Основные характеристики и параметры логических элементов

Логические элементы характеризуются многими параметрами. Обычно за параметр, эквивалентный значению двоичной переменной, принимают выходное напряжение логического элемента. Элементы, в которых значение двоичной переменной задается уровнем постоянного напряжения, называются потенциальными. В них для передачи постоянных значений логических переменных необходима кондуктивная связь (от лат. conductor — проводник, проводниковая связь) между каскадами. В общем случае в цепях можно применять и реактивные компоненты (катушки индуктивности, конденсаторы), которые, однако, играют лишь вспомогательную роль. Однако потенциальные ЛЭ без реактивных компонентов наиболее приспособлены к реализации методами микроэлектронной технологии.

Напомним, если логической единице (1) соответствует высокий потенциальный уровень((/_в), а логическому нулю (0) — низкий (U_H), то такую логику называют (позитивной) — положительной (см. табл. 14.1). Отрицательной (негативной) логикой называют, если логической единице (1) соответствует низкий потенциальный уровень (U_H), а логическому нулю (0) высокий (U_B) уровень (табл. 14.1).

Кроме потенциальных ЛЭ применяются импульсные ЛЭ, в которых значение логической переменной определено на коротком отрезке времени (импульсном). Логической единице обычно соответствует наличие импульса, а логическому нулю — его отсутствие. В настоящее время в связи с развитием микроэлектроники импульсные ЛЭ находят ограниченное применение.

Рассмотрим основные характеристики потенциальных ЛЭ, которые определяют специфику их использования в цифровых устройствах.

Входное и выходное напряжения логической единицы U^] и

1 вх

U — значения высокого уровня напряжения на входе и выхо- вых

де микросхемы.

Входное и выходное напряжение логического нуля U² и U² —

вх вых

значения низкого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы.

Примечание. Уровень логической единицы (лог.1) на входе (U^_x) должен составлять не менее 45% от напряжения источника питания (U_Hn) и может изменяться от 0,45и_ип до = и_ип, где и_ип =

= U_K в схемах с биполярными транзисторами и и_ип = U_c в схемах с полевыми транзисторами.

Логический перепад сигнала AU =U^] -U° — пороговое на-

лог вых вых

пряжение (и_пор вх) — напряжение на входе, при котором происходит изменение напряжения на выходе схемы.

Коэффициент объединения по входу К_од определяет число входов ЛЭ, предназначенных для подачи логических переменных. Логический элемент с большим коэффициентом объединения по входам имеет более широкие функциональные возможности.

Нагрузочная способность (или коэффициент разветвления по выходу К_раз) определяет число входов аналогичных ЛЭ, которые можно подключить к выходу данного ЛЭ. Чем выше нагрузочная способность ЛЭ, тем меньше число элементов может потребоваться при построении цифрового логического устройства.

Быстродействие ЛЭ является одним из важнейших его параметров. Оно оценивается задержкой распространения сигнала от входа к выходу ЛЭ. На рис. 14.3 показана идеализированная форма входного и выходного сигналов инвертора; здесь г^1,0 — время задержки переключения выхода ЛЭ из состояния логической 1 в состояние логического О, г’¹ — задержка переключения ЛЭ из состояния 0 в состояние 1. Как видно на рис. 14.3, время задержки измеряется на среднем уровне между уровнем лог.О и лог. 1. Средняя задержка распространения сигнала t =0,5(^’¹Этот параметр используется при расчете задержки распространения сигналов в сложных логических схемах.

Рис. 14.3. Временная диаграмма для определения времени задержки распространения сигнала в инвертирующей ИМС

Статическая помехоустойчивость — максимально допустимое напряжение статической помехи по высокому уровню U^] и низкому уровню [7° входного напряжения, при котором еще уровни выходного напряжения микросхемы не изменяются.

Передаточная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения от входного напряжения. Для ее получения, например в схемах многовходового ЛЭ И-НЕ, необходимо

ния (свыше уровня ?/° ) должно привести к резкому снижению выходного напряжения, но не ниже уровня 0,Ш^] . При больших значениях входного напряжения, пре-

Рис. 14.4. Передаточная характеристика базового инвертирующего логического элемента ИМС серии К155

соединить все входы ЛЭ и, изменяя напряжение на входе, измерять соответствующие значения напряжения на выходе. В таком включении входов в схеме многовходового ЛЭ получается одновходовой ЛЭ, выполняющий функцию НЕ, — инвертор. Изменяя значения ?/_вх, построим зависимость и_вых = Ф(?/_ВХ), представленную на рис. 14.4. При увеличении входного напряжения от 0 до порогового (?/®_ор) в области значений, соответствующих уровню лог.О, напряжение на выходе должно уменьшаться от уровня лог.1 (U¹ ) до не-

вых

которого минимально допусти- мого (?/' . ), но не ниже уровня

^v mirr’ 1

напряжения 0,9 U .Дальнейшее

вых

увеличение входного напряжеВЫХ 1

вышающих пороговый уровень лог.1 (U ), на выходе должно устанавливаться напряжение, не превышающее максимально допустимый уровень лог.О (?/° ). Таким образом, при нормальной работе

гтшх

ЛЭ в статическом (установившемся) режиме недопустимы входные напряжения U⁰ < U < (У¹ , чтобы выполнить условия надежно-

^ пор ВХ пор ] 10 1

го функционирования ЛЭ, когда U . >0,9 U и (У >0,1(7

min вых max ’ вых

Указанные неравенства выполняются с некоторым запасом. При наличии на выходе предыдущей схемы напряжения U°