1. Цифровые интегральные микросхемы. Серии интегральных микросхем. Параметры цифровых имс. (схемотехника)

Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры (автоматы с памятью), счетчики, элементы арифметических устройств (выполняющие различные математические операции) и т. д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровой автомат, выполненный на базе микросхем данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

В радиолюбительской практике наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ серии К155 и КМДП (серий К176 и К561).

Основные параметры логических элементов:

напряжение источ­ника питания,

уровни напряжений логического 0 и логической 1,

нагрузочная способность,

помехоустойчивость;

быстродействие,

потребляемая мощность.

Микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5В±10%. Большая часть микросхем на КМОП структурах устойчиво работает при напряжении питания 3—15В, некоторые — при напряжении 9В±10%. Уровни логических 0 и 1 должны отличаться возможно больше. Различают пороговое напряжение логической еденицы U¹пор — наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логического 0 до уровня логической 1, а также пороговое напряжение логического нуля U°пop — наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логической 1 до уровня логического 0. Для микросхем ТТЛ серий U¹nop=2,4В; U°пор=0,4В.

Напряжение низкого и высокого уровней на выходе микросхем ТТЛ U¹вых2,4 В; U°вых0,4 В. Для микросхем на КМДП структурах U¹пор0,7Uпит; U°пор0,3Uпит. В то же время отклонения выходных напряжений U⁰вых и U¹вых от нулевого значения и напряжения источника питания соответственно достигают всего нескольких десятков милливольт.

Способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется нагрузочной способностью. Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность. В связи с этим в составе различных серий микросхем есть так называемые буферные элементы с нагрузочной способностью, в несколько раз большей, чем у основных элементов. Количественно нагрузочная способность оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы. В свою очередь единичной нагрузкой является вход основного логического элемента данной серии. Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов серий ТТЛ составляет 10, а для микросхем серий КМДП — до 100.

Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических 0 и 1, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серий КМДП не менее 30% напряжения питания. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости.

Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т. е. максимальной частотой переключения триггера, выполненного на этих базовых элементах. Предельная рабочая частота микросхем ТТЛ серии К155 составляет 10 МГц, а микросхем серий К176 и К561 на КМДП структурах — лишь 1 МГц. Быстродействие определяется так же, как среднее время задержки распространения сигнала tзд.р.ср=0,5(t^1,0зд.р+t^0,1зд.р), где t^1,0зд.р и t^0,1зд.р — времена задержки распространения сигнала при включении и выключении.

Среднее время задержки распространения сигнала является более универсальным параметром микросхем, так как, зная его, можно рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы суммированием tзд.р.ср для всех последовательно включенных микросхем. Для микросхем серии К155 tзд.р.ср составляет около 20 нс, а для микросхем серии К176 — 200 нс.

Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях логического нуля (Р⁰) и логической единицы на выходе (Р¹). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления Рср = (Р⁰-P¹)/2. Статическая средняя мощность потребления базовых элементов серии К155 составляет несколько десятков милливатт, а у элементов серий К176 и К561 она более чем в тысячу раз меньше. Следовательно, при необходимости построения цифровых устройств с малым потреблением целесообразно использовать микросхемы на КМОП структурах. Однако следует учитывать, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Поэтому помимо Рср задается также мощность Рдин, измеряемая на максимальной частоте переключении. Необходимо иметь в виду, что с повышением быстродействия мощность, потребляемая микросхемой, увеличивается.

Важнейшим показателем микросхем является надежность. Ее характеризуют интенсивностью частоты отказов. Средняя интенсивность отказов микросхем со средним уровнем интеграции составляет =1*10^-7 1/ч. Надежность цифровых устройств на микросхемах значительно превышает надежность аналогичных устройств на дискретных элементах.