Основные параметры серий ИМС

1.Совместимость уровней входных и выходных сигналов
2.Нагрузочная способность
3.Квантование сигнала
4.Помехоустойчивость
5.Быстодействие

В начальный период развития цифровой электроники было разработано большое число  разновидностей схемотехнических решений, которые  реализуют основные логические операции.
Но широкое практическое применение нашли некоторые из них, которые наиболее удачно сочетают важные характеристики для производителя и потребителя.
Разработка каждой серии цифровых микросхем начинается с базового логического элемента.
Базовый логический элемент – элемент, который лежит в основе всех микросхем серии: и логический элемент  и триггер и счетчик и т.д
В настоящее время при разработке ИМС наибольшее распространение получили следующие БЛЭ:
1.Построены на биполярных транзисторах:
    а)  ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика;
    б)  ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотке;
    в) ЭСЛ – эмитерно-связанная логика;
   г)  И2Л – интегрально-инжекционная логика;
2.На полевых транзисторах:
    а)  n-МОП и p-МОП – логика на однотипных полевых транзисторах
    б)  КМОП – логика на комплиментарных полевых транзисторах (метал оксид полупроводник)
Разные типы логики выполняют одинаковые логические функции. Зачем такое разнообразие типов логики?
Это объясняется различиями в основных характеристиках у разных типов логики.

Пример: КМОП min Pпотр≈10^-3÷10^-5 мВт , но Uномин=0,9÷2,5 В tздр=160÷200 нс
ЭСЛ min tздр≈1÷3 нс, но Uпомехи=0.1 В.
И2Л пониженное Umin+изменение tзд путем изменения Uпотр исп. В БИС.
ИМС, построенные на разных типах логики (ТТЛ, КМОП, ЭСЛ) могут иметь разные Uпит.

Не смотря на это их могут использовать для создания единой схемы. Для их сопряжения используются преобразователи уровня напряжения.
ПУ 4  КМОП→ТТЛ
ПУ 7 (с инверсией) ТТЛ→КМОП
ПУ8 (без инверсии) ТТЛ→КМОП
Самым распространенным на сегодняшний день является ИМС, реализующие ТТЛ и ТТЛШ. Они обладают средним быстродействием и средний Рпотр.
По прогнозам: с совершенствованием технологии по производству ИС на КМОП направленных на повышение быстродействия – класс КМОП ИС станет самым массовым.

Таблица 1. Основные параметры серий ИМС.

В общем случае ИМС имеют N входов для подключения к элементам, и сами соединяются по выходу  m  элементами. Во всей этой цепочке должно быть соблюдение неискаженного преобразования информации.
Для обеспечения этого, необходимо, что бы ИМС обладали рядом свойств:

1.Совместимость уровней входных и выходных сигналов.
  Должно гарантироваться согласование уровней сигналов, отображающих значение логических переменных, т.е. установившееся отклонение выходного напряжения ЛЭ, не должно превышать некоторые начальные заданные значения.
Для высокой надежности работы цифровых устройств допустимая область изменения входного сигнала логического элемента, распознаваемая как соответствующий логический уровень, должна быть шире выходной.

2.Нагрузочная способность
Нагрузочная способность -характеризует способность логического элемента получить сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов.
Для численной характеристики используют:
- коэффициент разветвления по выходу Краз= максимальному числу входов однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента, не вызывая при этом искажений формы и амплитуды его сигнала , выходящих за границы зон отображения уровней логического 0 и логической 1.
Типовые значения Краз= 2,…8 . М..б. ИМС с повышенной нагрузочной способностью Краз=20,….30 .
- коэффициент объединения по входу  Коб= максимальному числу выходов однотипных логических элементов, которые могут быть подключены по входу данного логического элемента, не вызывая при этом искажений формы и амплитуды его сигнала, выходящих за границы зон отображения уровней логического 0 и логической 1.

3.Квантование сигнала.
Логический элемент должен обладать формирующими свойствами, для того чтобы электрический сигнал, проходя по цепочке последовательно включенных логических элементов не выходил за рамки допустимых значений амплитуды и формы.
Формирующее свойство определяется видом его амплитудной  передаточной характеристики, под которой понимают зависимость его Uвых. от Uвх.
Формирующее свойство – способность ИМС подавлять помеху и формировать сигнал правильной формы.

Пример:

Точка О – соответствует пересечению характеристики логического элемента с прямой  Uвых=Uвх ;
Точки А и В получены как пересечение характеристики логического элемента с прямой перпендикулярной  к зависимости Uвых=Uвх  в точке О.
    UA и UB – асимптотические или стандартные значения – это сигнал установившейся после прохождения по цепочке последовательно включенных логических элементов.
   На вход первого логического элемента пусть подан сигнал U0 , лежащий на участке характеристики, соответствующий работе этого элемента в качестве усилителя.
   По передаточной характеристики найдем U4 →0.
   Очевидно, что с увеличением числа элементов (n→∞) выходное напряжение UП → к  UA или UB.
   Исходный искаженный сигнал, пройдя через цепочку последовательно включенных логических элементов стремится к своему асимптотическому значению.
   U в точке О амплитудной передаточной характеристики (АПХ) – напряжение порога квантования Uкв.
   Если U=Uкв   то сигнал пройдя через цепочку последовательных логических элементов не претерпит изменений.
Таким образом  Uкв делит АПХ логических элементов на две области, соответствующие зонам отображения сигналов логического 0 и логической 1.

