Понятие о логическом элементе (стр. 1 )

1.Понятие о логическом элементе (ЛЭ) Простые и сложные ЛЭ, системы ЛЭ, функциональная и техническая полнота систем ЛЭ. Представление «0» и «1» в ЛЭ

Логические элементы — устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого — «1» и низкого — «0» уровней вдвоичной логике, последовательность «0», «1» и «2» в троичной логике, последовательности «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» и «9» в десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле), электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими, гидравлическими, оптическими и др.

С развитием электротехники от механических логических элементов перешли к электромеханическим логическим элементам (на электромагнитных реле), а затем к электронным логическим элементам на электронных лампах, позже — на транзисторах. После доказательства в 1946 г. теоремы Джона фон Неймана об экономичности показательных позиционных систем счисления стало известно о преимуществах двоичной и троичной систем счисления по сравнению с десятичной системой счисления. От десятичных логических элементов перешли к двоичным логическим элементам. Двоичность и троичность позволяет значительно сократить количество операций и элементов, выполняющих эту обработку, по сравнению с десятичными логическими элементами.

Логические элементы выполняют логическую функцию (операцию) над входными сигналами (операндами, данными).

Всего возможно  логических функций и соответствующих им логических элементов, где  — основание системы счисления,  — число входов (аргументов),  — число выходов, то есть бесконечное число логических элементов. Поэтому в данной статье рассматриваются только простейшие и важнейшие логические элементы.

Всего возможны  двоичных двухвходовых логических элементов и  двоичных трёхвходовых логических элементов (Булева функция).

Кроме 16 двоичных двухвходовых логических элементов и 256 трёхвходовых двоичных логических элементов возможны 19 683 двухвходовых троичных логических элементов и 7 625 597 484 987 трёхвходовых троичных логических элементов (троичные функции).

2.Параметры ЛЭ (статические и динамические)

Статические параметры логических элементов

Параметры ЛЭ цифровых интегральных схем разделяются на параметры статического и динамического режимов работы.

К основным параметрам статического режима относятся: выходные и входные напряжения высокого и низкого уровней.

В технических условиях (ТУ) или в паспорте ИМС приводится среднее значение потребляемой мощности в статическом режиме Pср = (P0 + P1)/2. Разность пороговых напряжений Uл = U1вых. пор –U0вых. пор называется логическим перепадом.

Максимально допустимое значение амплитуды потенциальной помехи, не вызывающей сбоя (ложного переключения) в цифровой схеме, называется помехоустойчивостью и определяется выражениями:U+п = U0вх. пор – U0вых. пор;U-п = U1вых. пор – U1вх. пор;(U+п + U-п)/2 = (U0вх. пор – U0вых. пор + U1вых. пор – U1вх. пор)/2 = (Uл – Uз. н)/2,где Uз. н = (U1вх. пор – U0вх. пор) - ширина зоны неопределенности. Из уравнений следует, что для увеличения статической помехоустойчивости ЛЭ необходимо уменьшать ширину зоны неопределенности и увеличивать логический перепад. Уменьшение ширины зоны неопределенности достигается увеличением крутизны передаточной характеристики в режиме переключения. Для увеличения логического перепада необходимо исключить изменение выходного напряжения в режимах «включено» и «выключено», вызываемое изменением входного напряжения. В этом случае напряжение логического перепада будет ограничено только напряжением источника

питания.

При сопоставлении передаточных характеристик ЛЭ разных типов часто пользуются не абсолютными значениями статической помехоустойчивости, а их отношениями к минимальному логическому перепаду:K+п = U+п / Uл; K-п = U-п / Uл.

Чем ближе передаточная характеристика к идеальной, тем ближе значения этих коэффициентов к 0,5.

Эффективным способом повышения статической помехоустойчивости ЛЭ является получение гистерезисной передаточной характеристики (рис. 3,а). При

этом Uп = (U+п + U-п)/2 = (U0вх. пор – U0 + U1 – U1вх. пор)/2 = (Uл – Uг)/2, где Uг - напряжение гистерезиса.

На рис. 3,б показана зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи (Uпи) от ее длительности (tп. и). При превышении длительности импульсной помехи значения tп. и2 импульсная помехоустойчивость приближается к статической, а при помехах длительностью tп и tпи ЛЭ оказывается нечувствительным к их амплитудам. В ТУ характеристика импульсной помехоустойчивости из-за отсутствия надежных критериев ее оценки при массовом производстве и ее зависимости от условий работы не приводится.

