2.5. Положительная и отрицательная логика

В современных цифровых устройствах логические состояния представляются двумя уровнями напряжения: высоким, близким к U_п, и низким, близким к нулю. Это так называемая потенциальная система представления информации, для которой характерна непосредственная связь между отдельными элементами схемы.

Переключающими импульсами служат перепады напряжения от одного уровня к другому. Два уровня, характеризующие логические состояния, определяются просто как более высокий – H (high) и низкий – L (low). Эти два значения называют логическими уровнями.

Существуют два рода так называемых логических соглашений в зависимости от того, каким уровнем напряжения кодировать логическую 1 (и соответственно логический 0). В соглашении положительной логики более высокий уровень напряжения (H) соответствует логической 1, а низкий (L) – логическому 0. В соглашении отрицательной логики – наоборот.

Работу логического элемента можно оценивать как с позиции положительной логики, так и отрицательной. Его функциональная роль в обоих случаях будет различной. Это важное положение, которым часто пользуются на практике, вытекает из закона де Моргана. Действительно,

(2.4)

Из полученного выражения следует, что логические операции можно изображать в двух логически эквивалентных формах.

Таблица 2.5 Таблица 2.6 Таблица 2.7

Уровни сигналов Логические сигналы Логические сигналы

в положительной логике в отрицательной логике

В качестве примера в табл. 2.5 приведены значения аргументов и функции двухвходового элемента, представленные в виде уровней сигналов. С учетом соглашения положительной логики (1 = Н) элемент выполняет логическую операцию И (табл. 2.6). Если рассматривать работу этого логического элемента в отрицательной логике (1 = L), то он действует как элемент ИЛИ (табл. 2.7).

Из рассмотренного вытекают правила преобразования логических схем из одной формы в другую. Имея изображение логического элемента можно получить его эквивалентную форму, проделав следующие преобразования:

1) в основном поле изображения элемента символ & заменить на символ 1 либо наоборот;

2. все прямые входы и выходы заменить инверсными, а инверсные – прямыми.

На рис. 2.8 представлены графические обозначения некоторых элементов в двух видах логики.

Соглашение положительной логики имеет преимущественное применение. В каталогах, справочниках, заводских этикетках логические функции цифровых интегральных схем даются для положительной логики.

Положительная логика Отрицательная логика

Рис. 2.8. Графическое обозначение элементов в двух видах логик

3. Цифровые интегральные микросхемы

3.1. Параметры микросхем

Каждая ИМС обладает не только переключательными, но и другими свойствами и оценивается рядом параметров, обусловленных внутренней структурой и конструктивным исполнением микросхемы. Некоторые из этих параметров касаются конкретной МС, другие характеризуют все изделия данной серии. Если в условиях эксплуатации эти параметры будут выдержаны, завод-изготовитель гарантирует нормальную работу микросхем.

Значения параметров, как правило, задаются с запасом, однако превышать их не следует.

Основные параметры микросхем:

• быстродействие;

• U_пит;

• потребляемая мощность;

• коэффициент разветвленности по выходу;

• коэффициент объединения по входу;

• помехоустойчивость;

• энергия переключения;

• надежность;

• стойкость к климатическим и механическим воздействиям.

Быстродействие характеризуется максимальной частотой смены входных сигналов, при которой еще не нарушается нормальное функционирование микросхемы. Это один из важнейших параметров, т.к. определяет время обработки информации.

Инерционность полупроводниковых приборов, паразитные емкости и индуктивности проводников служат причиной того, что каждое переключение сопровождается переходными процессами, отчего фронты импульсов растягиваются. Когда частота смены входных сигналов невелика, можно считать, что переключение происходит мгновенно, а при повышенных частотах приходится считаться с искажениями импульсов. Фронты искаженных прямоугольных импульсов представляют собой участки кривых, но для простоты их принято заменять отрезками прямых.

На рис. 3.1 показана упрощенная картина реакции инвертирующего логического элемента на изменение входного сигнала.

Процесс изменения потенциала U от L до H (от 0 до 1) называют фронтом сигнала, а обратный процесс – срезом. Иногда говорят: положительный фронт и отрицательный фронт.

Длительность перехода от 0 до 1 и наоборот измеряется между измерительными уровнями, отличающимися от номинальных 0 и 1 на 0,10,3 амплитуды сигнала.

Обозначение t⁰¹ – время перехода из 0 в 1 (фронт); t¹⁰ – время перехода из 1 в 0 (срез). Как правило, t⁰¹  t¹⁰.

Рис. 3.1. Реакция инвертирующего логического элемента на изменение

входного сигнала

Задержка между фронтами на входе и выходе элемента называется задержкой распространения сигнала и определяется на уровне приблизительно 0,5 от амплитуды:

t⁰¹ _зд.р – задержка распространения при переключении выхода с 0 на 1;

t¹⁰ _зд.р – задержка распространения при переключении выхода с 1 на 0.

