5.2. Основные характеристики и параметры логических элементов

Основными статическими характеристиками логических элементов, как и цифровых ключей, которые служат основой для построения логических элементов, являются передаточная характеристика , выходная характеристика и входная характеристика .

По типу передаточной характеристики элементы делятся на инвертирующие (рис. 5.5), на выходе которых образуется инверсия входных сигналов, и неинвертирующие (рис. 5.6).

	Более подробно рассмотрим передаточную характеристику инвертирующего элемента (рис. 5.5). В статическом состоянии выходной сигнал логического элемента может находиться либо на верхнем, либо на нижнем уровне напряжения. Асимптотический верхний (точка В) и асимптотический нижний (точка А) уровни логических сигналов находятся как точки
Рис. 5.5
Рис. 5.6

пересечения передаточной характеристики (кривая 1) с ее зеркальным отображением (кривая 2) относительно прямой единичного усиления. Разность является логическим перепадом выходных уровней логического элемента.

На практике из-за влияния помех и разбросов передаточных характеристик для каждого типа логического элемента устанавливается минимальный логический перепад , где и - соответственно верхний и нижний уровни выходного порогового напряжения. Выходные пороговые напряжения находят с помощью пороговых точек в и а на характеристике, в которых дифференциальный коэффициент усиления по напряжению .

Зоны статической помехоустойчивости логического элемента по нижнему и верхнему уровням напряжения определяются выражениями: и , где и характеризуют максимально допустимые уровни статической помехи на входе логического элемента. Однако из-за наличия схем с положительной обратной связью в технической документации на все интегральные логические элементы зоны статической помехоустойчивости по входу ограничиваются входными пороговыми напряжениями: - по нижнему уровню и - по верхнему уровню. Эти пороговые напряжения называют соответственно пороговым напряжением зоны переключения нижнего уровня и пороговым напряжением зоны переключения верхнего уровня. В зоне переключения, заключенной между пороговыми напряжениями, работа логического элемента в статическом режиме запрещается.

Таким образом, статическая помехоустойчивость логического элемента по нижнему уровню входного сигнала определяется выражением , а по верхнему уровню входного сигнала - выражением . Максимальная помехоустойчивость логического элемента по нижнему и верхнему уровням достигается при идеальной передаточной характеристике, для которой .

Реализация характеристик, близких к идеальным, связана с известными трудностями вследствие технологического разброса параметров микросхем логических элементов при изготовлении, изменения пороговых напряжений в зависимости от изменения напряжения питания и температуры окружающей среды в процессе эксплуатации. Поэтому реально зоны статической помехоустойчивости для каждого типа логических элементов

устанавливают на основании статистического анализа передаточных характеристик. На рис. 5.7 заштрихованная область соответствует возможным разбросам передаточных характеристик логических элементов одного типа.
	Рис. 5.7

Выходная характеристика логического элемента – зависимость выходного напряжения логического элемента от выходного тока (тока нагрузки).

Так как в каждом из двух состояний логического элемента в активном режиме находятся различные компоненты схемы, то различают выходные характеристики и , показанные на рис. 5.8.
	Рис. 5.8

Входная характеристика - зависимость входного тока логического элемента от входного напряжения, приведена на рис. 5.9.

Рис. 5.9

На этой характеристике можно выделить следующие зоны: I и IX – зоны недопустимых входных напряжений; II и VIII – зоны предельно допустимых входных напряжений, оговариваемые в технических условиях; III и VII – зоны, определяющие рабочий режим логического элемента; наиболее характерный режим при напряжении низкого уровня («0») – точка А, при напряжении верхнего уровня («1») – точка В; IV и VI – зоны допустимых статических помех; V – зона переключения. Входная характеристика служит для определения входных токов: , вытекающего из схемы при и , втекающего в схему при .

Совокупность выходной и входной характеристик логического элемента позволяет оценить его нагрузочную способность, характеризуемую параметром, который называется коэффициентом разветвления по выходу. Значения втекающего и вытекающего выходных токов зависят от числа нагрузок : . По выходным характеристикам (рис. 5.8) определяются максимально допустимые токи нагрузки: , соответствующий значению , и , соответствующий значению . Если нагрузкой служат входы идентичных логических элементов, имеющих входные токи , то отношения определяют максимальное число входов идентичных логических элементов (нагрузок), при которых уровни соответственно сохраняются в пределах , требуемых для обеспечения статической помехоустойчивости. Безразмерная величина , где и округляются до ближайшего меньшего целого числа и называется коэффициентом разветвления по выходу.

Безразмерный параметр, численно равный количеству входов логического элемента, по которым исполняется реализуемая им логическая функция, называется коэффициентом объединения по входам . Обычно используются логические элементы с . Дальнейшее увеличение числа входов обычно ухудшает другие параметры элементов, например, быстродействие. Для тех случаев, когда требуются элементы с большим числом входов, используются специальные схемы – расширители числа входов, подключение которых к элементу позволяет довести число входов до требуемой величины.

Мощность и ток , потребляемые логическим элементом от источника питания с напряжением зависят от логического состояния логического элемента. Если при элемент потребляет ток , а при - ток , то средняя мощность, потребляемая в статическом режиме, определяется из выражения . Для сокращения потребляемой мощности можно было бы снижать напряжение , однако при этом уменьшается статическая помехоустойчивость. В процессе переключения ряда типов элементов ток в цепи питания существенно увеличивается. Вследствие этого элементы потребляют дополнительную динамическую мощность , величина которой пропорциональна частоте переключения логического элемента. В результате общая мощность , потребляемая в режиме переключения, оказывается больше мощности , потребляемой в статическом режиме.

Быстродействие логических элементов при переключениях определяется электрической схемой, технологией изготовления и характером нагрузки. Уровни отсчета напряжений для определения динамических параметров устанавливаются относительно выходных пороговых напряжений, соответствующих логической 1 и логическому 0. На рис. 5.10 приведены входной и выходной сигналы инвертирующего логического элемента.

Рис. 5.10

Основными динамическими параметрами логического элемента является задержка распространения сигнала при переключении и длительности нарастающего и спадающего фронтов выходного сигнала. Задержка распространения сигнала при переходе выходного напряжения от «1» к «0» определяется как интервал времени между фронтами входного и выходного сигналов, измеренного по заданному уровню. Задержка распространения сигнала при переходе выходного напряжения от «0» к «1» определяется как интервал времени между фронтами входного и выходного сигналов, измеренного по заданному уровню. Задержки распространения и измеряются, как правило, по уровню . При расчете временной задержки сигнала последовательно включенных логических элементов используется средняя задержка распространения сигнала . Длительности фронтов и измеряются по уровням и .