Что определяет коэффициент разветвления по выходу цифровой имс

Характеристики логических элементов

Логические, схемотехнические и эксплуатационные свойства логических эле­ментов определяются совокупностью характеристик и параметров, к которым отно­сят:

· функции логических элементов;

· коэффициенты объединения по входу и выходу;

· входные и выходные напряжения и токи;

· статическая и динамическая помехоустойчивость;

· допустимые величины механических воздействий, диапазоны давления и температуры окружающей среды, устойчивость к радиационным воздейст­виям;

· масса, стоимость и конструктивное оформление.

В большинстве случаев указанные характеристики и параметры относятся и к ИМС, на которых реализованы логические элементы.

Коэффициент объединения по входу N_I характеризует число логических входов логического элемента — обычно 1, 2, 3, 4 или 8 (рис.4.6).

Рисунок 4.6-Примеры значений коэффициента N_I

Коэффициент объединения по выходу N₀ характеризует допустимое количест­во соединенных между собою выходов логических элементов с целью создания но­вых функций.

Коэффициент разветвления по выходу N_p характеризует нагрузочную способ­ность логического элемента, то есть максимальное число входов идентичных схем, которое может быть одновременно подключено к выходу данного элемента без на­рушения его работоспособности (рис. 4.7).

В состав серий ИМС обычно входят эле­менты с малой нагрузочной способностью (N_р = 3. 15) и с большой (N_p = 30. 50).

Рисунок 4.7-Подключение нагрузки: а)- N_p=3 б) N_p=4

Приняты следующие определения и буквенные обозначения электрических па­раметров цифровых микросхем (ДСТУ 2883-94):

• входные U_I, и выходные U_O уровни напряжений (индексы — от английских слов Input и Output);

• входные напряжения низкого U_IL и высокого U_IH уровней; для них устанав­ливаются максимальное значение низкого уровня U_{IL max} и минимальное значение высокого уровня U_IHmin (рис. 4.8);

• выходные напряжения низкого U_0l и высокого U_oh уровней; для них уста­новлены максимальное значение низкого уровня U_0lmax и минимальное значение высокого уровня U_IHmin;

• входной I₁ и выходной I₀ токи;

• входной ток I_IL — при низком уровне напряжения на входе, I_1H — при высо­ком;

• выходной ток I_OL — при низкому уровне напряжения на входе, а I_0H — при высоком;

• U_cc — значение напряжения источника питания;

• I_cc — ток, потребляемый ИМС от источника питания;

• Рсс — мощность, потребляемая ИМС от источника питания;

• входные пороговые напряжения, при которых происходит переключение элемента: U_TIH — наименьшее значение для высокого уровня и U_TIL — наи­большее значение для низкого уровня.

Рисунок 4.8-Обозначение уровней напряжения

Основные параметры логических элементов определяют с помощью входной, выходной и передаточной характеристик. Типовые графики этих характеристик для инвертирующих элементов транзисторно-транзисторной логики представлены на рис. 4.9.

Входная характеристика логического элемента I_I = f(U_I) — это зависимость входного тока от изменения входного напряжения.

Токи, втекающие в схему элемен­та, считаются положительными, а вытекающие — отрицательными (рис.4.9,а).

Из этой характеристики определяют входные токи I_IL для напряжения U_{IL max} и токи I_IH для напряжения U_IHmin.

Выходная характеристика логического элемента U_O = f(Io) определяет за­висимость выходного напряжения от тока нагрузки для состояний высокого и низкого уровней (рис. 4.9, б). Из этой характеристики определяют допустимые значения то­ков: +I_0L — при низком уровне выходного напряжения U_{OL max} и -I_0Н — при высоком уровне напряжения U_OHmin (рис. 4.9, б).

Рисунок 4.9-Характеристики логического ТТЛ-элемента:

а)-входная, б)-выходная, в)-передаточная

Передаточная характеристика U₀ – f(U_I) — это зависимость выходного на­пряжения от входного (рис. 4.9, в).

Из этой характеристики определяют значение помехоустойчивостидля низкого уровня на входе M_L (отпирающая помеха) и для высокого уровня на входе М_H (запирающая помеха):

Средняя мощность Р*_CC. потребляемая элементом от источника питания вы­числяется по формуле

где I_CCL и I_cch — токи потребления при низком и высоком уровнях напряжения на вы­ходе соответственно;

I*cc — средний ток потребления.

Современные элементы по­требляют мощность от микроватт до десятков милливатт.

Перепады напряжений часто называют положительными и отрицательными импульсами.

