1.4 Параметры микросхем.

Каждая микросхема оценивается рядом параметров, обусловленных внутр. структурой и конструктивным исполнением. Некоторые из этих параметров касаются конкретной микросхемы, др. хар-ют 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 и не исчерпывают физич. возможностей микросхемы, однако превышать их не следует, особенно же, от кот. зависят работоспособность и надежность приборов.

Оценивают микросхемы по следующим основным параметрам:

1) быстродействию (задержка переключения);

2) напряжению питания;

3) потребляемой мощности;

4) коэф. разветвления по выходу;

5) коэф. объединения по входу;

6) помехоустойчивости;

7) энергии переключения;

8) надежности;

9) стойкости к климатическим и механ. воздействиям.

Быстродействие хар-ся max частотой смены входных сигналов, при кот. еще не нарушается норм, функционирование. Это один из важнейших параметров, т.к. опр-ет время обработки информации.

Инерционность полупроводниковых приборов и емкости служат причиной того, что каждое переключение сопровождается переходными процессами, отчего фронт импульсов растягивается. Когда частота смены входных сигналов не велика, можно считать, что переключение происходит мгновенно, а при повешенных частотах приходится считаться с искажениями импульсов. Фронты искаженных прямоугольных импульсов представляют собой участки кривых, но для простоты их принято заменять кусочками прямых.

Для оценки временных св-в микросхем сущ-ет несколько параметров, на практике обычно пользуются так называемой задержкой распространения сигнала, кот. представляет собой интервал времени между входным и выходным импульсами, измеренными на уровне 0.5. времена задержки распространения сигнала при вкл. t^1?0H при выкл. t⁰'¹ близки, но не равны. Обычно пользуются усредненным параметром (1.1)

*₃д.р.ср. ⁼ 0,5 (t'^+t⁰'^!), кот. наз. средним временем задержки распространения. На рис. 1 Сочетание Вкл. - выкл. -1¹'⁰; Выкл. -вкл. -1⁰'¹;

I

*зд.р.ср. - используют при расчете временных хар-к цепочек посл-но соед. по этому параметру ИС можно разделить на:

1) Сверхбыстродейств. 1₃д.р.ср. < 5 не

Рпотер = 50..100мВт

Быстродейств. 1зд.р.ср. = 50.. 100 не.

Рпот.ср. - 20..50 мВт

2) Среднего 1зд.р.ср. = 10..100 не

Рзд.р.ср. = 1..30 мВт Малого 1зд.р.ср > 100 не Рпот.ср. < 1 мВт Рис. 1 Оценка задержки сигналов.

а) Входной импульс;

б) выходной импульс и инверсный;

в) выходной импульс без инверсий.

Иногда пользуются близкими параметрами - временем, задержкой вкл. t¹'⁰ и выкл. г⁰'¹, они измеряются на уровнях 0,1 и 0,9 соответственно.

Кр_Аз - логич. элемента (нагрузочная способность) опр-ет max идентичных эл-ов, может быть подключено к выходу данной схемы. При этом должна обеспечиваться устойчивая передача сигналов «О» или «1» при воздействии дестабилизирующих факторов: изменение t°C; уменьшение номиналов ист. питания в пределах допустимого.

Нагрузочная способность выражается целым полодит. числом (К_РАЗ = 2,4,6,10 и т. д.). Чем выше нагрузочная способность эл-та, тем выше его логич. возможности тем меньше требуется для построения вычисл. устройств. Однако увеличивать бесконечно параметр К_РАЗ нецелесообразно, т.к. это ведет к снижению быстродействия, увелич. мощности потребления, ухудшению частичных хар-к и помехоустойчивости.

Поэтому в состав серии ИС входят обычно эл-ты с низкой нагрузочной способностью (краз ⁼ 2..10 осн. логич. эл-ты) и с высокой нагрузочной способностью (К_РАЗ = 20..50).

Это дает возможность разработчику проектировать военную технику с оптимальным соотношением между потребляемой мощностью и количеством ИС в машине.

ИС низкой нагрузочной способностью (К_раз 2.. 10 осн. логические элементы).

Более мощные схемы обладают повышенным по сравнению с маломощными схемами быстродействием. Снижение микросхемами мощности потребления при сохранении высокого быстродействия - одна из задач микроэлектроники.

рпот ~ средняя мощность потребления, важнейший параметр ИС.

Лог. ИС может находиться:

1) в стадии включения;

2) в состоянии " Включено";

3) в состоянии " Выключено";

4) в состоянии выполнения.

Каждое из этих состояний характеризуется различной мощностью потребления. При этом в зависимости от места логич. элемента мощность потребления будет происходить в основном при переключении из одного состояния в другое для одного типа элементов и в состоянии " Вкл ".Р_вкл для другого типа элементов характеризуются средним значением Р_потр.

р = ( Р° + Р¹ )/2

^гпотр.ср. \ ^г ^ ^г ) I *••

Р° - в состоянии " Выкл "

Р¹ - в состоянии " Вкл ".

По мощности потребления ИС делят на:

Мощные 30 мВт < Р_по1р. _ср. <ЗООмВт;

Средние ЗмВт < Р_{потр ср} < 30 мВт;

Маломощные 0,3 мВт < Р_ПОтр.ср.^< 3 мВт;

Микроваттные 1 мкВт < Р_ПОтр.ср < ЗООмкВт;

Нановаттные Р_п(Пр.ср. ^< 1 мкВт.