4.Помехоустойчивость.
При работе цифровых схем недопустимо даже кратковременное  искажение информации, так как это приводит к потере истинности результатов.
Помехоустойчивость- свойство нечувствительности логических элементов к отклонениям его входных сигналов от асимптотических значений (т.е. уровней логического 0 и логической 1).
Внешние помехи- амплитуда и длительность их не зависит от параметров логических элементов (электромагнитное воздействие промышленной сети электропередачи – воздействие силовых переключателей и т.д.).
Внутренние помехи- амплитуда и длительность воздействия которые находятся в прямой зависимости от амплитуды и длительности фронтов сигналов на выходе.
Зона помехоустойчивости –определяется по его АПХ (амплитудно-переходной характеристике), как разность между Uкв порогом квантования и соответствующим асимптотическим  уровнем сигналов логического 0 и логической 1.
В соответствии с этим различают уровни помехи по сигналам логического 0 и логической 1:
U0=| Uкв –UВ|
U1=| Uкв –UА|
Если помеха не достигнет порога квантования то на выходе логического элемента появится сигнал, амплитуда помехи в котором меньше чем на входе, таким образом в силу формирующих свойств при прохождении по цепочке по последовательно включаемых логических элементов сигнал помехи быстро затухнет.
Статические помехи- наименьшее постоянное  U, которое будучи добавлено к полезному входному сигналу вызовет ошибку по всей последующей цепи логических схем. Наименьшая помехоустойчивость в схемах ЭСЛ (эмиторно - связянная логика)-0,1÷0,3 В. В ТТЛ  (транзисторно-транзисторная логика) 0,4÷1,1 В (биполярные транзисторы). В КМОП (комплиментарные т.е. парные металоксид полупроводники) 2÷3 В (полевые транзисторы).
Импульсные помехи – кратковременные. Следовательно ее воздействие на ИМС зависит от быстродействия ИМС. Чем меньше быстродействие , тем больше вероятность того, что ИМС эту помеху не заметит. Чем выше задержка , тем менее подвержена ИМС сбою.

5.Быстодействие.
Быстродействие – временной интервал между перепадами входного и выходного U, измеренный по заданному уровню (полусумме U логического 0 и логической 1).
Быстродействие  зависит от:
- электрической схемы внутренней (чем больше логический элемент, тем ниже быстродействие);
- технологии изготовления (ЭСЛ, ТТЛ, КМОП);
- характера нагрузки ( чем выше нагрузка, тем ниже быстродействие).
Быстродействие определяется средней задержкой сигнала tср равно среднему арифметическому задержек включения и выключения одного инвертора (или другого простейшего логического элемента).
Разновидности ЭМС: сверхбыстродействующие tср<5 нс, быстродействующие tср=5÷10 нс, среднего быстродействия tср=10÷100 нс, низкого быстродействия tср>100 нс.
ЭСЛ - эмитерно-связная логика
КМОП комплиментарные металоксид полупроводник
Время  задержки распределения:
  t_1.0зр- при переходе U вых от лог.1 к лог.0;
  t_0.1зр - при переходе U вых от лог.0 к лог.1;

Как  правило t_1.0зр <  t_0.1зр        t_0.1зр ср =(t_1.0зр +  t_0.1зр)/2

Длительность переключения выходного напряжения.
Длительность спада tсп = t_1.0ф
Длительность фронта tф = t_0.1ф
Часто исп. среднее значение: tф ср =(t_1.0ф +  t_0.1ф)/2
Понятие довольно отвлеченное и разработчики чаще оперируют числом транзисторов или числом секций
-устойчивость против внешних воздействий: характеризует возможность применения ИМС при изменении t0, влажности, радиации.
Наиболее устойчивы к изменению температуры – ТТЛ (-60°÷+125°)
-надежность – определяется интенсивностью отказов.

Статические параметры

- входное и выходное  U логического 0 и логической 1:
U0вх , U1вх ,U0вых , U1вых
- входные и выходные токи, токи потребление в составе 0 и 1.
-потребляемая мощность Pпот оценивают по средней мощности (Pпот.1+Р пот.0)/2.

Интегральные параметры

- степень интеграции - определяется округленным до большего числа значением десятичного логарифма числа элементов в одном кристалле ln N =К4. По К4 различают 6 степень на данный момент.
Интегральные параметры можно оценивать по количеству транзисторов, реализованных в кристалле интегральной микросхемы. В ИМС количество выводов может быть следующий: 8,14,16,18,20,24,36,40,48 для типов DIP и планарных.

Вернутся к содержанию...