2.3.4. Параметры логических элементов

Для правильного проектирования и эксплуатации ЦУ необходимо знать систему параметров ЛЭ.

Все параметры ЛЭ можно разделить на 2 класса:

1. статические;

2. динамические.

Статические параметры характеризуют работу ЛЭ в статическом (установившемся, неизменном) режиме, а динамические – при переключениях входов и выходов.

Статические параметры лэ

В качестве важнейших статических параметров приводятся пять значений напряжений и пять значений токов.

Прежде всего указываются значение напряжения питания U_CC (V_CC , E, U_п , U_пит) и его поле допуска (например, +5 ± 1 В).

Четыре значения напряжений задают границы отображения констант (0 и 1) на выходе и входе элемента. Для нормальной работы элемента требуется, чтобы напряжение, отображающее логическую 1, было достаточно высоким, а напряжение, отображающее 0, – достаточно низким. Эти требования задают­ся параметрами U_вх.1.min и U_вх.0.max . Входные напряжения данного элемента есть выходные напряжения предыдущего (источника сигналов). Уровни, га­рантируемые на выходе элемента при соблюдении допустимых нагрузочных условий, задаются параметрами U_вых.1.min и U_вх.0.max . Выходные уровни не­сколько “лучше” входных благодаря питанию ЛЭ стабилизированным постоянным напряжением, что обеспечивает определённую помехоустойчи­вость элемента (рис. 8).

Рис. 8. Зоны отображения сигналов на входах и выходах ЛЭ

Для уровня U₁ опасны отрицательные помехи, снижающие его, причём до­пустимая статическая помеха (т. е. помеха любой длительности)

.

Для уровня U₀ опасны положительные помехи, причём допустимая статиче­ская помеха

.

Для токов в первую очередь указывается ток потребления I_п , который обычно нужен для определения потребляемой элементом мощности, рассчитываемой как произведение напряжения питания элемента на потребляемый им ток (P_п = U_питI_п).

Следующие четыре значения токов среди важнейших статистических пара­метров – входные и выходные токи в обоих логических состояниях. При высоком уровне выходного напряжения из элемента-источника ток вытека­ет, в то время как цепи нагрузки ток поглощают. При низком уровне вы­ходного напряжения элемента-источника ток нагрузки втекает в этот эле­мент, а из входных цепей элементов-приёмников токи вытекают. Зная токи I_вых.1.max и I_вых.0.max , характеризующие возможности элемента-источника сигнала, и токи I_вх.1.max и I_вх.0.max , потребляемые элементами-приёмниками, можно контролировать соблюдение нагрузочных ограничений, обязательное для всех элементов схемы ЦУ.

Динамические параметры лэ

Основным динамическим параметром ЛЭ является его быстродействие, определяемое скоростями перехода из одного состояния в другое. Быстродействие ЦУ определяется задержками сигналов, как в ЛЭ, так и в цепях их межсоединений.

Временные диаграммы переключения инвертирующего ЛЭ (рис. 9) показывают длительности характерных этапов переходных процессов, отсчитываемые по так называемым измерительным уровням. Мо­ментом изменения логического сигнала считают момент достижения им по­рогового уровня. Часто за пороговый уровень принимают середину логиче­ского перепада сигнала, т. е. (U₀ + U₁)/2. Иногда пороговый уровень указывается более точно в паспортных данных элемента. На временных диаграммах показаны задержки распространения сигнала при изменении выходного напряжения элемента от U₁ до U₀ и обратно (t¹⁰ и t⁰¹). Очень часто для упрощения расчётов пользуются усреднённым значением задерж­ки распространения сигнала t_з = (t¹⁰ + t⁰¹)/2.

Рис. 9. Временные диаграммы процессов переключения ЛЭ

Следует обратить внимание на то, что усреднение согласно приведённому соотношению не относится к технологическому разбросу задержек. Также следует заметить, что справочные данные о задержках соответствуют опре­делённым условиям измерений, указанным в справочниках. Если условия работы элемента отличаются от условий измерения, то может потребоваться коррекция справочных данных.

На быстродействие ЦУ влияют также ёмкости, на перезаряд которых требу­ются затраты времени. В справочных данных приводятся входные и выход­ные ёмкости ЛЭ, знание которых позволяет подсчитать ёмкости нагрузки в узлах схемы. Для подключаемой к выходу элемента ём­кости приводятся две цифры: номинальная ёмкость нагрузки C_L (L от Load – нагрузка) и пре­дельно допустимая ёмкость С_max  . Первая ёмкость соответствует условиям измерения задержек сигналов, так что именно для неё справедливы значе­ния задержек сигналов, приведённые в справочных данных. Если реальная нагрузочная ёмкость отличается от номинальной, то изменятся и значения задержек. Значения реальных задержек можно оценить с помощью соотноше­ния

t_з = t_з.н + kΔC,

где t_з.н – номинальное значение задержки; ΔC = С – C_L; С – фактическое значение нагрузочной ёмкости; k – коэффициент, вели­чина которого задаётся для каждой серии элементов индивидуально.

Предельно допустимая ёмкость указывает границу, которую нельзя нару­шать, поскольку при этом работоспособность элемента не гарантируется.

Разумеется, при подсчёте ёмкостей в узлах ЦУ учитываются и ёмкости меж­соединений (монтажные ёмкости).