Временные параметры логических элементов

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 09:25, 16 июня 2016.

Статические параметры

Средняя потребляемая мощность

средняя потребляемая мощность , определяется выражением

- потребляемая микросхемой мощность в состоянии соответственно «0» и «1» на выходе.

Общепринятое усреднение потребляемой мощности оправдано тем, что обычно во время работы в составе цифрового устройства логические микросхемы половину времени находятся в открытом состоянии, а другую половину времени - в закрытом.

Средняя потребляемая мощность тесно связана с быстродействием микросхемы (ее временем переключения или рабочей частотой переключения): чем больше средняя потребляемая мощность, тем с большей частотой может переключаться микросхема.

Динамические параметры

Рис. 1. Входной (а) и выходной (б) сигналы инвертирующего ЛЭ

Быстродействие ЛЭ при переключении определяется электрической схемой, технологией изготовления и характером нагрузки. Для идентификации измерений динамических параметров в технической документации на ИС приводятся параметры эквивалентной нагрузки, устанавливаются требования к амплитуде и длительности фронта входного сигнала. Уровни отсчета напряжений для определения динамических параметров устанавливаются относительно выходных пороговых напряжений «1» и «0» (см. рис. 1). Временные зависимости напряжений в зонах выше или ниже указанных на рисунке пороговых уровней не влияют на работу ЛЭ и поэтому не представляют интереса.

Основными динамическими параметрами ЛЭ являются задержка распространения сигнала при переключении и длительность положительного (нарастающего) и отрицательного (спадающего) фронтов выходных сигналов.

Задержка распространения сигнала

Задержка распространения сигнала при переходе выходного напряжения от «1» к «0» (при положительной логике [1] это соответствует отрицательному фронту, при отрицательной — положительному фронту выходного сигнала) определяется как интервал времени между фронтами входного и выходного сигналов ЛЭ, измеренного по заданному уровню.

Задержка распространения сигнала при переходе выходного напряжения от «0» к «1» (при положительной логике это соответствует положительному фронту, при отрицательной логике — отрицательному фронту выходного сигнала) определяется как интервал времени между фронтами входного и выходного сигнала ЛЭ, измеренного по заданному уровню. Задержки распространения () измеряются, как правило, по уровню 0,5 ().

При расчете временной задержки сигнала последовательно включенных ЛЭ используется средняя задержка распространения сигнала ЛЭ:

Длительность фронтов

Длительность фронта выходного сигнала при переходе напряжения из «1» в «0» () для положительной логики соответствует отрицательному фронту, для отрицательной логики — положительному фронту.

Длительность фронта выходного сигнала при переходе напряжения из «0» в «1» () для положительной логики соответствует положительному фронту, для отрицательной логики — отрицательному фронту. Длительности положительных и отрицательных фронтов измеряют по уровням 0,1 и 0,9 (см. рис. 1).

К числу динамических параметров следует отнести также динамическую помехоустойчивость, характеризующую способность микросхемы противостоять воздействию импульсной помехи, длительность которой соизмерима со средним временем задержки передачи сигнала через микросхему.


Интегральные параметры

Рис. 2. Изменение основных параметров цифровых интегральных схем: Δ — минимальный топологический размер компонентов, мкм; — степень интеграции ЛЭ; — число бит памяти на кристалле

Интегральные параметры отражают уровень развития технологии и схемотехники и качество цифровых ИС. Основными интегральными параметрами ИС являются энергия переключения и уровень интеграции .

Энергия переключения определяется формулой:

Как правило, при определении энергии переключения используют типовые значения задержки распространения и потребляемой мощности. [2] По мере совершенствования технологии и схемотехники и уменьшения размеров элементов на кристалле энергия переключения непрерывно снижается — примерно на полтора порядка за десятилетие (см. рис. 2). При заданных технологии и схемотехнике, или при заданной энергии переключения (), можно создавать различные серии ИС, обладающие либо высоким быстродействием (малым значением ) и большой потребляемой мощностью, либо низким быстродействием и малой потребляемой мощностью. По этому параметру в настоящее время производят оценку уровня развития цифровой микроэлектроники и сравнение различных типов ИС.

Степень интеграции логических цифровых микросхем определяется числом простейших эквивалентных ЛЭ — обычно двухвходовых вентилей — на кристалле. Иногда степень интеграции микросхем измеряют числом элементов (резисторов, транзисторов, диодов) на кристалле, но при этом совершенно не учитывается специфика логических цифровых ИС, где межэлементные связи занимают существенную часть площади кристалла. Функциональную сложность ИС запоминающих устройств, имеющих регулярную структуру, можно оценивать числом бит памяти на кристалле.

Примечания

  1. Для положительной логики более положительное значение напряжения (высокий уровень) соответствует лог. 1, а менее положительное значение напряжения (низкий уровень) — лог. 0. Для отрицательной логики менее положительное значение напряжения (низкий уровень) соответствует лог. 1. а более положительное значение напряжения (высокий уровень) — лог. 0.
  2. Если потребляемая мощность выражается в милливаттах, а задержка распространения — в наносекундах, то энергия переключения имеет размерность пикоджоуль.