Вопрос 26. Логические интегральные схемы: классификация и основные параметры.

Основой для построения современной вычислительной техники являются цифровые интегральные схемы (ЦИС), сложность которых принято характеризовать степенью интеграции Kи. Kи = lg Nэл,, (2.1) где Nэл – число элементов И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, расположенных на кристалле микросхемы. По степени интеграции микросхемы подразделяют на: - малые интегральные схемы (МИС) – это схемы 1…2 степени интеграции, содержащие от нескольких до 100 элементов, в состав которых входит один или несколько логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров и т.п.; - средние интегральные схемы (CИС) – схемы 2…3 степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1000 элементов, в состав которых входят один или несколько функциональных узлов типа регистр, счетчик, дешифратор и т.п.; - большие интегральные схемы (БИС) – это схемы 3…4 степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10000 элементов, в состав которых входит одно или несколько функциональных устройств (например, арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство, программируемая логическая матрица и др.); - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – схемы 5…7 степени интеграции, представляющие собой законченные микроэлектронные изделия, способные выполнять функции аппаратуры. По способу представления информации ИС делятся на потенциальные и импульсные. В потенциальных ИС значения “0” и “1” представляются двумя существенно различающимися уровнями электрического сигнала: высоким и низким. Чаще всего низкий потенциал принимают за “0” и обозначают U0 (UL), а высокий потенциал принимают за “1” и обозначают U1 (UH). Такое представление называется положительной логикой. При использовании отрицательной логики за “0” принимают высокий потенциал, за “0” – низкий потенциал. В импульсных ЦИС одно из значений логического сигнала определяется наличием на выходе схемы импульсов определенной длительности и амплитуды, а другое значение – отсутствием импульсов. В положительной логике отсутствие импульсов соответствует “0”, а наличие – “1”. Большинство типов современных ИС относится к классу потенциальных. Для характеристики потенциальных микросхем используется следующая система параметров: - выходные напряжения низкого и высокого уровня (UOL, UOH) при заданных токах нагрузки; - входные токи низкого и высокого уровня (IIL, IIH); - порог переключения UTH; - абсолютная помехоустойчивость по отношению к помехам положительной полярности UП+ и отрицательной полярности UП–; - мощность РCC или ток ICC, потребляемые от источника питания; - времена задержек распространения сигнала от входа до выхода при изменении сигнала на выходе из “0” в “1” (tPLH) и из “1” в “0” (tPHL); - времена подготовки (tSU) и удержания (th) входных сигналов относительно тактовых сигналов. Параметры цифровых схем определяются по их статическим и переходным характеристикам. Основной статической характеристикой ИС является передаточная характеристика UO = f (UI). По типу передаточной характеристики различают инвертирующие и неинвертирующие ЦИС. Типичная передаточная характеристика инвертирующего логического элемента представлена на рис.2.1. На передаточной характеристике можно выделить три ярко выраженных участка: I – соответствует состоянию Uвых=UL; II – соответствует состоянию Uвых=UH, III – промежуточному состоянию или зона неопределенности. Максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая логического переключения или сбоя, называется помехоустойчивость и определяется выражениями (2.2), (2.3). UП+ = UП0 – U0 , (2.2) UП– = U1 – UП1 , (2.3) где UП0, UП1 – порог переключения при изменении выходного напряжения из “1” в “0” и из “0” в “1” соответственно. Входная характеристика логических схем II = f(UI) служит для определения значений входных токов IIL и IIH. Выходные характеристики UOL = f(IOL), UOH = f(IOL) позволяют определить зависимость выходных напряжений низкого и высокого уровней от токов нагрузки. Ток потребления, соответственно и мощность потребления, зависят от логического состояния микросхемы (особенно для МИС и СИС) и частоты переключения. Поэтому различают статическую мощность потребления, которая определяется согласно выражению: P = 0,5 VCC (I0СС + I1СС) , (2.4) где I0СС – ток потребления при Uвых = UL, I1СС – ток потребления при Uвых = UH, и динамическую мощность потребления, которая является функцией частоты переключения логического элемента. Задержки распространения сигналов от входов до выходов микросхемы характеризуют их быстродействие и определяются с помощью переходных характеристик, которые приведены на рис.2.3. Времена задержек распространения сигналов определяются, как промежутки времени между моментами достижения входными и выходными потенциалами порога переключения. Значения tP существенно зависят от емкости нагрузки. Для характеристики быстродействия очень часто используют величину средней задержки равной: tP = 0,5 (tPHL + tPLH). (2.5)

Переходные характеристики логических элементов

Рисунок 2.3. Переходные характеристики логических элементов В ЦИС, содержащих элементы памяти, на подачу некоторых входных сигналов накладываются определенные временные ограничения, которые принято характеризовать временами подготовки (tSU) и удержания (th). Время подготовки – это интервал до поступления тактового сигнала, в течение которого информационный сигнал должен оставаться неизменным. Время удержания – это время после поступления тактового сигнала, в течение которого информационный сигнал не должен изменяться. Необходимые времена подготовки и удержания обеспечивают правильное восприятие элементом памяти подаваемой на него входной информации. На рис. 2.4 в качестве примера показаны времена подготовки и удержания относительно положительного фронта тактового сигнала.

Времена подготовки и удержания логических элементов с памятью

Рисунок 2.4. Времена подготовки и удержания логических элементов с памятью Понятия подготовки и удержания применимы не только к сигналам синхронизации и информационному, но распространяются и на процессы взаимодействия двух и более информационных сигналов. Рассмотренная система параметров ЦИС полностью характеризует их электрические характеристики и, как правило, в той или иной мере указывается в справочной литературе.