Основные характеристики и параметры логических элементов

Основной статической характеристикой логического элемента (ЛЭ) является передаточная характеристика – зависимость выходного напряжения от напряжения на одном из входов при постоянных напряжениях на других, равных или в зависимости от типа элемента. Передаточная характеристика инвертирующего ЛЭ представлена на рис. 3.20.

Она имеет три четко выраженных участка. Участок 1 соответствует состоянию , участок 2 - состоянию . Кроме того, имеется промежуточный участок 3, на котором состояние ЛЭ не определено. В статическом режиме соответствующие участку 3 значения напряжений недопустимы. Границы участков определяются точками А и В единичного усиления, в которых . Входные напряжения, определяющие границы участков, называют порогами переключения и . Разность напряжений логической 1 и логического 0 называют логическим перепадом . В тех случаях, когда область переключения не очень широкая, т.е. , пользуются понятием среднего порога переключения .

Помимо логических сигналов на входах могут появляться напряжения помехи, которые либо повышают, либо понижают входное напряжение. Если на входе действует напряжение , то опасны помехи, имеющие положительную полярность, т.к. при достаточно большом напряжении помехи рабочая точка на передаточной характеристике может сместиться в область переключения 3, что приведет к сбою в работе, т.е. ложному изменению выходных напряжений в цифровом устройстве. При поступлении на вход напряжения и напряжения помехи отрицательной полярности также возможно ложное срабатывание. Из рис. 3.20 видно, что максимально допустимые напряжения помехи положительной полярности при на входе и отрицательной полярности при на входе соответственно. Для оценки помехоустойчивости ЛЭ помимо напряжений и используют относительные величины и , называемые коэффициентами помехоустойчивости.

Входная характеристика – это зависимость входного тока от напряжения на данном входе при постоянных напряжениях на остальных входах. Для ЛЭ на биполярных транзисторах по этой характеристике определяют входные токи для двух состояний: ток низкого уровня при , вытекающий из данного входа, и ток высокого уровня при , втекающий в этот вход.

Выходная характеристика – это зависимость выходного напряжения от выходного тока при постоянных напряжениях на входах. В общем случае таких характеристик может быть две: для напряжения низкого уровня на выходе и для напряжения высокого уровня на выходе , где - выходной ток низкого уровня, втекающий в ЛЭ, и - выходной ток высокого уровня, вытекающий из ЛЭ.

Коэффициент разветвления по выходу n (нагрузочная способность) характеризует максимальное число логических элементов, аналогичных рассматриваемому, которые можно подключить к его выходу. Увеличение нагрузочной способности ограничено, поскольку с ростом числа нагрузок ухудшаются другие основные параметры ЛЭ, главным образом помехоустойчивость и быстродействие. Так помехоустойчивость ЛЭ на биполярных транзисторах уменьшается с ростом числа нагрузок, так как увеличиваются выходные токи в обоих состояниях, а это приводит к снижению уровня и повышению уровня . Среднее время задержки сигнала возрастает вследствие увеличения емкости нагрузки. По этой причине в состав одной серии микросхем вводят ЛЭ с различной нагрузочной способностью: n=4 …25. Коэффициент объединения по входу m равен числу входов ЛЭ. Обычно m = 2 … 8.

Мощность, потребляемая ЛЭ от источника питания, зависит от его логического состояния, т.к. изменяется ток в цепи питания. ЛЭ потребляет ток при и ток - при , поэтому средняя потребляемая в статическом режиме мощность равна . Зная среднюю мощность, потребляемую одним элементом, и число ЛЭ N в цифровом устройстве, можно вычислить среднюю мощность , потребляемую всем устройством.

Мощность, потребляемую ЛЭ дополнительно в процессе переключения, называют динамической. Она пропорциональна частоте переключения ЛЭ, поэтому динамическую мощность определяют при заданной частоте переключения, близкой к максимальной. В основном динамическая мощность связана с затратами энергии на заряд паразитных емкостей.

Быстродействие ЛЭ оценивается средним временем задержки распространения сигнала

,

где и - времена задержки распространения сигнала при переходе напряжения на выходе от значения к и от к соответственно, измеряемые на уровне 0,5 (см. рис. 3.21).

Представляют интерес длительности фронтов импульсов и , измеряемые между уровнями 0,1 и 0,9 от амплитуды, при переходе напряжения на выходе от . к и от к соответственно.

Для измерения среднего времени задержки распространения сигнала часто используют кольцевой генератор, представляющий замкнутую в кольцо цепочку нечетного числа К инвертирующих ЛЭ. Схема генератора представлена на рис. 3.22. В таком генераторе возбуждаются колебания с периодом .

 

При единичной нагрузке каждого инвертора и большом количестве инверторов К, а также при подключении измерительного прибора через развязывающий инвертор, удается определить минимальное значение для оценки предельного быстродействия ЛЭ.

Для сравнения ЛЭ различных типов используют параметр, называемый работой переключения . Чем выше качество схемотехнической и конструкторско-технологической реализации ЛЭ, тем меньше работа переключения. Для большинства семейств цифровых микросхем работа переключения находится в пределах 0,1…500 пДж.

Диодно-транзисторная логика

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) – одна из первых разработок цифровых микросхем на биполярных транзисторах, сохранившая значение до настоящего времени. Схема простейшего базового ЛЭ ДТЛ (рис. 3.23) реализует логическую функцию И – НЕ .

 

В ней логическая функция И осуществляется диодами D1, D2 и резистором R1, а транзистор, работающий в ключевом режиме, выполняет функцию инверсии НЕ. Только в том случае, когда на всех входах действуют высокие уровни напряжения , диоды D1 и D2 заперты и по цепи источник питания, резистор R1, переходы диодов D3, D4 и переход база – эмиттер транзистора протекает ток, достаточный для насыщения транзистора. Напряжение на коллекторе насыщенного транзистора близко к нулю.

Если хотя бы на одном из входов действует низкий уровень напряжения , то соответствующий диод откроется (например D1) и через него потечет большой ток, вследствие чего напряжение в точке А соединения анодов диодов будет мало и недостаточно для открывания двух переходов диодов D3, D4 и эмиттерного перехода транзистора, соединенных последовательно. Транзистор закрыт, его коллекторное напряжение близко к Е и представляет собой высокий уровень . На рис. 3.23.б представлены для иллюстрации работы ЛЭ И – НЕ временные диаграммы входных и выходных сигналов.