1. Основные параметры и характеристики логических элементов.

Логические элементы характеризуются следующей системой параметров:

– потенциалы, соответствующие 0 и 1; – ,;– порог переключения; – число входов (коэффициент объединения по входу); – входные токиприипри; – коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность); – устойчивость к помехам положительной и отрицательной полярности,; – мощностьили ток, потребляемые от источника питания; – задержки переключенияиз состояния 0 на выходе в состояние 1 ииз состояния 1 в состояние 0. Параметры определяются по статическим и переходным характеристикам. Основной статической характеристикой логических элементов являетсяпередаточная характеристика – зависимость потенциала на выходе от потенциала на одном из входов при постоянных значениях потенциала (или) на остальных входах. По типу передаточной характеристики элементы делятся на инвертирующие, на выходе которых образуется инверсия входных сигналов (элементы НЕ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ и др.), и неинвертирующие, сигналы на выходе которых не инвертируются (элементы И, ИЛИ и др.). Типичная передаточная характеристика инвертирующего элемента показана на рис. 1.1,а, неинвертирующего – на рис. 1.1,б.

а) б)

Рис. 1.1. Передаточные характеристики инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) логических элементов Так как в цифровом устройстве должно быть обеспечено четкое разделение (квантование) уровней логических 0 и 1, то передаточная характеристика имеет три явно выраженных участка: I – соответствующий состоянию ,II – состоянию ,III – промежуточному состоянию. Значения потенциала , соответствующие границам участков, называютсяпорогами переключения и,область между порогами –зоной неопределенности.

Из других статических характеристик ЛЭ можно отметить входную характеристику (служит для определения входных токов, вытекающего из схемы при,и втекающего в схему при) ивыходные характеристики ,.Коэффициент объединения по входу определяет число входов элемента, предназначенных для подачи логических переменных. Элемент с большим коэффициентом объединения по входу имеет более широкие функциональные возможности. Нагрузочная способность (или коэффициент разветвления по выходу) определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу данного элемента. Чем выше нагрузочная способность элементов, тем меньшее число элементов может потребоваться при построении цифрового устройства. Быстродействие логического элемента оценивается задержкой распространения сигнала от входа к выходу элемента. На рис. 1.2 показаны переходные характеристики инвертирующего и неинвертирующего логических элементов. Средняя задержка распространения сигнала . Этот параметр используется при расчете задержки распространения сигналов в сложных логических схемах.Помехоустойчивость оценивается наибольшим напряжением помехи, действующей на входе, которое не вызывает ложного переключения элемента из 1 в 0 или наоборот. Помехоустойчивость логического элемента можно оценить по передаточной характеристике. ,; (1.1), (1.2) где– логический перепад;– ширина зоны неопределенности.

Рис. 1.2. Переходная характеристика логического элемента

2. Сравнительная оценка базовых логических элементов

В настоящее время наиболее широко применяются микросхемы ТТЛ-типа (транзисторно-транзисторная логика), так как их параметры соответствуют требованиям разнообразной электронной аппаратуры. ТТЛ ИМС обладают сравнительно высоким быстродействием при относительно большой потребляемой мощности, высокой помехоустойчивостью и большой нагрузочной способностью.

Промышленность выпускает несколько разновидностей ТТЛ ИМС, в том числе ИС с диодами Шотки (ТТЛШ) повышенного быстродействия (но большей мощности потребления) и маломощные (но с меньшим быстродействием).

Микросхемы ЭСЛ-типа (эмиттерно-связанная логика) являются наиболее быстродействующими. Это обусловлено, в частности, тем, что транзисторы элемента работают в активном режиме, чем исключается время выхода из насыщения; перезарядка нагружающих вывод емкостей происходит достаточно быстро через малое выходное сопротивление эмиттерных повторителей.

Наряду с высоким быстродействием и большой нагрузочной способностью ЭСЛ-элемент отличается меньшей, чем ТТЛ-элемент, помехоустойчивостью (ввиду того, что для его переключения достаточен небольшой перепад входного напряжения), а также относительно большим потреблением мощности (за счет работы транзисторов в активном режиме и малых сопротивлений резисторов, дополнительно обеспечивающих быстродействие), что повышает требования к источникам питания и системе охлаждения.

Микросхемы КМОП-типа (на комплементарных МОП-транзисторах) отличаются исключительно малым потреблением мощности, за счет чего температура кристалла не превышает допустимой при весьма большом количестве компонентов на нем. Это позволяет изготовлять большие интегральные схемы (БИС) КМОП-типа с наивысшей в настоящее время степенью интеграции. Малая потребляемая мощность позволяет использовать аппаратуру на КМОП ИМС при ограниченных возможностях источников питания. Вместе с тем КМОП ИМС отличают высокая помехозащищенность и большое входное сопротивление, следствием чего является высокая нагрузочная способность (большой коэффициент разветвления по выходу). Наряду с этим КМОП-элемент имеет ограниченный коэффициент объединения по входу. Это связано с тем, что число входов равно числу нагрузочных транзисторов; за счет значительного падения напряжения на большом количестве отпертых нагрузочных транзисторов напряжение логической 1 на выходе может существенно снизиться. По быстродействию микросхемы КМОП-типа уступают микросхемам ЭСЛ- и ТТЛ-типов.

