Основные характеристики и параметры логических элементов

Основной статической характеристикой ЛЭ является передаточ­ная характеристика –зависимость выходного напряжения U_вых от напряжения на одном из входов при постоянных напряжениях на остальных входах, равных U ⁰ или U ¹в зависимости от типа ЛЭ. По виду пе­редаточной характеристики различают инвертирующие и неинвертирующие ЛЭ. На выходе первых (НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) получают инверсные по отноше­нию к входным логические сигналы, на выходах вторых (И, ИЛИ и др.) – прямые.

Рисунок 10.6 - Передаточные характеристики инвертирующих (а) и неинвертирующих (б) ЛЭ

Передаточные характеристики ин­вертирующего и неинвертирующего ЛЭ представлены соответственно на рисунке 10.6 а, б. Они имеют три четко выражен­ных участка. Участок 1 соответствует состоянию Uвых = U 0, участок 2 – со­стоянию Uвых = U 1. 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 единичного усиления, в которых выполняется условие . Входные напряжения, опре­деляющие границы участков, называются порогами переключения и . Разность напряжений лог. 1 и лог. 0 называют логи­ческим перепадом [1]: UЛ = U1 – U0. (10.1) Инвертор обладает не только функцией логического отрицания, но и электрическими функциями, а именно функцией усиления по мощности слабых электрических сигналов и их воспроизведения (формирование и квантование логического сигнала. Чем выше нелинейность передаточной

характеристики, тем выше квантовая способность инвертора. При идеальной прямоугольной передаточной характеристике (бесконечный коэффициент усиления) входной сигнал выше напряжения порога инвертора приводит к появлению на выходе напряжения логического нуля, а входной сигнал меньше напряжения порога создает на выходе напряжение логической единицы. В реальных случаях квантование сигнала проходит после прохождения двух-трех инверторов. При этом квантуется не только амплитуда сигнала, но и восстанавливается крутизна фронтов импульсов, обеспечивающая быстродействие логических преобразований.

Сложные логические функции реализуются с помощью разветвлен­ных цепей, состоящих из ЛЭ. При этом выход одного ЛЭ соединяют со входом другого. Поэтому логический сигнал U ⁰ или U ¹ с выхода предыдущего ЛЭ поступает на вход последующего. Входные напряже­ния U ⁰ и U ¹, задаваемые предыдущими ЛЭ, показаны на осях входных напряжений на рисунке 10.6.

Помимо логических сигналов на входах могут появляться напря­жения помехи, которые либо повышают, либо понижают входное на­пряжение. Если на входе действует напряжение U ⁰, то опасны помехи, имеющие положительную полярность, так как они повышают входное напряжение. При достаточно большом напряжении помехи рабочая точка на передаточной характеристике может сместиться в область переключения 3 (см. рисунок 10.6), что приведет к сбою в работе, т. е. лож­ному изменению выходных напряжений в цифровом устройстве. При поступлении на вход напряжения U ¹ и напряжения помехи отрицатель­ной полярности также возможно ложное переключение. Максимально допустимые постоянные напряжения помехи положительной полярно­сти (при напряжении U ⁰ на входе) и отрицательной полярности (при напряжении U ¹ на входе) определяют помехоустойчивость ЛЭ по отношению к статическим (длительно действующим) помехам. Эти напряжения отмечены на рисунке 10.6.

; (10.2)

. (10.3)

В тех случаях, когда область переключения 3 не очень широкая, т.е. , можно ввести средний порог переключения .

Для повышения помехоустойчивости необходимо увеличивать логический перепад и уменьшать «ширину» области переключения 3. Поскольку напряжение U¹ не может быть выше напряжения источника питания U_и.п , а напряжение U⁰ ниже нуля, то и . Идеальная передаточная характеристика, соответствующая максимальной помехоустойчивости, должна удовлетворять условиям U¹ = U_и.п, U⁰ = 0, ; тогда достигаются одинаковые и максимально возможные значения .

Рисунок 10.7 - Передаточная характеристика ЛЭ с гистерезисом

Бó льшие значения и при том же напряжении питания можно полу­чить только в специальных схемах с обратной связью, для которых переда­точная характеристика имеет гистерезис, как показано на рисунке 10.7. Для этой характеристики , , где – ширина петли гистерезиса. В предельном случае, когда , достигается максимально возможная помехо-устойчивость .

