Параметры ИМС и особенности применения

2.1 Электрические параметры цифровых интегральных схем 

Быстродействие (время задержки распространения сигнала t_зд.р). Важнейшее из динамических параметров логической ИМС, определение которого поясняется на рисунке 19.

Перепады напряжения – это быстрые изменения напряжения между двумя уровнями. Перепад называют положительным, если напряжение изменяется от низкого уровня к высокому, и отрицательным, если напряжение изменяется от высокого уровня к низкому. Перепад напряжения, у которого длительность равна нулю, называется скачком напряжения. 

При подаче на вход ИМС реального цифрового сигнала, обладающего конечной длительностью фронта и среза (верхний график), выходной сигнал (на нижнем графике инвертирован) сдвинут в сторону запаздывания. Степень запаздывания принято оценивать как полусумму задержек фронта и среза, отсчитываемых на уровне половины размаха сигнала:

t_ЗД.СР  = 0,5 (t^0,1_ЗД + t^1,0_ЗД),

где t^0,1_ЗД, t^1,0_ЗД – времена задержки распространения сигнала при переходах    U⁰/ U¹ и U¹ / U⁰, соответственно.

В справочниках указывается наибольшее время задержки распространения от информационного входа до выхода ИМС.

 

Помехоустойчивость. Определяет наибольшее значение напряжения помехи на входе микросхемы, при котором еще не происходит изменения уровней ее выходного напряжения и непосредственно связана с ее передаточной характеристикой. В зависимости от длительности помехи различают статическую и динамическую помехоустойчивость.

Если на входе действует низкое напряжение U⁰, то опасны помехи, имеющие положительную полярность, так как они повышают входное напряжение. При этом рабочая точка на передаточной характеристике может сместиться в область переключения, что приведет к сбою в работе. Максимально допустимое постоянное напряжение положительной помехи можно определить по передаточной характеристике как U⁰_ПОМ = U⁰_ПОР – U⁰.

 

Рисунок 20 Уровни логических сигналов на входе ТТЛ микросхем

 

   

Рисунок 21 Уровни логических сигналов на входе КМОП микросхем

Если на входе действует высокое напряжение U¹, то опасна помеха отрицательной полярности, понижающая уровень входного напряжения. Максимальное значение помехи по высокому уровню U¹_ПОМ = U¹ – U¹_ПОР.

Статическая помехоустойчивость служит основным показателем защищенности микросхемы от помех.

Динамическая помехоустойчивость выше статической, так как при кратковременных помехах сказываются паразитные емкости и инерционные процессы в микросхемах.

Уровни напряжений, соответствующие логическим 0 и 1. Напряжения логических нуля и единицы приводятся для случая предельной нагрузки на ИМС (при работе с максимальным коэффициентом разветвления).

U⁰ – напряжение логического нуля (для входа U⁰_вх и выхода U⁰_вых)

U¹ –  напряжение логической единицы (для входа U¹_вх и выхода U¹_вых).

 

Таблица 2 Уровни напряжений ИМС ТТЛ

В таблице 2 приведены допустимые входные и выходные уровни напряжений для ИМС серий ТТЛ.

Для ИМС серий КМОП допустимые значения:  U¹_вхmin = 0.7 U_пит; U⁰_вхmax = 0,3 U_пит.

Нагрузочная способность (величины входных и выходных токов для уровней логического 0 и 1) ИМС серий ТТЛ приведена в таблице 3.

I⁰_вх – входной ток уровня логического нуля (вытекает из элемента),

I¹_вх – входной ток уровня логической единицы (втекает в элемент),

I⁰_вых – выходной ток уровня логического нуля (втекает в элемент),

I¹_вых – выходной ток уровня логической единицы (вытекает из элемента).

Токи I⁰_вых и I¹_вых в таблице имеют те значения, при которых ТУ гарантируются значения логических уровней U⁰_вых. Превышение выходных токов допустимых значений приводит к изменению U⁰_вых ,U¹_вых, что в целом снижается помехоустойчивость ИС.

Таблица 3 Значения токов ИМС ТТЛ

 В ИМС серий КМОП токи  и  могут отличаться в десятки раз из-за сильного различия каналов транзисторов выходного каскада. Для микросхем общего назначения выходные токи I⁰_вых и I¹_вых не превышают 1 мА. Лишь инверторы с повышенной нагрузочной способностью имеют величину выходных токов несколько мА. Например, ИС 564ЛН2 имеет I⁰_вых = 1,25 мА и I¹_вых = 8 мА.

Входной ток КМОП ИМС весьма мал. Основное влияние на входной ток оказывает диодная схема защиты, стоящая на входе ИС. Максимальное значение входного тока для всех интегральных микросхем не превышает 0.05 мкА при температуре t = + 25⁰ С и 1 мкА при t = + 125⁰ С.

Таблица 4 Нагрузочная способность выходов ИМС серий ТТЛ

Нагрузочная способность или коэффициент разветвления по выходу К_РАЗ определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без нарушения его работоспособности. В таблице 4 приведены числа входов, которые допустимо подключать к выходам ИМС различных серий.

