Cборник_ЛР

Лабораторная работа № 1

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАК-

ТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ И

МЕТОДИКИ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Цель работы: изучение методики получения статических характеристик типа I = f(U), Uy = f(Ux); приобретение практических навыков работы с прибо-

рами лабораторного стенда; определение функциональных параметров схемы.

Теоретические сведения

Параметры логических элементов

Исследование функциональных параметров цифровых интегральных схем

(ИС) того или иного типа является задачей одинаково важной как для разра-

ботчиков ИС, так и для их потребителей. Ее актуальность не зависит от степе-

ни интеграции ИС. Любую цифровую ИС можно рассматривать как некий ло-

гический элемент (ЛЭ), который используется для построения более сложных вычислительных устройств. В свою очередь любая цифровая ИС сама состоит из ЛЭ, расположенных на одном кристалле, взаимодействие которых можно учесть путем анализа функциональных возможностей ЛЭ.

Параметры, характеризующие ЛЭ, делятся на следующие группы [1]:

функциональные, определяющие эксплуатационные возможности

ЛЭ;

измеряемые, представляющие собой измеряемые физические вели-

чины, через которые выражаются функциональные параметры;

режимные, обеспечивающие определенные условия проведения из-

мерений и эксплуатации ЛЭ;

3

технико-экономические, позволяющие сравнивать ИС по производ-

ственным затратам.

На рис.1.1 показана обобщенная схема возможных соединений ЛЭ в вы-

числительных устройствах.

Подразумевается, что используются ЛЭ, изготовленные по одной техноло-

гии, а их логические функции реализуются схемотехнически одинаково. Из наиболее распространенных типов ЛЭ это могут быть, например, транзистор-

но-транзисторные логические (ТТЛ) схемы, эмиттерно-связанная логика

(ЭСЛ), n-МОП-схемы, комплементарные МОП-схемы и др.

ЛЭ

ЛЭ

Вход

Рис.1.1 Обобщенная схема соединений логических элементов в вычислительных устройствах

Для исследуемого (заштрихованного на рисунке) ЛЭ справедливы сле-

дующие определения функциональных параметров:

L - коэффициент объединения по входу;

п - количество входов ЛЭ;

4

М - коэффициент объединения по выходу;

т - количество выходов ЛЭ;

N - коэффициент разветвления по выходу. Максимальное допустимое зна-

чение N(NД) называется нагрузочной способностью;

Fj - логическая функция, реализуемая логическим элементом по j-му вы-

ходу;

Рср - среднее значение потребляемой мощности, в статическом режиме оп-

ределяемое как

Pj

Pср j2n ,

где Рj - мощность, рассеиваемая ЛЭ в j-м логическом состоянии, логическое состояние определяется значениями логических переменных на каждом из n

входов.

Измеряемые параметры делятся на статические и динамические. В на-

стоящей лабораторной работе обсуждаются только статические параметры:

- напряжения логических уровней “0” и “1” на входах

и выходах ЛЭ;

U л - величина логического перепада, Uл U1 U 0 ;

Uпу0 , Uпу1 - помехоустойчивость ЛЭ для рабочих точек Uвх0 и Uвх1 ;

Uпз0 , Uпз1 - помехозащищенность ЛЭ для рабочих точек Uвх0 и Uвх1 ;

Iвх0 , Iвх1 - входной ток для логических уровней Uвх0 и Uвх1 ;

IИПj - ток, потребляемый ЛЭ от источника питания в j-м логическом со-

стоянии.

Режимные параметры:

UИП - напряжение источника питания;

5

Tmax, Tmin - температурный диапазон;

Iн0 , Iн1 - токи нагрузки, для которых определяются величины логических

уровней Uвых0 и Uвых1 .

Условия спецвоздействий, климатические условия также относятся к ре-

жимным параметрам ЛЭ.

Ограничения на предельные значения функциональных параметров ЛЭ определяются на основании совместного рассмотрения статических и дина-

мических измеряемых параметров.

Статические характеристики ЛЭ

Все статические измеряемые параметры могут быть определены из рас-

четных или экспериментально полученных статических характеристик ЛЭ,

которыми являются:

Iвх = f(Uвх) - входная характеристика;

Uвых = f(Uвх) - передаточная характеристика;

Iвых = f(Uвых) - выходная характеристика.

