Интегральные логические элементы

Современные логические элементы (ЛЭ) реализуются исключительно в виде интегральных микросхем. Наибольшее распространение получили микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и схемы на МОП (металл-окисел- полупроводник) – структурах.

 

Характеристики ЛЭ.

 

ЛЭ характеризуются быстродействием, нагрузочной способностью (коэффициентом разветвления по выходу), коэффициентом объединения по входу (числом входов ЛЭ), помехоустойчивостью, потребляемой мощностью, напряжением питания и уровнем сигналов.

Быстродействие – один из важнейших параметров, характеризуюемый средним временем задержки распространения сигнала

(рис. 2.1.)

Для современных ЛЭ задержка распространения составляет обычно единицы наносекунд.

Рис. 2.1.Задержка переключения.

 

Нагрузочная способность показывает, на сколько логических входов может быть одновременно нагружен выход данного ЛЭ без нарушения его работоспособности. Для большинства ЛЭ нагрузочная способность обычно не превышает 10 входов. Для специальных буферных ЛЭ она может достигать 30-40.

Коэффициент объединения по входу определяет максимальное возможное число входов ЛЭ. Увеличение числа входов расширяет логические возможности схемы, однако при этом ухудшаются быстродействие и помехоустойчивость. У известных ЛЭ максимальное число входов – 8.

Помехоустойчивость характеризует способность ЛЭ правильно функционировать при наличии помех и определяется максимально допустимым напряжением помехи.

Потребляемая мощность P_ср=0,5(P₀ + P₁), где P₀ и P₁ – соответственно потребляемые мощности при состоянии выхода «0» и «1». При этом считается, что в сложном устройстве половина ЛЭ находится в состоянии «0», а половина – в «1». Однако P_ср зависит от частоты переключений. Поэтому необходимо учитывать P_ср при максимально допустимой частоте следования переключения импульсов.

ЛЭ характеризуются еще значением напряжения питания и уровнем логических сигналов, соответствующих «0» и «1».

 

Серии ЛЭ.

 

Серией микросхем называют группу микросхем, выполненных по одинаковой или близкой технологии, имеющих сходные технические характеристики и предназначенные для совместной работы в составе цифровой аппаратуры.

Условное обозначение логической микросхемы состоит из следующих элементов: 1) буквы, в большой степени характеризующие стойкость микросхемы к воздействию окружающей среды и связанный с этим тип корпуса (отсутствие буквы рассматривается как своего рода «нулевая буква»); 2) трёх или четырёх цифр, обозначающих номер серии; 3) двух букв, характеризующих выполняемую функцию; 4) одной или двух цифр, обозначающих тип микросхемы внутри функциональной группы; 5) буквы, характеризующие возможные вариации значений некоторых параметров. Чаще всего этой буквы не бывает.

Пример: К555ЛА2 - микросхема серии К555, выполняющая функцию И-НЕ, второго типа (в серии К555 этот тип имеет 8 входов).

Микросхемы заключены в стандартные корпуса, в основном с двумя типами выводов:

1) перпендикулярными плоскости корпуса, с шагом 2,5 мм, которые вставляются в отверстия монтажной платы и распаиваются на стороне платы, противоположной корпусу. Такие корпуса называют корпусами типа DIP (D ual I n line P ackage - корпус с двумя рядами выводов). В корпуса DIP чаще всего заключаются микросхемы широкого применения, имеющие перед номером серии буквы К, КМ или КР;

2) плоскими (планарными), которые накладываются на плату и распаиваются на той же её стороне, где находится и сам корпус; шаг выводов 1,25 мм. В таких корпусах обычно выпускаются серии специального применения без буквы перед номером.

Габариты микросхемы определяет не кристалл кремния, а выводы из корпуса. Поэтому если элементы простые, то в корпусе размещают несколько одинаковых элементов.

Простые ЛЭ обычно размещают в корпусах DIP14 с 14 выводами, из которых один вывод - это питание и один вывод - общий провод всех логических входов, выходов и питания, кратко называемый общий или, менее строго - земля. Оставшиеся 12 выводов - логические.

Примеры состава корпусов: 6 х НЕ - шесть инверторов (Заняты все 12 выводов); 4 х 2И- четыре двухвходовых элемента И (заняты все выводы); 2 х 4И-НЕ - два четырёхвходовых элемента И-НЕ (не использованы два вывода). Более сложные логические узлы размещают в корпусах с 16, 24 и большим числом выводов.

В настоящее время наиболее распространены две технологии изготовления ЛЭ: ТТЛ и КМОП.

Для технологии ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики) самыми удобными для изготовления являются элементы И-НЕ.

Элементы ТТЛ, а тем более их модификация с диодами Шоттки - ТТЛШ, имеют хорошее быстродействие, удовлетворительные электрические и эксплуатационные характеристики. Большинство микропроцессорных больших интегральных схем (БИС) и БИС памяти согласованы по питанию и уровням сигналов с элементами ТТЛ. Серии ТТЛ и ТТЛШ - наиболее распространённые и популярные у разработчиков цифровых устройств.

Комплементарные (взаимно дополняющие) МОП (метал-окисел-полупроводник) - структуры, построенные на основе МОП-транзисторов с различным типом проводимости. Элементы КМОП исключительно экономны по потребляемой мощности, что является их основным достоинством. Они способны работать в широком диапазоне напряжений питания (3-15 В), имеют высокую помехоустойчивость. Недостатком их является пока ещё меньшее, чем у ТТЛ быстродействие. КМОП микросхемы нуждаются в более бережном обращении, чем другие микросхемы, т.к. из-за очень высокого входного сопротивления для них опасно статическое электричество.

В табл.2.1 приведены наборы микросхем отдельных ЛЭ, выпускаемых в рамках некоторых широко распространённых серий ТТЛ, ТТЛШ. КМОП. Из таблицы видно, что наиболее полно во всех сериях представлены элементы И-НЕ.

Таблица 2.1

Основные параметры	Технология. Серия
и	ТТЛ	ТТЛШ	КМОП
выполняемые функция
	К155	К555	К561
Типовая средняя задержка, нС
Типовая средняя потребляемая мощность одним ЛЭ в статике	20 мВт	4 мВт	0,7 мкВт
6×НЕ	ЛН1	ЛН1	ЛН1
4×2И-НЕ	ЛА3	ЛА3	ЛА7
3×3И-НЕ	ЛА4	ЛА4	ЛА9
2×4И-НЕ	ЛА1	ЛА1	ЛА8
8И-НЕ	ЛА2	ЛА2	-
4×2И	ЛИ1	ЛИ1	-
3×3И	-	ЛИ3	-
2×4И	-	ЛИ6	-
4×2ИЛИ	ЛЛ1	ЛЛ1	-
4×2М2	ЛП5	ЛП5	ЛП2
4×2ИЛИ-НЕ	ЛЕ1	ЛЕ1	ЛЕ5
3×3ИЛИ-НЕ	-	-	ЛЕ10
2×4ИЛИ-НЕ	ЛЕ2	-	ЛЕ6
2×2-2И-2ИЛИ-НЕ	ЛР1	-	-
4-4И-2ИЛИ-НЕ	ЛР4	-	-
2-2-2-3И-4ИЛИ-НЕ	ЛР3	-	-