 Все серии ИС содержат, кроме элементов со стандартным выходом, элементы с повышенной нагрузочной способностью (буферы). В таблице 4.2 первое число указывает нагрузочную способность для элемента со стандартным выходом, а второе – для буфера.

Напряжение источника питания. При серийном выпуске микросхем стала необходимой стандартизация напряжения питания. Так, для большинства серий ТТЛ, стандартным напряжением питания является 5 В ± 5%. Для серий КМОП напряжение питания может изменятся в широких пределах. Диапазон изменения для разных серий - 3…18 В

Потребляемая мощность от источника питания Р_потр (потребляемый ток). Мощность, потребляемая элементом от источника питания, в каждом состоянии различна. В связи с этим измеряют статическую среднюю мощность:  P_СР = 0,5(P⁰+ P¹), где Р⁰ – мощность потребляемая элементом в состоянии 0, Р¹ – мощность в состоянии 1, и динамическую мощность Р_Д (на существенно зависит от частоты входного сигнала), определяемую на предельной рабочей частоте.

Для логических ИМС величина потребляемой мощности в справочниках приводится на один элемент.

Температурная стабильность.  В ИМС КМОП колебания температуры в диапазоне от – 55⁰ до + 125⁰С слабо влияют на передаточные характеристики. В подобных же условиях пороговое напряжение биполярных приборов может измениться на 40%. Однако, с точки зрения надежности следует ограничивать верхний диапазон температуры + 65⁰С.

2.2 Сравнительные характеристики ИМС серий ТТЛ и КМОП

Достоинства КМОП ИМС:

В статическом режиме практически не потребляют мощности.

Имеют очень большое входное (МОм) и очень малое выходное (10-ки Ом) сопротивление.

Имеют высокую помехоустойчивость: 40¸45 % от U_ИП.

Перепад напряжения на выходе почти равен U_ИП.

Возможность использования различных напряжений U_ИП (от 3 до 10¸15 В).

КМОП-логика допускает высокую плотность размещения элементов, поэтому этот тип логики получил распространение в схемах СБИС (сверх большие ИС).

Недостатки:

Затвор МОП-транзистора и подложка, разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор небольшой емкости (около 5 пФ) и огромным сопротивлением утечки (~10¹² Ом), что приводит к накапливанию статического заряда. При толщине диэлектрика 70¸100 нм его электрическая прочность не превышает 150¸200 В. (на теле человека может накапливаться статический заряд в несколько киловольт).

Достоинства ТТЛ ИМС:

Большое быстродействие

Недостатки:

Большая потребляемая мощность в статическом режиме

2.3 Особенности применения цифровых ИМС

ИМС часто содержат в одном корпусе несколько логических элементов: четыре ЛЭ типа 2И или 2И-НЕ, три ЛЭ типа 3И или 3И-НЕ и т. д. При практической реализации принципиальной схемы возникают ситуации, когда не все входы бывают задействованы.  

Незадействованные входы одного логического элемента используют следующим образом:

– объединяют с другими входами ЛЭ, учитывая, что при этом возрастает нагрузка на источник сигнала и увеличивается входная емкость;

– если на неиспользованном входе должен быть уровень лог. 0, то данный вход можно просто заземлить.

- если на неиспользованном входе должен быть уровень логической 1, то этот вход можно подключить к выходу другого ЛЭ, на котором постоянно установлен высокий уровень 2,4-3,6 В, либо через резистор 1-10 кОм. При этом можно подключить к источнику питания до 20 неиспользуемых входов. Для ТТЛ ИМС неиспользуемый вход можно оставить свободным (на нем автоматически устанавливается логическая 1), однако при этом снижается помехоустойчивость ЛЭ, поскольку на него наводятся сигналы помех. В КМОП ИМС ни в коем случае не должно быть не подключенных входов. Их можно подключать к источнику питания без резистора или объединять с рабочими.

Неиспользованные ЛЭ рекомендуется включать так, чтобы их выходы имели высокий потенциал, для чего на входы элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ подают уровень лог. 0 (заземляют). При этом уменьшается рассеиваемая мощность, а сами выходы можно использовать в качестве лог. 1 для входов других ЛЭ.

Большое внимание следует уделить фильтрации питания по низкой и высокой частоте. Рекомендуется у каждой ИMC ставить высокочастотный керамический конденсатор 0,01-0,1 мкФ, а на шину питания электролитический конденсатор емкостью в нескольких десятков мкФ.

Особый интерес представляет случай, когда на входы элемента не подключены источники сигнала, а один из входов соединен с общим проводом через резистор, как показано на рисунке 22. Если сопротивление этого резистора равно 0, то это равноценно подаче на вход уровня логического 0. При сопротивлении этого резистора стремящегося к бесконечности на входе элемента уровень 1, так как бесконечное сопротивление – это фактически разрыв в цепи и вход никуда не подключен.