Как и фронты, t⁰¹_зд.р не равно t¹⁰_зд.р.

При прохождении сигнала по достаточно длинной цепочке инвертирующих элементов число элементов, переключающихся в 1 и 0, будет практически одинаково и равно половине общего числа элементов в цепочке. Поэтому для оценки задержки распространения всей цепочки можно пользоваться средним временем задержки распространения сигнала.

Для одного элемента		(3.1)
Для n элементов	.	(3.2)

На рис. 3.2, а представлена цепочка из трех инверторов. Каждый элемент цепочки создает временную задержку и выходные импульсы элементов U1, U2, U3 сдвигаются относительно входных. Процесс сдвига иллюстрируется на рис. 3.2, б. Полное время сдвига выходного сигнала относительно входного t_полное определяется суммой трех задержек. Для определения полного времени переходного процесса для цепочки элементов Т_{перех.проц} к времени задержки t_полное надо добавить еще два временных интервала: время изменения входного сигнала от 0 до уровня 0,5 амплитуды и время изменения выходного сигнала от уровня 0,5 до нуля.

Если входов и выходов несколько, то по каждому каналу определяется свое время задержки. Для последовательностных устройств (триггеров, счетчиков) используется некоторые дополнительные параметры, обусловленные принципом действия: время задержки переключения, максимальная частота переключения и некоторые другие.

Рис. 3.2. Оценка времени задержки: а – схема цепи, б – переходный процесс

Коэффициент разветвления (коэффициент нагрузки) характеризует нагрузочную способность микросхемы. Этот параметр определяет максимальное число входов элементов данной серии, которым можно нагружать выход микросхемы без нарушения функционирования.

Коэффициент объединения по входу – число входов микросхемы (2, 3, 4 и 8). Если нужно большее число входов, применяют расширители (экспандеры) либо несколько микросхем.

Помехоустойчивость, или, как ее еще называют, шумовой иммунитет, определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы и непосредственно связана с ее передаточной характеристикой. В общем случае этот параметр оценивается по нескольким показателям.

В зависимости от продолжительности помех различают статическую и динамическую помехоустойчивость. Если длительность помехи больше времени переходных процессов – это статическая помехоустойчивость. Если помехи импульсные, кратковременные – это динамическая помехоустойчивость. Для обоих видов помехоустойчивости учитывают воздействие напряжения низкого и высокого уровней.

Статическая помехоустойчивость по низкому уровню:

U_0пом= |U_{0вых max} – U_{0вх max}|,

где U_{0вых max} – максимальное допустимое напряжение низкого уровня на выходе нагруженной микросхемы;

U_{0вх max} – максимальное допустимое напряжение низкого уровня на входе нагружающей микросхемы.

Статическая помехоустойчивость по высокому уровню:

U_1пом= |U_{1вых min} – U_{1вх min}|,

где U_{1вых min} – минимальное напряжение высокого уровня на выходе нагруженной микросхемы;

U_{1вх min} – минимальное допустимое напряжение высокого уровня на нагружающем входе.

В справочниках приводят одну величину, U_0пом или U_1пом, ту, что меньше.

Динамическая помехоустойчивость выше статической, т. к. при кратковременных помехах сказываются паразитные емкости и инерционные процессы в микросхеме. Она зависит и от типа микросхемы, и от условий ее работы. В справочниках динамическая помехоустойчивость не указывается.

Энергия переключения (работа):

A = P_пот · t_зд.р.ср.

Параметр характеризует качество разработки и исполнения микросхемы. Здесь Р_пот – мощность, потребляемая микросхемой в процессе переключения. Для большинства микросхем А = 0,1  500 пДж. Чем меньше этот параметр, тем выше качество микросхемы. Однако чем меньше энергия переключения А, тем хуже помехоустойчивость.

Надежность характеризуется интенсивностью отказов , наработкой на отказ Т и вероятностью безотказной работы P(t) в течение заданного времени. Интенсивность отказов определяется выражением:

λ = n / (N ·t),

где n – число отказов в ходе испытаний; t – время испытаний в часах; N – число испытуемых изделий в партии.

Для современных микросхем

λ ≈ 2^-9 ÷ 10^-9.

Наработка на отказ и вероятность безотказной работы связаны с интенсивностью отказов следующими соотношениями:

T = 1/λ, ч;

P(t) = e^-λt.

Приняв λ = 10^-8 ч^-1 и t = 15000 ч, получим P(t) = 0,998, то есть 99,8 % – это исключительно высокий показатель.

Стойкость микросхемы к климатическим воздействиям характеризуется следующими показателями: влажность до 98 % при 25 °С; рабочий диапазон температур ∆T °С от –10 до +70 °С. Для специальных микросхем – от – 60 до +125 °С.