Параметр	Тип логики
	ТТЛ	ТТЛШ	ЭСЛ	КМОП
Напряжение питания , В	5	5	-5,2	3…5
Напряжение логической 1 , В	2,4	2,7	-0,9
Напряжение логического 0 , В	0,4	0,5	-0,6
Быстродействие , нс	20	5	2,9	50
Помехоустойчивость , В	Не менее 0,4	Не менее 0,5	0,2	Не менее 0,3
Потребляемая мощность , мВт	22	19	35	0,1
Коэффициент разветвления по выходу	10	10	15	50
Коэффициент объединения по входу	8	4	9	–

В ряде случаев цифровое устройство приходится выполнять не микросхемах разных типов (например, ТТЛ и ЭСЛ). При этом для согласования уровней логических 1, а также логических 0 применяют преобразователи уровней.

Промышленность выпускает микросхемы и других типов, в частности диодно-транзисторной логики (ДТЛ) и резисторно-транзисторной логики (РТЛ). ДТЛ ИМС представляют собой комбинацию диодной схемы И и транзисторного инвертора. РТЛ- и ДТЛ-типы микросхем относятся к ранним разработкам, не обладают необходимыми параметрами и выпускаются для ремонта аппаратуры, изготовленной ранее.

В таблице 1.1 сведены параметры элементов серий 155 (ТТЛ), 531 (ТТЛШ), 100 (ЭСЛ), 561 (КМОП).

3. Системы обозначений отечественных и зарубежных ИМС По конструктивно-технологическому исполнению все цифровые ИМС делятся на группы. По характеру выполняемых функций в аппаратуре ИМС подразделяются на подгруппы (например, логические элементы, триггеры и т.д.) и виды внутри подгрупп (например, триггеры универсальные, счетные, с задержкой и т.д.). Разделение цифровых ИМС на подгруппы и виды по функциональному назначению приведено в таблице 1.2.

В качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые рядом фирм, например американской фирмой Texas Instruments. Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозначение, и система обозначений отечественных серий существенно отличается от принятой за рубежом.

Рис. 1.3. Система обозначений микросхем фирмы Texas Instruments В качестве примера рассмотрим систему обозначений фирмы Texas Instruments (рис. 1.3). Полное обозначение состоит из шести элементов: 1. Идентификатор фирмы SN (для серий AC и ACT отсутствует). 2. Температурный диапазон (тип семейства): 74 – коммерческие микросхемы (температура окружающей среды для биполярных микросхем – 0…70°С, для КМОП микросхем – –40…+85°С), 54 – микросхемы военного назначения (температура окружающей среды – –55…+125°С). 3. Код серии (до трех символов): Отсутствует – стандартная ТТЛ серия. LS (Low Power Schottky) – маломощная серия ТТЛШ. S (Schottky) – серия ТТЛШ. ALS (Advanced Schottky) – улучшенная серия ТТЛШ. F (Fast) – быстрая серия. HC (High Speed CMOS) – высокоскоростная КМОП серия. HCT (High Speed CMOS with TTL inputs) – серия HC, совместимая по входу с ТТЛ. BCT (BiCMOS Technology) – серия с БиКМОП технологией. ABT (Advanced BiCMOS Technology) – улучшенная серия с БиКМОП технологией. LVT (Low Voltage Technology) – серия с низким напряжением питания. 4. Идентификатор специального типа (2 символа) – может отсутствовать. 5. Тип микросхемы (от двух до шести цифр). 6. Код типа корпуса (от одного до двух символов) – может отсутствовать. Например, N – пластмассовый корпус DIL (DIP), J – керамический корпус DIL (DIC), T – плоский металлический корпус. Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.

Рис. 1.4. Отечественная система обозначений микросхем по ГОСТ 17021–75 Отечественная система обозначений микросхем (ГОСТ 17021–75) отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 1.4). Основные элементы обозначенияследующие: 1. Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует. 2. Тип корпуса микросхемы (один символ) – может отсутствовать. Например, Р – пластмассовый корпус, М – керамический корпус, Б – бескорпусная микросхема. 3. Номер серии микросхемы (от трех до четырех цифр). 4. Функция микросхемы (две буквы). 5. Порядковый номер микросхемы по функциональному признаку в данной серии (от одной до трех цифр). Примеры обозначений: КР1533ЛА3, КМ531ИЕ17, КР1554ИР47. В таблице 1.3 приведены условные обозначения отечественных и зарубежных серий цифровых ИМС.

Тип логики	Серия	Функциональный аналог	Фирма
ТТЛ	К155	SN74	Texas Instruments
	КМ155	SN74	Texas Instruments
ТТЛШ	К531	SN74S	Texas Instruments
	КР1531	SN74F	Texas Instruments
	К555	SN74LS	Texas Instruments
	КМ555	SN74LS	Texas Instruments
	КР1533	SN74ALS	Texas Instruments
	К589	I3000
	КР1802	–
	К1804	Am2900
ЭСЛ	К500	MC10K	Motorola
	К1500	F100K
	К1800	MC10800	Motorola
	К1520ХМ1	F200
	К1520ХМ2	–
КМОП	К164	CD4000	RCA
	К176	CD4000	RCA
	К564	CD4000A, MC14000A	RCA, Motorola
	К561	CD4000A, MC14000A	RCA, Motorola
	КР1561	CD4000B, MC14000B	RCA, Motorola
	К1564	54HC	National Semiconductor, Motorola
	КР1554	74AC	Texas Instruments
	КР1594	74ACT	Texas Instruments