На рис.1.2 приведены электрические схемы, описывающие условия полу-

чения этих статических характеристик. Полярность напряжений отсчитывает-

ся от общей шины, направление тока считается положительным при его вте-

кании в ЛЭ.

Примерный вид статических характеристик (для гипотетического ЛЭ)

приведен на рис.1.3. Передаточная характеристика определяется как для нена-

груженного (N = 0), так и для нагруженного ЛЭ.

6

Рис.1.3. Примерный вид статических характеристик:

входной (а), передаточной (б), выходной (в)

8

При получении выходной характеристики напряжение на входе исследуе-

мого ЛЭ (ЛЭ1 на рис.1.2,в) должно формироваться таким же ЛЭ, (ЛЭ0), на-

груженным на L таких же ЛЭ. Причем выходная характеристика исследуемого ЛЭ (ЛЭ1) для каждого значения L содержит две ветви: одна соответствует

Uвых Uвых0 (при Iвых = 0), а другая для Uвых Uвых1 (при Iвых = 0).

Определение параметров логических элементов

По передаточной характеристике ЛЭ для различных значений коэффици-

ента разветвления по выходу N можно определить логические уровни, вели-

чину логического перепада, помехоустойчивость и помехозащищенность ЛЭ

[2]. При определении логических уровней обеспечивается принцип самосо-

гласования: используется предположение, что на входе и на выходе ЛЭ они должны быть одинаковыми: Uвх0 Uвых0 , Uвх1 Uвых1 . На рис.1.4 рабочие точки обозначены как Р0 и Р1.

Для инвертирующего ЛЭ, (рис.1.4,а, кривые 1 и 2) рабочие точки опреде-

ляются как крайние точки пересечения передаточной характеристики и ее зеркального отображения относительно биссектрисы квадранта (масштабы напряжений по обеим осям равны).

Для неинвертирующего ЛЭ (рис.1.4,б) рабочие точки могут быть получе-

ны просто как точки пересечения передаточной характеристики и биссектри-

сы.

Для обоих типов ЛЭ точка пересечения передаточной характеристики с биссектрисой Рп (точка неустойчивого равновесия) называется пороговой точ-

кой.

9

Порядок определения величины помехозащищенности Uпз и помехоустой-

чивости Uпу показан на рис.1.4,в, где D0 и D1 - точки единичного усиления пе-

редаточной характеристики, т.е. точки, в которых тангенс угла наклона каса-

тельных равен 1 для неинвертирующего элемента и –1 для инвертирующего ЛЭ. Расстояние между ними по оси Uвх является шириной активной области

UDD передаточной характеристики ЛЭ.

При увеличении коэффициента разветвления по выходу N логические уровни ЛЭ (по крайней мере один их них) изменяются в сторону сближения.

Снижение величин Uпз0 , Uпз1 , Uпу0 , Uпу1 до минимально допустимого значения ограничивает возможность дальнейшего увеличения N, что и определяет на-

грузочную способность ЛЭ N. При этом N min N 0 , N1 .

Использование входной и выходной характеристик для определения коор-

динат рабочих точек, нагрузочной способности и величин входных токов

Iвх0 , Iвх1 ЛЭ является более универсальным, чем использование передаточной характеристики. Обусловлено это тем, что входная и выходная характеристи-

ки содержат информацию о входном и выходном сопротивлении ЛЭ, что по-

зволяет легко определять зависимость рабочих точек от коэффициента раз-

ветвления по выходу без дополнительных измерений.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа и с учетом выбранных на-

правлений протекания тока (рис.1.5,а) Iвых = Iн = Iвх . Если выходную и на-

N

грузочную характеристики изобразить в одних координатах, (рис.1.5,б), то проекции точек пересечения двух ветвей выходной характеристики с нагру-

зочной характеристикой на ось U и дают напряжения логических уровней в рабочих точках. В данном примере с ростом N величина уровня логической

“1” уменьшается, а величина уровня логического “0” не изменяется. Отложив на оси U величину напряжения пороговой точки Uп, полученную из переда-

11

точной характеристики, можно определить величину помехозащищенности

Uпз для различных N.

б)

Рис.1.5. Структурная схема измерения ВАХ (а). Методика определения параметров логического элемента по входной и выходной характеристикам (б).

12