При оценке помехоустойчивости по формулам (10.2) и (10.3) следует учитывать, что входящие в них величины U ¹, U ⁰, , имеют технологический разброс, т. е. различаются даже для однотипных ЛЭ и зависят от температуры, напряжения источника питания, числа нагрузок аналогичных ЛЭ, присоединенных к выходу, и других усло­вий. Поэтому в этих формулах обычно используют наихудшие значе­ния величин; при этом в технических условиях приводят заниженные, но гарантируемые при заданных условиях эксплуатации значения и . Технологический разброс указанных выше напряжений велик для ЛЭ разных микросхем, но он значительно меньше для ЛЭ в составе одной микросхемы.

Соотношения (10.2) и (10.3) определяют как максимально допустимые постоянные напряжения помех, так и амплитуды импульсных помех большой длительности. Если длительность импульса помехи уменьша­ется настолько, что становится меньше времени переключения ЛЭ, то допустимая амплитуда импульсной помехи возрастает. Следова­тельно, импульсная помехоустойчивость может быть выше статической.

Входная характеристика – это зависимость входного тока I_вх 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. Для элементов на МДП- транзисторах входные токи в обоих состо­яниях пренебрежимо малы.

Выходная характеристика – это зависимость выходного напряже­ния U_вых от выходного тока I_вых при заданных 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 и – выходные токи низкого и высокого уровней.

Нагрузочная способность п (коэффициент разветвления на выходе) характеризует максимальное число ЛЭ, аналогичных рассматривае­мому, которые одновременно можно подключать к его выходу. Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число ЛЭ необходимо для построения сложной цифровой микросхемы. Однако увеличение на­грузочной способности ограничено, поскольку с ростом числа наг­рузок ухудшаются другие основные параметры ЛЭ, главным обра­зом статическая 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 напряжения U ¹ и повышению уровня напряжения U ⁰. Среднее время задержки сигнала возрастает вследствие увеличения емкости нагрузки. По этой причине в состав одной серии микросхем малой и средней степеней интеграции и в цифровых устройствах БИС вводят ЛЭ с различной нагрузочной способностью: n = 4...25.

Коэффициент объединения по входу т равен числу входов ЛЭ. С увеличением коэффициента m расширяются его логические возмож­ности за счет выполнения функций над большим числом логических переменных. При этом для создания сложного устройства требуется меньше ЛЭ. Однако увеличение числа входов, как правило, ухудшает другие основные параметры ЛЭ, прежде всего быстродействие. Для построения большинства цифровых микросхем достаточно иметь элементы с числом входов т = 3…4. Если требуются схемы с повышенным числом входов, то в серии микросхем вводятся специальные ЛЭ расширители числа входов.

Потребляемая мощность ЛЭ (мощность, потребляемая ЛЭ от источника питания) зависит от его логического состояния, так как изменяется ток I_и.п в цепи питания Логический элемент потребляет ток при U _вых = U ⁰ и ток при U_вых = U ¹. Поэтому средняя потребляемая мощность в статическом режиме

.

Зная среднюю мощность и число ЛЭ в цифровом устройстве N_л.э можно вычислить среднюю мощность, потребляемую устройством. Она равна P_срN_л.э. Уменьшить потребляемую мощность можно, снизив напряжение или ток питания. Однако при этом понизятся помехоус­тойчивость, а для многих типов ЛЭ и быстродействие. Наиболее эф­фективный способ уменьшения мощности Р_ср реализован в ЛЭ на КМДП- инверторах. В этих элементах токи в статическом режиме пренебрежимо малы, а мощность потребляется только при переключе­нии. Мощность, потребляемую дополнительно в процессе переключе­ния, называют динамической. Она пропорциональна частоте переклю­чения ЛЭ. Поэтому динамическую мощность определяют при задан­ной рабочей частоте, близкой к максимальной.

Быстродействие ЛЭ оценивают средним временем задержки рас­пространения сигнала t _зд.р.ср (средней задержкой), определяющим среднее время выполнения логической операции: ,

где и – времена задержки распространения сигнала при переходе напряжения на выходе от U ⁰ к U ¹ и от U ¹ к U ⁰ соответствен­но, измеряемые на уровне . Произведение средней задержки на максимальное число последовательно соединенных ЛЭ в устройстве дает наибольшую задержку сигнала в этом устройстве.