Динамические параметры логических элементов

Параметры, зависящие от времени, называются динамическими. Основными из них являются:

время задержки распространения сигнала при включении логических элементов ;

время задержки распространения сигнала при выключении логических элементов.

Часто пользуются усредненным параметром - средним временем задержки логических элементов.

К динамическим параметрам относятся также максимальная рабочая частота, при которой сохраняется работоспособность логический элемент, и динамическая мощность. Эта мощность обусловлена расходом энергии источника питания на перезарядку паразитных емкостей, пересчитанных к выходу логический элемент, при его переключениях из 0 в 1 и из 1 в 0. С ростом частоты значение увеличивается.

Ряд параметров учитывает как статику, так и динамику. Такие параметры называются интегральными. К ним относятся полная потребляемая мощность Pпот = Pср + Pдин и работа или энергия переключения

Апер = Pпот tзд. р.ср.

При заданной технологии и схемотехнике (т. е. при заданном значении Апер) можно создавать различные серии ИМС, обладающие либо высоким быстродействием (малое tзд. р.ср) и большой потребляемой мощностью, либо низким быстродействием и малой потребляемой мощностью.

Таким образом, увеличение быстродействия логический элемент при заданной технологии и схемотехнике неизбежно сопровождается увеличением потребляемой мощности.

По соотношению Pср и Pдин все элементы цифровых интегральных схем (ЦИС) подразделяются на две группы. К первой группе относятся элементы, у которых Pср>>Pдин. У таких элементов в некотором диапазоне частот наблюдается слабая зависимость Pпот от частоты. Ко второй группе относятся элементы у которых Pср << Pдин. Для этих элементов зависимость Pпот от частоты близка к линейной. Элементы второй группы являются более совершенными, так как у них сведен до минимума расход мощности в статическом режиме (например, в режиме хранения информации). Энергия переключения характеризует уровень развития технологии, схемотехники и качество ИМС. По мере их совершенствования значение параметра Апер (измеряется в пикоджоулях) уменьшается примерно на 1,5 порядка в десятилетие. Для логических элементов микросхем малой и средней степени интеграции Апер = 1 … 10 пДж, а для логических элементов в БИС и СБИС Апер = 0,01 … 1 пДж. Помимо статических, динамических и интегральных параметров элементы ЦИС характеризуются также схемотехническими и конструктивными параметрами: коэффициентом разветвления по выходу Краз – максимальным числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу элемента. Под единичной нагрузкой подразумевается один вход базового элемента этой же серии. Чем больше значение Краз, тем меньшее число логический элемент потребуется для построения сложного цифрового устройства. Однако с ростом Краз снижаются помехоустойчивость и быстродействие. Уменьшение помехоустойчивости логический элемент на биполярных транзисторах происходит из-за увеличения выходных токов при увеличении числа подключённых нагрузок вследствие снижения уровня напряжения U1 и повышения уровня напряжения U0 . Снижение быстродействия обусловлено увеличением ёмкости нагрузки. Поэтому в одной серии микросхем малой, средней и большой степени интеграции содержатся логические элементы, имеющие Краз = 4 … 25; коэффициентом объединения по входу Коб, равным числу входов логического элемента. С увеличением значения этого коэффициента расширяются логические возможности элементов, однако при этом ухудшается их быстродействие. Поэтому число входов большинства логический элемент не превышает 3 … 4, а при необходимости увеличения числа входов применяют специальные логические элементы – расширители; типом и габаритами корпуса; количеством выводов корпуса; надежностью, определяемой интенсивностью или частотой отказов Все параметры ИМС зависят от температуры. Поэтому указывают диапазон температур Тmin … Тmax, в пределах которых отклонения параметров от их номинальных значений не превышают допустимые. Обычно Т = -60 ... +125°С, а для ИМС, предназначенных для работы в менее жестких условиях, Т = -10 ... +70°С. К технико-экономическим параметрам относятся: стоимость ИМС; процент выхода годных ИМС при изготовлении; степень интеграции; функциональная сложность, характеризующая число условных логических преобразований, выполняемых ИМС.

3.Характеристики передачи ЛЭ. Виды характеристик и требования, предъявляемые к ним. Амплитудная передаточная характеристика UВЫХ = f(UBX) определяет формирующие свойства ЛЭ, его помехоустойчивость, амплитуду и уровни стандартного сигнала. Вид характеристики зависит от типа логического элемента (ЭСЛ, ТТЛ) и может изменяться в определенных пределах в зависимости от разброса параметров схем, изменений напряжения питания, нагрузки, температуры окружающей среды.