Характеристики і параметри цифрових інтегральних схем

Для оцінки властивостей логічних елементів використовують вхідну, вихідну і передавальну статичні характеристаки. Вхідна характеристика являє собою залежність Івх = f(Uвх), якщо Iвих = 0, і використовується для розрахунку умов узгодження даного елемента з попереднім в різних режимах роботи. Вихідна характеристика описується залежністю Iвих  = f(Uвих), якщо Івх = 0, і дозволяє розраховувати умови узгодження даного елемента. Передавальна характеристика - це залежність Uвих = f(Uвх), якщо Iвих = 0. Її використовують для визначення порогів справдовування елементів і їх завадостійкості у тій чи іншій схемі.

Статичні характеристики дозволяють визначати статичні параметри ЦІС: потужність споживання в стані логічного нуля Р°_{сп oж} (P_CCL); потужність споживання в стані логічної одиниці Р¹_спож (P_{CC н}) і середню потужність споживання Р_{сп oжюс}. (P_CCAV) - півсуму потужностей, що їх споживає мікросхема від джерел живлення в двох різних стійких станах; вхідну U⁰вх (U_IL) і вихідну U⁰вих (U_ОL) напруги логічного нуля; вхідну U¹вх (U_{I H}) і вихідну U¹вих,(U_{О H}) напруги логічної одиниці; вхідний  І⁰вх (I_L) і вихідний І⁰вих (I_OH) струми логічного нуля; вхідний І¹вх (I_IH) і вихідний І¹вих (I_OH) струми логічної одиниці; струм споживання ЇМС у стані логічного нуля I_CCL, у стані логічної одиниці (I_CCH); вихідну гіорогову напругу логічного нуля U⁰вих.пор (U_{TO L}) - найбільше значення низького рівня напруги IМС при пороговій напрузі на виході; вихідну порогову напругу високого рівня U¹вих.пор (U_{TO H}) - найбільше значення напруги високого рівня на виході ІМС при пороговій напрузі на вході; вхідну порогову напругу високого рівня U¹вх.пор (U_{T IH}) - найменше значення напруги високого рівня на вході ІМС, за якого відбувається перехід ІМС з одного стійкого стану в інший; вхідну порогову напругу низького рівня U⁰вх.пор (U_{T IL}) - найбільше значення напруги низького рівня на вході ІМС, за якого відбувається перехід ІМС з одного стійкого стану в інший; коефіцієнт об'єднання за входом K_NI - кількість входів мікросхеми, за яким реалізується логічна функція; коефіцієнт розгалуження за виходом N - кількість одиночних навантажень, які можна одночасно підключати до виходу мікросхеми; допустиму напругу статичної завади U_ст.з - найбільшу допустиму напругу статичної завади для високого й низького рівнів вхідної напруги, за якої ще не відбувається зміна рівнів вихідної напруги мікросхеми.

Властивості ЦІС в режимі перемикання характеризують динамічні параметри (рис. 11.3, б): t^0,1 (t_TLH) - тривалість переходу логічної мікросхеми зі стану логічного нуля у стан логічної одиниці; t^0,1 (t_TLH) - тривалість переходу ІМС із стану логічної одиниці у стан логічного нуля; t^1,0_затр (t _DHL.) -тривалість затримки вмикання (інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами під час зміни напруги на виході ІМС від напруги логічної одиниці до напруги логічного нуля); t^0,1_затр (t _DLH.) - тривалість затримки вимикання ІМС (інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами під час зміни напруги на виході ІМС від напруги логічного нуля до напруги логічної одиниці); t^1,0_{затр.пош} (t _PHL.) - тривалість затримки поширення сигналу під час вмикання (інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами під час зміни напруги на виході від напруги логічної одиниці до напруги логічного нуля, виміряний на рівні 0,5 амплітуди імпульсів); t^0,1_затр (t _PHL.) - тривалість затримки поширення сигналу під час вимикання ІМС (інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами під час зміни напруги на виході ІМС від логічної нуля до логічного одиниці), виміряний на рівні 0,5 амплітуди імпульсів); t^1,0_{затр.пош.с} (t _PAV.) - середня тривалість затримки поширення (інтервал часу, що дорівнює півсумі часу затримки поширення сигналу в моменти вмикання та вимикання ІМС).

Цифрові ІМС характеризуються широким діапазоном електричних параметрів. Найважливішим їх показником, що визначає багато властивостей та область використання, є швидкодія. Із цим параметром безпосередньо пов'язаний другий важливий показник - потужність, що споживається від зовнішнього джерела живлення. Чим вища частота перемикання схеми, тим витрачається більша потужність. У свою чергу, ця потужність визначає рівень потужності, яка розсіюється елементами ІМС, а через цей показник - допустиму щільність розміщення елементів у напівпровідниковому кристалі, тобто рівень інтеграції.

 

 

 

 

Рис. 11.3 - Визначення параметрів ЦІС:

а - передавальна характеристика інвертора;

б - осцилограми вхідних та вихідних імпульсів

 

Електронні ключі в ЦІС, перебуваючи в режимі насичення або відсікання, розсіюють незначну потужність (P_C = I_CU_CE). У цих режимах або струм малий, або напруга мала. Потужність, що розсіюється транзисторами, значно зростає під час перемикання, коли струм вже збільшився, а напруга ще не зменшилася до напруги насичення. Сумарна тривалість такого перехідного стану тим більша, чим більша частота інформаційних сигналів. Зрозуміло, що тривалість перемикання визначається затримкою вмикання - вимикання ключів.

Час затримки сигналів збільшує роботу перемикання, яка визначається добутком тривалості затримки на потужність, що споживається.