Используются некоторые дополнительные временные параметры, обусловленные принципом действия. Например: время задержки переключения, максимальная частота переключения и др.

Коэффициент разветвления по выходу (коэффициент нагрузки ).

Кр_аз ~ характеризует нагрузочную способность микросхемы. Этот параметр определяет max число вых. эл-ов данной серии, кот. можно нагружать вых. микросхемы без нарушения ее норм, функционирования.

Коэффициент объединенный по выходу (Коб) - определяет max возможное число входов ИС, по кот. реализуется логич. функция.

Для простейших логич. эл-ов это число равноценных входов по И либо ИЛИ. Логич. эл-ты массового производства выпускаются с 2,3,4 и 8 вых. Когда возникает надобность в большем числе входов, применяют специальные ИС - расширители, числа входов кот. не имеют самостоятельного применения, либо используют несколько однотипных эл-ов, кот. соединяют с учетом законов булевской алгебры.

Более сложные устройства имеют и др. выходы: адресные, упаковочные, разрешающие, входы синхронизации и т.д. По отношению к индивидуальным каскадам каждый такой вход обычно представляет такую же нагрузку как и логич. (информационные ) входы. Увеличение Коб ведет к потере частотных хар-к, уменьшению помехоустойчивости увеличению мощности потребления.

Помехоустойчивость или, как ее еще наз., шумовой иммунитет определяет допустимое напряж. Помех на входах микросхемы и непосредственно связана с ее передаточной хар-ой.

Статическую помехоустойчивость связывают с помехами, длительность кот. больше времени переходных процессов, а динамическую - с кратковременными помехами. Для обоих видов помехоустойчивости может учитываться воздействие напряж. низкого и высокого уровней.

Статической помехоустойчивостью по низкому уровню считается разность

U ном ⁼' U вых млх - U вх мах- , (1-2)

где и_вых мах - ^тах допустимое напряж. низкого уровня на вых. нагрузочной микросхемы.

и_вых max- max допустимое напряж. низкого уровня на вх. нагружающей ИС. u°hom - отпирающая помеха. Помехоустойчивость по высокому уровню определяется как

U ном=!и вых.min -U bx.min-, (1-3)

здесь и'вых min - ^mm напряж. высокого уровня на вых. нагруженной ИС. U¹ вых min - min допустимое напряж. высокого уровня на нагружающем выходе. U¹ вых - запирающая помеха.

Так логич. ИС может находится в одном из двух устойчивых состояний, то различают:

1) помехоустойчивость закрытой схемы по отношению к отпирающим помехам

тт° и ном

2) помехоустойчивость открытой схемы по отношению к запирающим помехам U ном.

Часто используют не абсолютные знач. напряжений max допустимых помех по входу, а их отношение к min переходу напряж. AU_MIN на выходе эл-та при его переключении.

К°^Лном.ст. ⁼ (и°^Лном) / (au_min) - коэф. статической помехоустойчивости.

Статическая помехоустойчивость служит основным показателем защищенности микросхем от помех. В справочниках приводят одну величину, u°_hom или U°^л_ном > ту , что меньше.

Динамическая помехоустойчивость выше, чем статическая, т.к. при кратковременных помехах сказываются поразительные емкости и инерционные процессы в микросхеме.

Динамическая помехоустойчивость в справочных данных не указывается, т.к. зависит не только от типа микросхемы, но и от условий ее разработки.

Энергия (работа) переключения - определяется как A=P_noT*t₃AP.cp » ^гД^е

рпом - средняя потребляемая мощность.

тзд..р.ср. - среднее время задержки распространения.

Параметр хар-ет качество разработки и исполнения микросхемы.

Для большинства семейств цифровых микросхем энергия переключения находится в пределах от 0,1 - 500 пДж. Чем меньше этот параметр, тем выше качество разработки. С др. стороны для микросхем с высокой помехоустойчивостью большая энергия является благом, т.к. импульсы помех даже большей амплитуды, но недостаточной энергии не создают ложных срабатываний.

Надежность хар-ся 3 взаимосвязанными показаниями:

1) интенсивностью отказов X;

2) Наработкой на отказ Т;

3) Вероятностью безотказной работы P(t) в течение заданного времени t.

В ИС отсутствует перегрев, они мало подвержены вибрации и ударам, технология производства обеспечивает высокое кач-во продукции, и поэтому их надежность во много раз выше, чем у изделий, собранных из отдельных деталей.

Интенсивность отказов определяется в ходе испытаний большой партии изделий и хар-ся выражением X=n/Nt, где п - число отказов в ходе испытаний; t - время испытаний; N - число используемых изделий в партии.

Интенсивность отказов для совр. микросхем А,= 10~⁸..10"⁹ (1/ч).

По этому параметру можно вычислить и остальные показания надежности Т=1/Х, и P(t) = e^xt;

Принять X = 10"⁸ ч"¹, a t = 15000 , можно найти, что вероятность безотказной работы составляет P(t) = 0,998, т.е. -99,8%,это исключительно высокий показатель.

Стойкость микросхем к механич. и климатич. воздействиям очень высока.

Они способны работать норм, при интенсивных механич. Нагрузках и в неблагоприятных условиях: при повышенной влажности (до 98% при 25°С) и в большом температурном диапазоне (от -10 до +70°С для ИС широкого применения и от -60 до +125°С - специального).

Кроме того, когда это требуется, учитываются такие микросхемы, число изделий в серии, особые условия эксплуатации, возможность сопряжения с изделиями др. серий и др. показания.