Временные диаграммы на входе и выходе инвертирующего ЛЭ при­ведены на рисунке 10.8. Задержки распространения и отсчиты­ваются на этих диаграммах либо по уровню усредненного порога пе­реключения , либо по уровню, соответ­ствующему половине логического перепада. Задержки необходимо измерять в условиях, учитывающих работу ЛЭ в цифровых устройст­вах. Поэтому входной сигнал U _вх(t) формируется аналогичным ЛЭ, а на выходе исследуемого ЛЭ подключают схему-нагрузку.

При упрощенном анализе переходных процессов в ЛЭ реальный входной сигнал заменяют импульсом прямоугольной формы. Соответ­ствующие временные диаграммы показаны на рисунке 10.9. Времена задер­жек, включения , выключения и переходов t ^{1, 0}, t ^{0, 1} отсчитыва­ют по уровням 0, 1 U_Л и 0, 9 U_Л. Среднюю задержку вычисляют из со­отношения .

Рисунок 10.8 - Диаграммы входного (а) и выходного (б) сигналов

Рисунок 10.9 - Определение времени задержки и переходов при переключении ЛЭ

В литературе часто приводят среднее время задержки в кольцевом генераторе, представляющем замкнутую в кольцо цепочку нечетного числа m инвертирующих ЛЭ. Схема кольцевого генератора, содержащая m инверторов, представле­на на рисунке 10.10. Если напряжение на входе первого инвертора в некоторый момент времени рав­но U ¹, то при нечетном числе инверторов на выходе последне­го элемента с задержкой m∙ t _зд.р.ср установится напряже­ние U ⁰ и начнется переключение первого инвертора в противоположное состояние. При этом в кольце­вом генераторе возбуждаются колебания с периодом T_Г = 2 m∙ t _зд.р.ср. Коэффициент 2 в этой формуле обусловлен тем, что для переключения первого инвертора в исходное состояние U_вх = U ¹ электрическое ко­лебание по цепочке инверторов должно пройти дважды. Измеряя пе­риод колебаний, можно вычислить среднюю задержку: . Для исключения зависимости измеряемой задержки от чис­ла инверторов в цепи последнее выбирают достаточно большим: .

Рисунок 10.10 - Схема кольцевого генератора

При заданных импульсных параметрах транзисторов среднюю за­держку ЛЭ можно уменьшить в определенных пределах, увеличив то­ки, потребляемые от источника питания, и уменьшив тем самым вре­мена перезарядки паразитных емкостей. Однако при этом возрастает потребляемая мощность. Таким образом, между средней задержкой и потребляемой мощностью ЛЭ существуют зависимость: чем меньше средняя задержка, тем больше потребляемая мощность.

В связи с этим для сравнения ЛЭ различных типов используют па­раметр, называемый работой переключения:

А_пер = Р_ср ∙ t _зд.р.ср. (10.4)

Чем выше качество схемотехнической и конструкторско-технологической реализации ЛЭ, тем меньше работа переключения. Для ЛЭ микросхем малой и средней степеней интеграции А_пер = 1…10 пДж, для логических элементов в БИС и СБИС А_пер = 0, 01…1 пДж.

Большинство основных параметров ЛЭ сильно зависит от напряже­ния источника питания U _и.п. При снижении U _и.п уменьшаются по­требляемая мощность и работа переключения, но ухудшаются помехо­устойчивость, нагрузочная способность и, как правило, снижается быстродействие. Заданные параметры большинства типов ЛЭ могут быть обеспечены лишь в сравнительно узком диапазоне отклонения напряжения питания от выбранного номинального значения ± (5...10)%.

Для сопоставления ЛЭ различных типов при заданном уровне тех­нологии, характеризуемом минимальным топологическим размером ∆, используют относительную площадь, выражаемую числом квадратов со стороной ∆ (литографических квадратов).

В настоящее время наиболее актуальны исследования и разработ­ки ЛЭ для СБИС и УБИС, проводимые в трех основных направлениях. Первое развивается на основе кремниевых МДП-транзисторов и поз­воляет получать максимальную степень интеграции (число элементов 10⁶ …10⁹ ) при достаточно высоком быстродействии (средняя задержка 0, 5…1 нс). Во втором направлении используются гетероструктурные кремниевые биполярные транзисторы Si-Ge и обеспечивается повышенное быстродействие (средняя задержка 0, 1…0, 5 нс), но при меньшей степени интеграции.

Третье направление позволяет достигать сверхвысокого быстродействия (средняя задержка 50…100 пс) при числе элементов 10³…10⁶, оно развивается на основе арсенид-галлиевых МЕП-транзисторов и гетероструктурных НЕМТ – транзисторов с высокой подвижностью электронов.