Рисунок 4.10-Измерение параметров сигнала:

а)-амплитуды, б, в)-длительности перепада

Для измерения временных параметров сигнала устанавливают условные уров­ни в долях амплитуды — 0,1; 0,5 и 0,9.

Быстродействие микросхем определяют по значениям следующих длительно­стей:

• фронта t_LH и спада t_HL (рис. 4.11, а);

• собственно включения t_THL и выключения t_TLH (рис.4.11,б); и их задержки соответственно t_DHL и t_DLH;

• задержек распространения сигнала при включении t_PHL и выключении t_PLH (рис.4.11,в).

Рисунок 4.11- Измерение временных параметров сигналов:

а)-фронта и спада, б)-времени включения и выключения, в)—времени задержек распространения сигнала при включении t_PHL и выключении t_TLH

Надежность ИМС характеризуется тремя взаимозависимыми показателями:

• интенсивностью отказов = n/ (mt),

где n — число отказов за время испы­тания, час;

m — общее количество испытуемых микросхем;

• наработкой на отказ Т = 1/

• возможностью безотказной работы на протяжении заданного интервала времени

Р = ехр(- ).

По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы подразделяются на пять групп, которым присвоены следующие обозначения (ДСТУ 3212-95):

• полупроводниковым на биполярных транзисторах — 1, 6;

• полупроводниковым на полевых транзисторах — 5, 7;

• другим (пленочным, вакуумным, керамическим и т.д.) — 3;

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на группы, ко­торым присваиваются следующие обозначения:

• коммутаторы и ключи — К;

• логические элементы — Л;

• многофункциональные схемы — X;

• наборы элементов — Н;

• преобразователи сигналов — П;

• схемы источников вторичного электропитания — Е;

• схемы сравнения — С;

• схемы запоминающих устройств — Р;

• схемы цифровых устройств — И;

• схемы вычислительных средств — В.

В каждой функциональной группе различают виды, например:

ЛР — элемент НЕ-И-ИЛИ;

ТВ — универсальные (тип JK);

ТР — с раздельной записью (тип RS);

ТМ — с задержкой (тип D);

• схем вычислительных средств:

ВС — микропроцессорные секции;

ВУ — схемы микропрограммного управ­ления;

ВБ — схемы синхронизации;

ВВ — схемы интерфейса;

ВН — времязадающие схемы;

Для характеристики материала и типа корпуса по ГОСТ 174-67 перед цифро­вым обозначением серии добавляются следующие буквы;

Р — для пластмассового корпуса типа 2;

М — для керамического, металлокерамического корпуса типа 2;

Е — для металлополимерного корпуса типа 2;

С — для стеклокерамического корпуса типа 2 и др.

Для некоторых микросхем буквенные обозначения типа корпуса не применяют.

Присвоение обозначений микросхемам осуществляет в Централизованном по­рядке главная организация по стандартизации изделий электронной техники.

Обозначение микросхемы должно состоять из следующих элементов:

• первый и второй элементы — две цифры, характеризующие соответственно группу и подгруппу микросхемы по конструктивно-технологическому испол­нению;

• третий элемент — две цифры, обозначающие порядковый номер разработ­ки серии микросхем;

• четвертый элемент — две буквы, характеризующие соответственно группу и вид микросхемы;

• пятый элемент — две цифры, обозначающие порядковый номер разработки микросхемы.

Три первых элемента определяют серию микросхем. В случае необходимости после обозначения порядкового номера разработки микросхемы по функциональ­ному назначению дополнительно проставляются буквы от А до Я, характеризующие отличие микросхем одного типа по электрическим параметрам. Такая буква во вре­мя маркировки может быть заменена цветной точкой. Буква или цвет маркировочной точки указываются в технических условиях микросхем конкретных типов.

Примеры условного обозначения микросхем:

• 5704ВГ03 — полупроводниковый программируемый контроллер управления
динамической памятью с симметричной комплементарной структурой серии
5704; номер разработки серии — 04, номер разработки микросхемы в дан­ной серии по функциональному назначению — 03 (рис. 1.31);

• 1101УД06 — полупроводниковая микросхема серии 1101, порядковый но­мер разработки серии — 01, структура на биполярных транзисторах с изо­ляцией р-п переходом, операционный усилитель постоянного тока, поряд­ковый номер разработки микросхемы в данной серии по функциональному назначению — 06.

Рисунок 4.12- Структура условного обозначения микросхемы 5704ВГ03

Перед условным обозначением микросхем указывается сокращенное название государства-разработчика — У (Украина).

