Параметры и характеристики логических элементов различных технологий

Содержание:

Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Элементы КМОП-логики.

Основные параметры логических элементов.

Выводы.

3. Основные параметры логических элементов

Все логические элементы характеризуются определенным набором параметров, приводимых в справочной литературе.

Наиболее важными параметрами являются:

• напряжение источника питания;
• уровни напряжений, соответствующие логическим нулю и единице;
• помехоустойчивость;
• потребляемая мощность;
• нагрузочная способность;
• быстродействие.

Рассмотрим подробнее перечисленные параметры. Напряжение источника питания зависит от типа ИМС. Например, для микросхем ТТЛ и ТТЛШ напряжение питания равно 5 В. У элементов КМОП-логики напряжение питания зависит от минимальной длины канала транзистора Lmin . Значения этого параметра в зависимости от величины Lmin приведены в табл. 1.

Таблица 1

Напряжения логических нуля и единицы также зависят от типа микросхем. Для ТТЛ элементов напряжение логического нуля

а напряжение логической единицы

Выход КМОП-элемента представляет открытый полевой транзистор, подключенный к земле либо к шине питания. Поэтому высокий уровень выходного напряжения таких элементов меньше напряжения питания на 10–20 мВ, а низкий – близок к нулю.

Помехоустойчивость. В реальных условиях логический элемент находится под воздействием помех, поэтому важно, чтобы ЛЭ не изменял своего состояния под их воздействием. Помехоустойчивость в состоянии логической единицы определяется формулой:

Помехоустойчивость в состоянии логического нуля

Последние равенства иллюстрирует рис. 7.

Рис. 7

Потребляемая мощность является важным параметром логических элементов, входящих в состав БИС и СБИС. Она равна сумме статической Р_ст и динамической Р_дин составляющих. Статическая составляющая определяется как среднее арифметическое мощностей, потребляемых логическим элементом в состояниях логических 0 и 1. Динамическая составляющая Р_дин пропорциональна частоте f:

Здесь C_н – емкость нагрузки; ΔU – величина логического перепада:

Мощность, потребляемая элементом ТТЛШ, реализующим функцию 2И-НЕ, составляет в зависимости от серии от 1 до 20 мВт. Например, КМОП-инвертор с длиной канала 0.25 мкм, работающий на частоте 500 мГц, потребляет мощность около 20 мкВт.

Быстродействие логического элемента принято оценивать средним временем задержки распространения сигнала t_зад . Его определяют по формуле

Здесь t₀₁ – время задержки распространения при переключении из состояния логического нуля в состояние логической единицы; t₁₀– время задержки распространения при переключении из состояния логической единицы в состояние логического нуля. Время задержки распространения измеряют обычно на уровне 0.5 от полной амплитуды входного и выходного импульсов (рис. 8). Поскольку длительность переходного процесса зависит от характера нагрузки, время задержки распространения оценивают, полагая, что логический элемент нагружен входной цепью такого же элемента.

Рис. 8

Для стандартных элементов ТТЛ среднее время задержки распространения составляет около 10 нс. У элементов ТТЛШ t _зад = 3 нс. Время задержки распространения КМОП-инвертора, реализованного по технологии 0.25 мкм, не превышает 30 пс.

Энергия переключения. Очень важным параметром цифровых микросхем является энергия переключения, равная произведению потребляемой мощности на среднее время задержки распространения: DP = P_потр t_зад . Энергия переключения измеряется в пикоджоулях и характеризует степень совершенства цифровых ИС. Технология производства является тем более совершенной, чем меньше величина DP. Для стандартных элементов ТТЛ-логики DP = 50 пДж . Энергия переключения КМОП-элементов не превышает 1 пДж.

Нагрузочная способность цифровых ИС характеризуется коэффициентом разветвления Кразв . Он равен наибольшему числу ИМС той же серии, которые можно подключить к выходу рассматриваемой схемы, не нарушая ее правильного функционирования. В зависимости от типа микросхем коэффициент разветвления может изменяться от 2–3 до 30–100 и более. Для элементов ТТЛ-логики К_разв = 10. Входное сопротивление МОП-транзисторов практически бесконечно. Поэтому коэффициент разветвления КМОП-логических элементов может достигать 100 и более. Для иллюстрации приведем параметры типовых элементов ТТЛ 74 серии (отечественный аналог – микросхемы 155 серии). Элементы этой серии были первыми микросхемами, разработанными по технологии ТТЛ в конце 1960-х годов. Их принято называть стандартными. Напряжение питания ТТЛ-элементов U_пит = 5 В. Уровни напряжения на входе и выходе:

Помехоустойчивость схем ТТЛ невелика:

Потребляемая мощность одного инвертора составляет около 10 мВт, а время задержки распространения t _зад = 10 нс. В дальнейшем были созданы усовершенствованные элементы ТТЛ-логики с диодами Шоттки (ТТЛШ). Такая логика имеет более совершенные параметры. Так, элементы серии 74F (отечественный аналог – серия 1531) имеют время задержки распространения около 3 нс, коэффициент разветвления К_разв = 30. Мощность, потребляемая элементом этой серии, равна 4 мВт. Параметры логических элементов, реализуемых с помощью современных КМОП-технологий, превосходят параметры ТТЛ-элементов в сотни раз. Время задержки распространения современных КМОП-элементов составляет около 10 пс, а мощность, потребляемая инвертором – не более 10 мкВт.

4. Выводы

1. Основная особенность схем ТТЛ заключается в том, что во входной цепи используется многоэмиттерный транзистор, осуществляющий операцию И. Число эмиттеров определяет число входов элемента.

2. Общая закономерность построения элементов КМОП-логики заключается в том, что параллельное соединение транзисторов с каналами p-типа сопровождается последовательным соединением транзисторов с каналами n-типа, и наоборот.

3. КМОП-технологии являются доминирующими при производстве цифровых интегральных схем и практически вытеснили логику на основе биполярных транзисторов. КМОП-логика используется в цифровых интегральных схемах как малой и средней, так и большой степени интеграции. Это обусловлено тем, что КМОП-элементы потребляют значительно меньшую мощность, чем логические элементы на основе биполярных транзисторов как в статическом, так и в динамическом режимах. Кроме того, МОП-транзисторы занимают на кристалле значительно меньшую площадь, чем биполярные. Современные технологии производства СБИС позволяют создавать МОП-транзисторы с длиной канала менее 0.05 мкм. Уменьшение геометрических размеров, а также малое потребление мощности дают возможность изготавливать СБИС, которые содержат десятки миллионов МОП-транзисторов на кристалле.

4. Основными параметрами логических элементов являются:

• напряжение источника питания;
• уровни напряжений, соответствующие логическим нулю и единице;
• помехоустойчивость;
• потребляемая мощность;
• нагрузочная способность;
• быстродействие;
• энергия переключения.

• 2014 Январь