Тема 9. Параметри і характеристики цифрових інтегральних мікросхем

 

Цифрова мікросхема, як функціональний вузол, характеризується набором сигналів, які можна розділити на інформаційні (Х1, Х2, ..., Хn – вхідні, Y1, Y1, ..., Ym – вихідні) і керуючі (V1, V2, ..., Vk). Кожна конкретна ІМС у відповідності зі своїм функціональним призначенням виконує певні операції над вхідними сигналами (змінними), а вихідні сигнали являють собою результат цих операцій Yj = F (Х1, Х2, ..., Хn). Операторами F можуть бути як найпростіші логічні перетворення, наприклад, І, АБО, НЕ, і т. д., так і складні багатофункціональні перетворення, які мають місце, наприклад, у мікропроцесорах, БІС-пам'яті та ін.

Сигнали управління визначають вид операції, режим роботи ІМС, забезпечують синхронізацію, установку початкового стану, стробуючі вхідні та вихідні сигнали, задають адресу і т. д.

Від функціональної складності ІМС залежить і система її електричних параметрів, які в загальному випадку можуть мати десятки найменувань, причому багато з параметрів характерні тільки для ІМС якого-небудь одного класу. Тому нижче розглянемо ті параметри і характеристики, які характеризують більшість мікросхем. Надалі під час вивчення окремих пристроїв цей перелік у міру необхідності буде розширено.

 

6.1 Коефіцієнт об'єднання входу (К_ов)

Дорівнює числу входів логічного елемента. На них надходять логічні змінні, над якими даний елемент виконує логічну операцію. К_ов обмежує найбільше число змінних функції, яку реалізує даний ЛЕ. За недостатньої кількості входів замість одного доводиться використовувати кілька елементів, поєднуючи їх певним чином.

 

 

6.2 Коефіцієнт розгалуження по виходу (К_рпв)

Чисельно дорівнює кількості входів аналогічних елементів, якими можна одночасно навантажити вихід даного елемента без спотворення передачі інформації. Цей коефіцієнт характеризує навантажувальну здатність елемента і визначається виконанням його вихідного каскаду. Для різних елементів становить від декількох одиниць до декількох десятків.

 

6.3 Статичні характеристики

До статичних характеристик відносяться: вхідні ВАХ, визначальна залежність вхідного струму від вхідної напруги; вихідна ВАХ, що показує зв'язок між вихідною напругою і струмом; передатна, яка визначає залежність вихідної напруги від вхідної [3].

На рисунку 6.1 наведено типову передавальну характеристику інвертора ТТЛ-типу. За її допомогою можна визначити ряд параметрів ЛЕ, наприклад, рівні напруг логічної одиниці (U₁), логічного нуля (U₀), значення порогових напруг, за яких вихідний сигнал перемикається з 1-ці в 0 (U_0пор) і навпаки з 0 в 1-цю (U_1пор) , оцінити завадостійкість елемента.

Рисунок 6.1 – Передатна характеристика логічного елемента

 

6.4 Завадостійкість

Оцінюється найбільшою напругою статичної перешкоди U_пом, діючої на вході, яке не викликає помилкового перемикання елемента з 1 в 0, або навпаки.

Статичними прийнято називати перешкоди, величина яких залишається постійною протягом часу, що значно перевищує тривалість перехідних процесів у схемі. Причиною появи таких перешкод у більшості випадків є падіння напруги на провідниках, що з'єднують мікросхеми в пристрої. Найбільш небезпечні перешкоди виникають у шинах харчування. Падіння напруги на "земляній" шині, різні для різних ІМС, будуть підсумовуватися з вхідними сигналами і можуть призводити до збоїв. Для виключення подібних ситуацій необхідно уважно ставитися до розташування провідників, що підводить напруга живлення, і збільшувати за можливістю їх розтин.

Завадостійкість можна оцінити за передавальною характеристикою елемента (рисунок 6.1), визначивши значення U_0пом і U_1пом.

 

6.5 Динамічні характеристики і параметри

Характеризують швидкодію логічних елементів.