Для микросхем с шагом 1,27 или 2,54 мм между выводами корпуса, которые поставляются на экспорт, вначале условного обозначения после буквы У проставляется буква Е, например:

• УЕ1217УД06 — микросхемы серии 1217, выпущенные в Украине в экспорт­ном исполнении (шаг выводов 1,27 или 2,54 мм) в пластмассовом корпусе типа 2. В ранее принятых обозначениях ИМС широкого применения вначале ставили букву К.

Источник

Основные параметры интегральных логических микросхем

К этим параметрам для логических интегральных микросхем относят:

1) Реализуемую логическую функцию;

ИМС могут быть логические, логические комбинационные, последовательные (автоматы с памятью).

Логические делятся на:

— Одноступенчатые. (Н-р: И, НЕ, ИЛИ).

Одноступенчатая микросхема- это ИМС, которая выполняет логическую функцию за один шаг своей работы.

— Трёхступенчатые. (И-ИЛИ-НЕ, НЕ-И-ИЛИ, И-ИЛИ-И.

— Многоступенчатые. (Н-р НЕ-И-ИЛИ-И).

2) коэффициент разветвления по выходу К_раз;

Определяют максимальное число идентичных элементов, которое может быть подключено к выходу данной схемы. Нагрузочная способность ИС в значительной степени определяется типом примененного в них инвертора. Для простейшего инвертора, состоящего из одного транзистора, коэффициент разветвления по выходу равен чаще всего 2-4. Для сложных инверторов нагрузочная способность достигает 10-20 и более. В схемах на основе КМОП-транзисторов входы последующих схем в статическом режиме практически не нагружают выходов предыдущих. Это дает возможность иметь очень большой коэффициент разветвления по выходу. Чем выше нагрузочная способность ИМС, тем меньше микросхем потребуется для построения устройства.

С низкой нагрузочной способностью. К_раз=2-10; С высокой нагрузочной способностью. К_раз=20-50 (Буферные ИМС).

3) коэффициент объединения по входу К_об,

КОП показывает максимальное возможное число логических выходов ИМС. Чаще всего коэффициент объединения по входу не превышает восьми, что отчасти определяется ограниченным числом выводов ИС. Однако следует помнить, что всегда возможна реализация многовходовых логических схем путем построения соответствующей логической цепи, состоящей из простых схем.

4) коэффициент объединения по выходу К_{об вых};

5) мощность потребления Р_пот;

Повышение потребляемой мощности ведёт к увеличению тепловыделения. Чем больше быстродействие микросхемы, тем больше её потребляемая мощность и тем больше тепловыделение.

6) среднее время задержки распространения сигнала t_зд.р.ср;

Характеризует быстродействие ИМС. Определяется как полусумма задержек переключения элемента из 1 в 0 и наоборот. Для расчёта цепи, то есть её быстродействия необходимо выявить самую длинную цепь прохождения сигнала со входа устройства на выход и сложить всё t_зд микросхем через которые проходит сигнал.

7) рабочую частоту f,

Частота характеризует количество переключений из 1 в 0 и наоборот за единицу времени. Чем меньше Т_ЗД, тем больше f. Чем больше рабочая частота, тем больше потребляемая мощность и тем больше тепловыделение.

8) помехоустойчивость U_{п max};

Помехоустойчивость – это максимальное напряжение помехи, которая может выдержать микросхема при этом не изменив своего логического состояния (0-1;1-0).

9) напряжение «О» U° или «1» U1;

10) напряжение источника питания U_ип;

Бывает: фиксированное и плавающее. Для плавающего напряжения указывается диапазон напряжений питаний. Напряжение питания зависит от типа используемой схемной логики.

11) допуск на номиналы источников питания ΔU_ип;

12) входную С_вх и выходную С_вых емкости;

Паразитные емкости, возникающие между контактами входов и выходов микросхем.

13) ток потребления I_пот;

14) входное R_вх и выходное R_вых сопротивления;

Входное и выходное сопротивления микросхемы влияет на её чувствительность к изменению входного сигнала, поэтому его стремятся увеличить, а выходное ослабляет сигнал, поэтому его максимально уменьшают.

15) допустимый диапазон рабочих температур ΔT_р;

16) допустимую величину механических воздействий;

17) допустимый диапазон атмосферного давления окружающей среды;

18) устойчивость к радиационным воздействиям;

Источник

Коэффициент разветвления по выходу

Коэффициент разветвления по выходу (коэффициент нагрузки)К_раз характеризует нагрузочную способность микросхемы. Этот параметр определяет максимальное число входов элементов данной серии, которым можно нагружать выходы микросхемы ее нормального функционирования.

