХ (кривая 1) с ее зеркальным отображением (кривая 2) относительно прямой единичного усиления U_ВЫХ = U_ВХ. Разность

является логическим перепадом U_Л выходных уровней ЛЭ. На практике из-за влияния помех и разбросов амплитудных передаточных характеристик для каждого типа ЛЭ устанавливается минимальный логический перепад: , где - соответственно верхний и нижний уровни выходного порогового напряжения. Выходные пороговые напряжения находят с помощью пороговых точек b и а на характеристике, в которых дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_U=-1.

Зоны статической помехоустойчивости ЛЭ по нижнему (

)' и верхнему ( )' уровням напряжения в комбинационных логических цепях определяются выражениями:

где (

)', ( )' характеризуют максимально допустимые уровни статической помехи на входе ЛЭ в комбинационных логических цепях; — выходное пороговое напряжение нижнего уровня; - выходное пороговое напряжение верхнего уровня. Однако из-за наличия схем с положительной обратной связью в технической документации на все ИС зоны статической помехоустойчивости по входу ограничиваются входными пороговыми напряжениями: — по нижнему уровню и - по верхнему. Эти пороговые напряжения называются соответственно пороговым напряжением зоны переключения (порог зоны переключения) нижнего уровня и пороговым напряжением зоны переключения верхнего уровня. В зоне переключения, заключенной между пороговыми напряжениями, работа ЛЭ в статическом режиме запрещается.

Рис. 2.1. Амплитудная передаточная характеристика

инвертирующего ЛЭ

Рис. 2.2. Разброс амплитудных передаточных характеристик

логических элементов

Таким образом, статическая помехоустойчивость ЛЭ по нижнему уровню входного сигнала определяется выражением

а по верхнему уровню входного сигнала — выражением .

Максимальная помехоустойчивость ЛЭ по нижнему и верхнему уровням достигается при идеальной амплитудной передаточной характеристике, для которой

.

Реализация характеристик, близких к идеальным, связана с известными трудностями вследствие технологического разброса параметров микросхем при изготовлении, изменения пороговых напряжений в зависимости от изменения напряжения питания и температуры окружающей среды в процессе эксплуатации. Поэтому реально зоны статической помехоустойчивости для каждого типа ЛЭ устанавливают на основании статистического анализа амплитудных передаточных характеристик. На рис. 2.2 заштрихованная область соответствует возможным разбросам амплитудных передаточных характеристик ЛЭ одного типа.

При сопоставлении амплитудных передаточных характеристик ЛЭ разных типов часто используют не абсолютные значения статической помехоустойчивости, а их отношение к минимальному логическому перепаду:

Чем ближе амплитудная передаточная характеристика к идеальной, тем ближе значения этих коэффициентов к 0,5.

Входная характеристикаI_ВХ= f (U_BX)— зависимость входного тока ЛЭ от входного напряжения определяет нагрузочную способность ЛЭ и режим работы линий связи. На рис. 2.3, 2.4 приведены типовые входные характеристики логических элементов ИС ЭСЛ и ТТЛ. На входной характеристике ЛЭ ЭСЛ можно выделить следующие зоны, соответствующие возможным режимам работы входной цепи ЛЭ: I, V — зоны, определяющие рабочие режимы ЛЭ, т. е. входные токи при входных напряжениях низкого и высокого уровней, при . которых входные цепи имеют большое входное сопротивление (точки А и В соответствуют нижнему и верхнему уровням напряжений ЛЭ серии К500); II и IV — зоны статической помехоустойчивости; III —зона переключения ЛЭ (опорное напряжение U_ОП , определяемое как среднее напряжение между высоким и низким уровнями, для ЛЭ ЭСЛ серии К500 составляет примерно — 1.3 В; зона ограничивается пороговыми напряжениями

и ); VI — зона нерабочих режимов (U_{ВХ НАС} — напряжение насыщения входного транзистора — при увеличении входного напряжения входной ток резко увеличивается).

Рис. 2.3. Типовая входная характеристика ЛЭ ЭСЛ

На входной характеристике ЛЭ ТТЛ (см. рис. 2.4) можно выделить следующие зоны: I, IX — зоны недопустимых входных напряжений; II.VIII— зоны предельно допустимых входных напряжений, оговоренных в технических условиях; III, VII — зоны, определяющие рабочий режим ЛЭ; наиболее характерный режим при напряжении низкого уровня («0») — точка А, при напряжении верхнего уровня — точка В; IV, VI — зоны допустимых статических помех; V — зона переключения.

Выходная характеристикаU_ВЫХ = f (I_ВЫХ) — зависимость выходного напряжения ЛЭ от выходного тока нагрузки. Эта характеристика в совокупности с входной позволяет определить нагрузочную способность ЛЭ, режим его работы и способ согласования переходных процессов в линиях связи.

Так как в каждом из двух состояний ЛЭ в активном режиме находятся различные компоненты схемы, то различают выходные характеристики по нижнему

и по верхнему уровням выходного напряжения. Точка В на графике выходной характеристики ИС ЭСЛ (рис. 2.5) расположена в рабочей зоне верхнего логического уровня, точка А — в зоне нижнего уровня. Для определения рабочих точек А и В на выходную характеристику накладывают нагрузочные характеристики (R_H). Рабочие зоны выходных характеристик по верхнему и по нижнему уровням напряжения ЛЭ ТТЛ (рис. 2.6), как и ЛЭ ЭСЛ, ограничены выходными пороговыми напряжениями и допустимыми уровнями напряжений. Статическому состоянию выходного верхнего уровня при малой нагрузке соответствует точка В. Точка А, находящаяся на пересечении выходной характеристики нижнего уровня управляющего ЛЭ с входной характеристикой управляемого ЛЭ, определяет статическое состояние нижнего уровня.

Входные и выходные характеристики ЛЭ ТТЛ могут использоваться для оценки уровня помех, возникающих в линиях связи при переключении ЛЭ. В частности, для оценки отражений в длинных линиях связи используют также нагрузочную характеристику линии связи.

Рис. 2.4. Типовая входная характеристика ЛЭ ТТЛ

Рис. 2.5. Типовая выходная характеристика ЛЭ ЭСЛ

Рис. 2.6. Типовая выходная характеристика ЛЭ ТТЛ

Характеристика импульсной (динамической) помехоустойчивостиU_ПОМ = f (t_ПОМ) — зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности — необходима для оценки допустимого уровня импульсных помех малой длительности.

Эта характеристика зависит от амплитуды, длительности, формы сигнала помехи и скорости переключения ЛЭ. Обычно импульсная помехоустойчивость выше статической. Отсутствие в настоящее время достаточно надежных критериев ее оценки при массовом производстве микросхем со значительными технологическими разбросами импульсных параметров и их зависимостью от условий работы не позволяет приводить в технических условиях на ИС допустимую импульсную помехоустойчивость. Наиболее широкое распространение получил метод ее оценки с помощью характеристики, приведенной на рис. 2.7. Зависимость U_{ПОМ ИМП} = f (t_{ПОМ ИМП}) разделяет области допустимых (I) и недопустимых (II) импульсных помех. При больших длительностях импульсов помехи t_{ПОМ ИМП} > t₂ динамическая помехоустойчивость приближается к статической. При очень малых длительностях помехи (t_{ПОМ ИМП} < t₁) ЛЭ нечувствителен к ее амплитуде.