На малюнку 6.2 зображено зміну вихідної напруги в часі при перемиканні з
1-ці в 0 і навпаки.

Рисунок 6.2 – Динамічна характеристика логічного елемента

 

За цією характеристикою визначається час переходу елемента зі стану одиниці в нуль t 1, 0 і переходу в зворотній стан t 0, 1. Ці тимчасові інтервали вимірюються на рівнях 0,1 і 0,9 від перепаду вихідної напруги при перемиканні елемента (ΔU = (U_1вих – U_0вих)) (при цьому ємність навантаження повинна відповідати заданій) [2].

Часто швидкодія оцінюється часом затримки поширення сигналу під час включення t 0, 1 _зд.р. і виключена t 1, 0 _зд.р., а також середнім часом затримки поширення t_зд.р.ср (визначається як півсума затримок під час включення і виключення). Ці параметри вимірюються на рівнях 0,5 від перепадів вхідного і вихідного сигналів (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Динамічна характеристика оцінки швидкодії логічного елемента

 

6.6 Вид реалізованої логічної функції

Вище, під час викладення курсу, було розглянуто основні логічні елементи, що виконують різні функції: І, АБО, НЕ, І – НЕ, АБО – НЕ; ВИКЛЮЧАЮЧЕ АБО, виключає АБО – НЕ; І – АБО – НЕ; ПОВТОРЕННЯ (посилення цифрового сигналу) та ін.

 

6.7 Споживані струми і потужність

До основних параметрів часто також відносять струми, споживаний цифровий ІМС для двох її станів: I_1пот, I_0пот і споживану потужність Р_пот.

Р_пот. являє собою потужність, яку споживає мікросхема від джерела живлення в заданому режимі. Розрізняють Р_1пот і Р_0пот, споживані ІМС у станах логічної 1 і 0, а також середню споживану потужність:

 

                                            (6.1)

6.8 Вхідні та вихідні струми, напруги

I_0вх – граничний вхідний струм при сигналі 0 на вході;

I_1вх – граничний вхідний струм при сигналі 1-ці на вході;

U_1вих – мінімальна вихідна напруга при логічній 1 на виході за заданого струму навантаження;

U_0вих – максимальна вихідна напруга при сигналі 0 на виході за заданого струму навантаження;

I_{0вих max} – максимальний вихідний струм при логічному нулеві на виході;

I_{1вих max} – максимальний вихідний струм при логічній одиниці на виході.

 

6.9 Порогові напруги

Вхідна напруга, за якої відбувається різка зміна вихідної напруги, називається порогом перемикання U_пор. Амплітудна передавальна характеристика реального логічного елемента в перехідній області (штрихова лінія) не має явно вираженого порога перемикання (рисунок 6.1). Зміна вихідної напруги починається за одного значення вхідної напруги U_0пор, а закінчується за іншого U_1пор. Характеристика має зону невизначеності ΔU_пор = U_1пор-U_0пор, що викликано, зокрема, переходом транзистора з режиму відсічення в режим насичення і навпаки.

Порогова напруга логічного нуля U_0пор – найбільше значення низького рівня вхідної напруги, за якого відбувається перехід з одиничного стану в нульовий (рисунок 6.1). Порогова напруга логічної одиниці U_1пор – найменше значення високого рівня вхідної напруги, за якого відбувається перехід із нульового стану в одиничне (рисунок 6.1).

Значення U_0пор і U_1пор відрізняються на декілька десятих доль вольта, тому часто передавальна характеристика апроксимується (рисунок 6.4). Тепер Пор = U_1пор = U_0пор.

 

 

 

6.10 Допустимі значення основних параметрів

E_min, E_max – допустимі  значення напруги живлення;

U_1min, U_0max – допустимі значення рівнів логічних сигналів одиниці і нуля;

I_вх.max, I_0вих.max, I_1вих.min  – допустимий вхідний і вихідний струми в стані 0
і 1-ці.

Існує ще ряд параметрів, наприклад, техніко-економічних, які наводяться в технічній документації, що додається до ІМС, і в довідниках.

 

Рисунок 6.4 – Передатна характеристика порога включення логічного елемента