2.4. Системы (серии) логических элементов и их основные характеристики

При построении КС устройств вычислительной техники используются различные логические элементы, которые должны согласоваться по входным и выходным сигналам, напряжению питания и т.д. Для этой цели логические элементы объединяют в серии.

Серией (системой, комплексом) логических элементов ЭВМ называется предназначенный для построения цифровых устройств функционально полный набор логических элементов, объединяемый общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами, использующий одинаковый способ представления информации, одинаковый тип межэлементных связей. Система элементов чаще всего избыточна по своему функциональному составу, что позволяет строить схемы более экономичные по количеству использованных элементов.

В состав серии входят элементы для выполнения логических операций, запоминающие элементы, элементы, реализующие функции узлов ЭВМ, а также специальные элементы для усиления, восстановления и формирования сигналов стандартной формы.

Конструктивно логические элементы представляют собой микроминиатюризированые интегральные электронные схемы (микросхемы), сформированные в кристалле кремния с помощью специальных технологических процессов.

В большинстве современных серий элементов имеются микросхемы малой степени интеграции (ИС до 100 элементов на кристалле), средней степени (СИС – до 1000 элементов на кристалле), большой степени интеграции (БИС – до 10000 элементов на кристалле) и сверхбольшой степени интеграции (СБИС – более 10000 элементов на кристалле). Логические элементы в виде ИС реализуют совокупность простых логических операций: И, ИЛИ, И-ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д. Логические элементы на СИС и БИС реализуют узлы ЭВМ, на СБИС – микроЭВМ.

Основными параметрами серии логических элементов являются:

• питающие напряжения и сигналы для представления лог. «0» и лог. «1»;

• коэффициенты объединения по входу;

• нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу);

• помехоустойчивость;

• рассеиваемая мощность;

• быстродействие.

Серия элементов характеризуется количеством используемых питающих напряжений и их номинальными значениями. Обычно лог. «0» соответствует низкий уровень напряжения, а лог. «1» – высокий. Для наиболее часто используемых серий напряжение питания составляет +5В, уровень логической единицы 2,4-5В, уровень логического 0 – 0-0,4В.

Коэффициент объединения по входу (К_об) определяет максимально возможное число входов логического элемента, иными словами, функцию скольких переменных может реализовать этот элемент. Обычно К_об принимает значение от 2 до 4, реже К_об = 8. Увеличение числа входов связано с усложнением схемы элементов и приводит к ухудшению других параметров – помехоустойчивости, быстродействия и т.д.

Коэффициент разветвления по выходу (К_раз) показывает на какое количество логических входов может быть одновременно нагружен выход данного логического элемента. Обычно К_раз для наиболее часто используемых серий равен 10. Иногда вместо К_раз задается предельно допустимое значение выходного тока логического элемента в состоянии «0» или «1».

Помехоустойчивость – это способность элемента правильно функционировать при наличии помех. Она определяется максимально допустимым напряжением помехи, при котором не происходит сбоя в его работе. Обычно это напряжение порядка 0,6-0,9 В.

Быстродействие логических элементов является одним из важнейших параметров и характеризуется временем задержки распространения сигнала. Этот параметр существенно зависит от технологии изготовления микросхем и лежит в диапазоне от единиц до сотен наносекунд.

Сравнительные характеристики наиболее употребляемых серий логических элементов приведены в табл.2.1., где в первой колонке приведены зарубежные обозначения серий, во второй – отечественные.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики серий ЛЭ

	Отечест венный аналог	Напря жение питания Vcc+_10%, B	Совместимость		Входной ток~ IIL/IIH, мкА/мкА	Нагрузка~ IOL/IOH, мА/мА	Ток потреб- ления~ ICC, мкА	Быс тро дейст вие, нс
			по входам VIL/VIH	по выходам VOL/VOH
BICMOS
ABT LVT(16)	- -	5 3,3	TTL TTL,CMOS	TTL TTL,CMOS	-5/5 -5/1	64/-32 64/-32	30 mA 9,0 mA	3,6 4,1
CMOS
VCX(16) LCX(16) LVX LVQ AC ACQ ACT ACTQ VHC VHCT HC HCT 74C CD4K GTLP A B HS HST UHS	- - - - КР1554 - КР1594 - - - КР1564 - - - - - - - -	3,3/2,5 3,3 3,3 3,3 3,3/5 3,3/5 5 5 3,3/5 5 2/4,5/6 5 3-15 3-15 5 3,3 2,0/3,0/ 4,5/6 5 1,8/2,5/ 3,3/5	TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS CMOS CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS CMOS TTL,CMOS CMOS TTL,CMOS CMOS CMOS TTL GTLP CMOS TTL,CMOS CMOS	TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS TTL GTLP TTL,CMOS TTL,CMOS TTL,CMOS	-5/5 -5/5 -1/1 -1/1 -1/1 -1/1 -1/1 -1/1 -1/1 -1/1 -1/1 -1/1 -1/1 0,01 -30/20 -5/5 -1/1 -1/1 -5/5	24/-24 24/-24 4/-4 12/-12 24/-24 24/-24 24/-24 24/-24 8/-8 8/-8 6/-6 6/-6 12/-14 8/-1,25 32/-32 34/Open 2,6/-2,6 2,0/-2,0 32/-32	20 20 40 40 80 80 80 80 40 40 80 80 300 3 1 mA 40 10 10 50		2,5/3,2 4,5 12,0 9,5 7,5 6,5 10,0 7,0 8,5 9,5 25 25 70 40 8,2 8,2 21 30 4,5
Биполярные
FASTr FAST AS ALS LS S TTL	- КР1530 КР1531 КР1533 КР555 КР531 КР155	5 5 5 5 5 5 5	TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL	TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL	-150/5 -1,6mA/5 -1,0mA/20 -0,1mA/20 -200/20 -400/50 -1,6mA/40	64/-15 64/-15 64/-15 24/-15 24/-15 64/-15 40/-250мкА	75 мА 90 мА 90 мА 27 мА 54 мА 120мА 41 мА	3,9 6,5 6,2 10 18 9 30