Коэффициент объединения по входу К_об

Коэффициент объединения по входу К_об определяет число логических входов, которые имеет микросхема. Для простейших логических элементов это число равноценных входов по И либо ИЛИ. Логические элементы массового производства выпускаются с 2,3,4 и 8 входами. Когда возникает надобность в большем числе входов, применяют специальные микросхемы – расширители (экспандеры) либо используют несколько однотипных логических элементов, которые соединяют с учетом законов булевой алгебры. Более сложные устройства содержат и другие входы: адресные, установочные, разрешающие, входы синхронизации и т.д. По отношению к предыдущим каскадам каждый такой вход обычно представляет такую же нагрузку, как и логические (информационные) входы.

Помехоустойчивость

Помехоустойчивость определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы, при которых еще осуществляется нормальное функционирование. В общем случае это параметр оценивается по нескольким показателям.

В зависимости от продолжительности помехи различают статическую и динамическую помехоустойчивость. Статическую помехоустойчивость связывают с помехами, длительность которых больше времени переходных процессов, а динамическую – с кратковременными помехами. Для обоих видов помехоустойчивости может учитываться воздействие напряжения низкого и высокого уровней. Статической помехоустойчивостью по низкому уровню считают разность

U 0 _{вых max} – максимально допустимое напряжение низкого уровня на выходе нагруженной микросхемы;

Помехоустойчивость по высокому уровню определяют как

U 1 _{вых min} – минимальное напряжение высокого уровня на выходе нагруженной микросхемы;

U 1 _{вх min} – минимально допустимое напряжение высокого уровня на нагруженном входе.

Динамическая помехоустойчивость выше статической и в справочных данных не указывается.

Мощность потребляемая ИМС от источника питания

Мощность потребляемая ИМС от источника питания – это мощность различна для двух логических состояний, поэтому пользуются понятием средней мощности P_cp потребляемой ИМС во включенном м выключенном состояниях

Р 0 _пот – мощность потребляемая при входном состоянии «0»;

Р 1 _пот – мощность потребляемая при входном состоянии «1».

Напряжение питания

В таблице 4 представлены напряжения питания ИМС различных логик и серий.

Входные и выходные пороговые напряжения

Стойкость микросхем к механическим и климатическим воздействиям

Стойкость микросхем к механическим и климатическим воздействиям очень высока. Они способны нормально работать при интенсивных механических нагрузках (вибрация, удары, центробежные силы) и в неблагоприятных климатических условиях: при повышенной влажности (до98% при 25 0 С) и в большом температурном диапазоне (от –10 до +70 0 С для микросхем широкого применения и от –60 до +125 0 С-специального).

Контрольные вопросы:

1. Дать определение цифровой интегральной микросхеме.

2. Что такое степень интеграции?

3. По каким признакам классифицируют интегральные микросхемы?

4. Что понимается под серией микросхемы?

5. Какие основные параметры характеризуют интегральные микросхемы?

6. Какие параметры характеризуют быстродействие ИМС?

7. Объяснить, почему в микросхемах возникает задержка распространения сигнала?

8. Что характеризуют коэффициенты разветвления по входу К_раз и объединения по выходу?

9. Что называется помехоустойчивостью ИМС и как она оценивается?

10. Что понимается под высоким и низким логическим уровнем напряжения?

11. Дайте расшифровку обозначению интегральных микросхем К155ИР13, К155ТМ7.

12. Какие типы корпусов имеют ИМС?

Тема 2. Арифметические и логические основы цифровой техники

План

Системы счисления

Преобразование чисел из одной системы счисления в другую

Основные законы алгебры логики

Алгебраические формы представления логических функций

2.5. Минимизация переключательных функций

Логические элементы

Системы счисления

· системы счисления, способы перевода чисел из одной системы счисления в другую;

· переводить числа из одной системы счисления в другую.

Номер позиции, определяющий вес, с которым данная цифра складывается в числе, называют разрядом, а системы счисления, обладающие отмеченным свойством, – позиционными.

Как известно, любое число А в позиционной системе счисления с основанием q можно представить в виде полинома

q — основание системы счисления;

n — номер разряда целой части, отчитываемый от нулевого;

к — число цифр в дробной части числа.

Двоичная система счисления

При выполнении вычислений цифровыми электронными устройствами используются элементы с двумя устойчивыми состояниями. По этой причине в цифровой технике широкое распространение получила позиционная двоичная система счисления (с основанием 2).

При двоичном кодировании каждая цифра кода (каждый разряд двоичного кода) может принимать всего лишь два значения – 0 и 1. В общем виде число в двоичной системе счисления записывается как

Здесь коэффициентами а_n являются цифры 0 и 1, а основанием (q) – число 2.

