Основные параметры цифровых логических микросхем.

Различают электрические (статические, динамические), схемотехнические, конструктивные, интегральные и другие параметры цифровых интегральных микросхем.

К основным статическим параметрам относятся:

· входные напряжения низкого U_IL и высокого U_IH уровня. (U_IL- Low-level input voltage; U_IH -High-level input voltage);

· выходные напряжения низкого U_ОL и высокого U_OL уровня. (U_ОL - Low-level output voltage; U_OH- High-level output voltage);

· входные токи при низком I_IL и высоком I_IH уровнях входных сигналов_. (I_IL- Low-level input current; I_IH- High-level input current);

· выходные токи при низком I_ОL и высоком I_ОH уровнях выходных сигналов (I_OL -Low-level output current; I_OH -High-level output current);

· входные и выходные пороговые напряжения логических «0» (низкого уровня) и «1» (высокого уровня);

· токи потребления при низком I_CCL и высоком I_CCH уровнях выходных сигналов;

· нагрузочная способность;

· помехоустойчивость;

· потребляемая мощность.

В микросхемах, выполненных по технологии ТТЛ, ТТЛШ, в качестве стандартных приняты следующие значения входных/выходных напряжений:

 

U_IH ≥ 2,0 В; U_IL ≤ 0,8 В; U_OH ≥ 2,4 В U_ОL ≤ 0,4 В.

 

Значения токов высокого и низкого уровней на входе и выходе логического элемента зависят от типа элемента и технологии его изготовления (стандартная TTL, LS, AS, ALS, F и др.). Токи I_ОH и I_ОL, I_IH и I_IL протекают в противоположных направлениях. Причем I_ОL >> I_ОH. втекающие токи (I_OL , I_IH) имеют положительный знак, а вытекающие (I_ОH , I_IL) – отрицательный. Однако на практике для удобства чаще пользуются их модулями.

Ток, потребляемый от источника питания, зависит от технологии изготовления и типа логического элемента. Например, для логического элемента, выполненного по ЭСЛ технологии, без учета нагрузки он почти постоянный и не зависит от состояния. Для логического элемента, выполненного по TTL технологии, ток потребления имеет разные значения для состояний «0» и «1». Кроме того ток потребления существенно увеличивается во время переходных процессов при переключении логического элемента (амплитуда и продолжительность выбросов тока потребления зависят от характера и величины нагрузки, длины линии связи и других факторов).

Отношения n_L=I_OL/I_IL и n_H=I_OH/I_IH характеризуют нагрузочную способность логических элементов. Иногда этот параметр называют коэффициентом разветвления. Его значение n = min(n_L , n_H ) определяет максимальное число входов, логического элемента, которое допустимо подключать к выходу логического элемента этой же серии. Например, для базового элемента серии SN74

n = n_L= n_H= 10,

а для базового элемента серии SN74ALS

n=n_H= 20.

Помехоустойчивость оценивается наибольшим напряжением помехи на входе, которое не вызывает ложного переключения элемента из состояния логического «0» в состояние логической «1» и наоборот. Граничное (наихудшее) значение величины помехоустойчивости логического элемента можно определить из выражений:

 

Δ U_H= U_{OH min} – U_{IH min} =2,4 -2,0 = 0,4 В;

Δ U_H= U_{IL max} – U_{OL max} =0,8 -0,4 = 0,4 В.

 

Таким образом, помехи с уровнем напряжения менее 0,4 В не могут привести к сбою работы логического элемента TTL.

Мощность, потребляемая логическим элементом в статическом режиме от источника питания, определяется по известной формуле

 

Рпот = ,

 

где Ui – напряжение i-го источника питания, Ii – ток потребления в соответствующей цепи питания, i = 1,2…n. В силу различных значений тока потребления для состояний «0» и «1» потребляемые мощности Р¹_пот и Р⁰_пот будут разными. Поэтому как основной параметр используют среднюю потребляемую мощность

Р_{пот. ср.}= (Р¹_пот + Р⁰_пот)/2

Для логических элементов, потребляемых значительную мощность в режиме переключения, существует также понятие средней динамической потребляемой мощности, которая зависит от частоты прохождения импульсов Р_{пот. ср.д.}= f(Fимп).