Через резистор R протекает ток входной цепи, и создается на нем падение напряжения, которое действует на вход аналогично выходному от другой ИМС микросхемы. Если задано напряжение U_вх, то можно определить максимально допустимое значение Rд.

Рисунок 22 Резистор на входе ТТЛ ИМС

Как показывают расчеты и практика, уровень логической 1 на выходе элемента поддерживается при сопротивлении резистора на входе больше 1,5 кОм. По этой причине, когда ко входу элемента подключен резистор, как, например, в схемах генератора и одновибратора, рассмотренных далее, сопротивление резистора не должно превышать это значение 1,5 кОм.

Нельзя применять емкость нагрузки С_н > 5000 пФ для буферных и высоковольтных оконечных элементов, потому что такой незаряженный конденсатор равноценен короткому замыканию.

Устойчивость переключения синхронных устройств зависит от длительности фронтов нарастания и спада тактового импульса, которые должны быть меньше 5 – 15 мкс. При затянутых фронтах КМОП инвертор долгое время находится в активном режиме, через него течет сквозной ток, отчего структура может перегреться и разрушиться.

В общем случае объединение выходов микросхем запрещено (исключение составляют выходы с открытым коллектором и высокоомным состоянием).

Во-первых, это создает логическую неопределенность, т. к. в точке соединения выхода, формирующего логическую единицу, и выхода, форми­рующего логический нуль, не будет нормального результата.

Во-вторых, при соединении выходов, находящихся в различных логических состояниях, возникло бы их "противоборство". Вследствие малых величин выходных со­противлений уравнительный ток при этом может достигать достаточно большой величины, что может вывести из строя электрические элементы выходной цепи. Иллюстрация этой ситуации приведена на рисунке 23. Здесь объединены выходы микросхемы D1 с логической 1 на выходе и микросхемы D2 с логическим 0 на выходе. Ключи К1-К4 — эквивалентны выходным транзисторам. Из рисунка видно, что в этом случае существует путь для тока (показан стрелками) от источника питания на корпус через два открытых транзистора К1 и К4.

2.4 Соединение ИМС различных серий между собой

Микросхемы серий ТТЛ непосредственно согласуются между собой по электрическим уровням, однако следует учитывать особенности каждой серии. Микросхемы с повышенным высоким быстродействием имеют малое входное и выходное сопротивление и в моменты переключений создают кратковременные броски тока в цепи питания, которые проявляются в виде помех. При сопряжении быстродействующих ИMC с микросхемами среднего быстродействия (К155, 133, К555, 533) следует учитывать, что последние более восприимчивы к помехам, поскольку имеют более высокие входные и выходные сопротивления. Маломощные ИМС с диодами Шоттки особенно чувствительны к наводкам, и их следует отделять от быстродействующих схем. Здесь целесообразно применять раздельное питание и заземление, следует отделять сигнальные шины маломощных ИMC от выходных линий быстродействующих.

Микросхемы серий КМОП также непосредственно согласуются между собой по электрическим уровням, однако следует учитывать особенности каждой серии.

При проектировании систем логического управления часто возникает необходимость в совместном использовании ИМС различных типов (КМОП и ТТЛ), при этом приходится обеспечивать электрическое и временное согласование различных микросхем. Такое согласование необходимо, как при использовании микросхем одного типа, но с различными напряжениями питания и различными логическими уровнями, так и сопряжении ИМС различных типов с различными уровнями логических сигналов.

Сопряжение ТТЛ-КМОП. При одинаковом напряжении питания (5В) всё равно требуется согласование по уровню, т.к. допустимое выходное напряжение ТТЛ элемента на выходе 2В, а минимальное необходимое входное напряжение КМОП при питании 5В равно 3,5В. Для согласования можно подключать резисторы утечки между питанием и входом КМОП (1 – 10 кОм), или применить преобразователь уровня.

При напряжении питания КМОП больше, чем ТТЛ, применяют ТТЛ элемент с открытым коллектором, подавая на него питание КМОП, или применяют преобразователь уровня преобразователь уровня.

Сопряжение КМОП-ТТЛ. Большинство КМОП – схем имеют малые выходные токи и их выходы не могут быть нагружены даже на 1 ТТЛ вход и поэтому требуется согласование по току. Для согласования по току можно использовать КМОП ИС с открытым стоком. Например, К564ЛА10 обеспечивает I⁰вх. = 16 мА, достаточный для подключения до 10 входов ТТЛ. Для решения задачи согласования, серийно выпускают специальные микросхемы (ПУ – преобразователи уровней). Например, К176ПУ2, К176ПУ3

Если напряжение питания КМОП больше, чем ТТЛ, то для согласования по уровню напряжения применяются микросхемы КМОП К176ПУ1; К561ПУ4; К564ПУ6, содержащих от четырех до шести каналов (с инверсией или без инверсии). Большинство этих ИМС преобразует уровни от КМОП к ТТЛ.