Рассмотрим потенциальные элементы: логическое состояние определяется значениями электрического потенциала на входе и выходе.
Параметры элементов:
Потенциалы логического 0 и логической 1: U 0, U 1; порог переключения VП; число входов (коэффициент объединения по входам) M; входные токи I 0 вх, при Uвх=U 0, I 1 вх при Uвх=U 1; коэффициент разветвления по выходу N (нагрузочная способность); помехоустойчивость к помехам - положительным и отрицательным: U+п, U ‑ п; мощность P э или ток, который питания Iпит, задержки переключения: t 01 з из состояния 0 на выходе в состояние 1, t 10 з из 1 на выходе в 0.
Основная статическая характеристика логических элементов – передаточная:
Uвых = f (Uвх) – зависимость потенциала на выходе от потенциалов на одном из входов, при постоянном значении на других входах. К входам и выходам логических схем подключаются такие же схемы. Передаточные характеристики бывают инвертирующие и неинвертирующие.
Рис. 26. Неинвертирующая передаточная характеристика
I – зона логического нуля по выходу,
|
|
II – зона логической единицы по выходу,
III – зона неопределенности.
U Л= U 1- U 0 – логический перепад;
DVП= V 1 П - V 0 П – ширина зоны неопределенности;
U+П= V 0 П - U 0; U‑П =U 1- V 1 П - помехоустойчивость по положительной и отрицательной помехам, соответственно;
U+П + U‑П = UЛ - DVП;
V 0 П , V 1 П – пороги переключения.
Т.к. DVП<<UЛ, то V0П»V1П»VП
UЛ = EПИТ U+П +U‑П £ EПИТ.
Следует использовать такие схемы, у которых , тогда
Помехоустойчивость следует рассчитывать для наихудшего случая:
U+П= V 0 П MIN - U 0 MAX; U ‑П= U 1 MIN – V 1 П МAX
Рис. 27. Инвертирующая передаточная характеристика.
I – зона логического нуля по выходу,
II – зона логической единицы по выходу,
III – зона неопределенности.
Входная характеристика:
Iвх = f(Uвх) определяет входные токи
I0вх ³0 вытекающего из схемы при Uвх=U0,
I1вх £0 втекающего в схему при Uвх=U1,
Выходные характеристики:
U0вых=f(I0н), U1вых = f(I1н)
, , ,
По этим характеристикам определяются максимально допустимые токи.
,
, - известны; , - заданы.
Рис. 28. Выходная характеристика.
Если нагрузкой служат идентичные логические схемы, то
,
- коэффициент разветвления на выходе. С ростом помехоустойчивости N - уменьшается.
Мощность схемы:
Статическая:
Динамическая мощность:
CП – паразитная емкость схемы
- частота переключения
Для определения задержек , используется схема рис. 29. Она состоит из трех логических схем одной серии: схемы, на выходе которой формируется входной сигнал для исследуемой схемы, самой исследуемой схемы и схемы, которая является нагрузкой для исследуемой. Такое подключение близко к реальным условиям работы логических схем.
|
|
Время задержки определяется как среднее арифметическое времени задержки переключения с логического нуля на логическую единицу и времени задержки переключения с логической единицы на логический нуль.
Рис. 29. Схема для определения задержек
Рис. 30. Определение задержек по переходной характеристике.
Длительность фронтов определяется по уровням 0.1 – 0.9, см. рис. 30:
Рис. 31. Определение длительностей фронтов по переходной характеристике.
Рис. 32. Зависимость задержки и энергии переключения от потребляемой мощности.
В настоящее время AП достигает , Теоретический предел .
Классификация элементов по быстродействию:
сверх быстродействующие: нс
быстродействующие: нс
среднего быстродействия: нс
низкого быстродействия: нс
По мощности:
микромощные: мВт
маломощные: мВт
средней мощности: мВт
большой мощности: мВт
Епит выбирается из стандартного ряда от 1,2 до 12,6 В (См. [4]) для биполярных схем 2 - 5 В, для МДП 5 – 9 В. Если Е пит уменьшается, то уменьшается PЭ, но, при этом, уменьшаются и , а времена задержек и фронтов возрастают.