Типовые значения рассмотренных параметров для микросхем серии SN74 фирмы TI сведены в таблицу 4:

Таблица 4

Некоторые параметры микросхем серии SN74

Серия ИМС	IIH, мкА	IIL, мА	IOH, мА	IOL, мА	P, мВт/вент.	n	Fmax, МГц
		-1,6	-0,4
74L		-0,18	-0,2	3,6
74H		-2	-0,5
74S		-2	-1,0
74LS		-0,4	-0,4
74ALS		-0,1	-0,4
74AS		-0,5	-2,0
74F		-0,6	-1,0

 

К основным динамическим параметрам относятся: время задержки при переходе (переключении) выходного сигнала с высокого уровня на низкий t_PHL (t ^1.0_{зад.пер} ), время задержки при переходе (переключении) выходного сигнала с низкого уровня на высокий t_PLH (t ^0.1_{зад.пер} ) и среднее время задержки переключения сигнала. Реже используются динамические параметры: время t^0.1 перехода из состояния «1» в состояние «0», время t^1.0 перехода из состояния «0» в состояние «1», время задержки включения t^1.0_зад и время задержки выключения t^0.1_зад. В паспортных данных на микросхемы могут указываться и другие динамические параметры, например, t_PZL – задержка переключения при переходе выходного сигнала из третьего состояния в высокое, t_PZL - задержка переключения при переходе выходного сигнала из третьего состояния в низкое, t_PHZ - задержка переключения при переходе выходного сигнала из высокого состояния в третье и др. На рисунке 1 представлена временная диаграмма, поясняющая содержательный смысл некоторых из рассмотренных динамических параметров.

 

Рис. 1. Основные динамические параметры цифровых интегральных микросхем

 

Задержки при переключении выходного сигнала t_PHL (t^1.0_{зад.пер} ) и t_PLH (t^0.1_{зад.пер} ) представляют собой временной интервал между входными и выходными сигналами на уровне 0,5 логического перепада входного и выходного сигналов. Среднее время задержки t_PD переключения выходного сигнала определяется из выражения:

t_PD = (t_PHL + t_PLH)/2.

Типовые значения средней задержки t_PD переключения выходного сигнала для микросхем серий SN74 приведены в таблице:

Таблица 5

Серии ИМС		74AL	74H	74S	74LS	74ALS	74AS	74F
tPD, нс					9,5		1,5

 

Время t^1.0 перехода из состояния «1» в состояние «0», измеряется на уровнях 0,9 и 0,1, а время t^0.1 перехода из состояния «0» в состояние «1» - на уровнях 0,1 и 0,9 логического перепада входного (выходного) сигналов.

Интервал времени между входным и выходным сигналами при переключении выходного напряжения из «1» в «0», измеренный на уровне 0,1 логического перепада входного сигнала и на уровне 0,9 логического перепада выходного сигнала, представляет собой время задержки включения t^1.0_зад логического элемента.

Аналогично, интервал времени между входным и выходным сигналами при переключении выходного напряжения из «0» в «1», измеренный на уровне 0,9 входного сигнала и на уровне 0,1 выходного сигнала, представляет собой время задержки выключения t^0.1_зад логического элемента.

Остальные динамические параметры на временной диаграмме не отражены.

К схемотехническим и конструктивным параметрам интегральных микросхем можно отнести тип корпуса, его габариты, количество выводов, количество источников питания, допуски на номиналы источников питания.

Надежностьинтегральных микросхем характеризуется интенсивностью отказов λ, вероятностью Р безотказной работы (Р=е^-λt) и временем Т₀ наработки на отказ (Т₀=1/λ_∑). Значение λ вычисляется по формуле:

λ=m/MT, где

m – количество вышедших из стоя микросхем;

M - общее количество микросхем;

Т – время испытаний;

(λ_∑ - суммарное значение для всех микросхем устройства).

Для отечественных микросхем λ≈10^-6-10^-10

Интегральные параметры отражают уровень развития технологии, качество интегральных микросхем. Наиболее часто используемыми интегральными параметрами являются степень интеграции N и энергия (работа) переключения Р_{пер. .}Степень интеграции определяется числом простейших двухвходовых вентилей (эквивалентных логических элементов) на кристалле или числом элементов (транзисторов, диодов, резисторов) без учета части площади кристалла, которую приходится расходовать на организацию связей для построения логических элементов или более сложных схем. Практические значения этого параметра могут находиться в диапазоне от нескольких десятков (интегральные микросхемы малой степени интеграции) до нескольких сотен тысяч (интегральные микросхемы большой и сверхбольшой степени интеграции) вентилей на кристалл.

Энергия (работа) переключения Р_пер. рассчитывается по формуле:

Р_пер. = Р_{пот. ср.} t_PD

Если средняя потребляемая мощность Р_{пот. ср.} измеряется в милливаттах, а средняя задержка распространения t_PD – наносекундах, то энергия переключения будет измеряться в пикоджоулях (пДж). По мере развития технологии энергия переключения непрерывно снижается. Параметр очень удобен для сравнения различных серий микросхем, уровня развития технологии их изготовления. Типовые значения этого параметра для микросхем серий SN74 приведены в таблице.

Таблица 6

Серии ИМС		74AL	74H	74S	74LS	74ALS	74AS	74F
Рпер. = Рпот. ср. tPD