Веса соседних разрядов двоичного кода числа отличаются в два раза, а самый правый разряд (младший) имеет вес 1. Поэтому, например

Четыре соседних бита называют тетрадой, группу из 8 бит называют байтом, а из 16 бит – машинным словом. Совокупность из 1024 (2 10 ) байт называют килобайтом, из 1024 килобайт – мегабайтом, из 1024 мегабайт – гигабайтом.

1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 2 20 Кбайт = 2 30 байт.

Современные персональные ЭВМ могут хранить в своей памяти на жестких магнитных дисках цифровую информацию объемом в десятки гигабайт.

В таблице 2.1 показано соответствие первых двадцати чисел в десятичной и двоичной системах.

Из таблицы 2.1 видно, что количество разрядов двоичного кода, требуемое для представления каждого числа (кроме 0111) значительно больше, чем требуемое количество разрядов десятичного кода. Поэтому запись больших двоичных чисел (с количеством разрядов больше десяти) становится не удобной.

Двоично-десятичая система счисления

Арифметические операции в двоичной системе счисления исключительно просты и легко реализуются аппаратно. Однако при вводе и выводе информации в цифровое устройство она должна быть представлена в более привычной для человека десятичной системе счисления. Стремление упростить процедуру пересчета двоичных чисел к десятичному эквиваленту привело к использованию двоично-десятичной системы счисления (BD – Binary Decimals). Она используется в ЭВМ не только в качестве вспомогательной системы счисления при вводе и выводе данных, но и в качестве основной при решении задач, когда в ЭВМ вводится и выводится большое количество чисел, а вычислений над ними производится мало. Десятичные числа в двоично-десятичной системе счисления кодируются в прямом нормально-взвешенном коде 8-4-2-1, т.е. каждую цифру десятичного числа необходимо заменить соответствующей тетрадой двоичных чисел.

Например, десятичное число 197₁₀ в двоично-десятичном коде представляется машинным словом из трёх тетрад

Недостатком рассматриваемой системы является ее избыточность для чисел 7 и менее (недоиспользуются многие двоичные разряды).

Применение двоично-десятичного кода на практике очень удобно для организации десятичных цифровых индикаторов и табло.

В таблице 2.2 показано соответствие первых двадцати чисел в десятичной и двоично-десятичной систем счисления.

Восьмеричная система счисления

Для устранения недостатков двоично-десятичного кода, связанных с недоиспользованием многих двоичных разрядов, в ЭВМ используют восьмеричную систему счисления (q = 8), которую можно затем записать в двоичном коде с использованием для каждой цифры только трех разрядов — триад.

В общем виде число в восьмеричной системе счисления записывается как

Здесь коэффициентами а_n являются цифры 0 и 1, а основанием (q) – число 8.

Например, число 197₍₁₀₎ в восьмеричной системе имеет вид

Важнейшее свойство восьмеричной системы состоит в следующем: при записи каждого из разрядов восьмеричной системы триадой двоичного кода полученное выражение представляется в двоичной системе счисления.

Для конкретизации этого важнейшего свойства восьмеричной системы, обеспечивающей ей широкое использование в вычислительной технике, воспользуемся числом 305₍₈₎, записанном в виде:

Восьмеричные системы применяют в ЭВМ для кодирования адресов и команд. Для этого сначала составляют в восьмеричной системе соответствующую программу, а затем переводят ее в двоичную систему, которую и вводят в вычислительную машину.

Шестнадцатеричная система счисления

Записывать двоичные числа большой разрядности утомительно. Поэтому, как правило, они представляются более компактными записями с использованием шестнадцатеричной системы счисления.

Шестнадцатеричная (цифробуквенная) система счисления образуется из десяти цифровых (0, 1. 9) и шести буквенных (А, В,.С,D, Е, F) символов. При этом буквы А, В. F изображают соответственно числа 10, 11. 15.

В общем виде число в шестнадцатеричной системе счисления записывается как

Здесь коэффициентами а_n являются цифры 0 и 1, а основанием (q) – число 16.

Например, число B7E₍₁₆₎₎ обозначает

Заметим, что при записи каждого из разрядов шестнадцатеричного числа тетрадами двоичного кода получают значение этого числа в двоичной системе счисления.

В таблице 2.3 приведены примеры шестнадцатеричного кодирования первых двадцати чисел (в скобках приведены числа в двоичной системе).

Для удобства сопоставления рассмотренных систем счисления в таблице 2.4 приведены первые 32 числа натурального ряда чисел.

Источник