Структури базових логічних елементів

2.СТРУКТУРИ БАЗОВИХ ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

2.1 Характеристика цифрових сигналiв

Цифровi сигнали “0’’, “1”, якi використовуються в курсі дискретної математики, являються  iдеалiзацiєю тих сигналiв, що мають мiсце в реальних електронних схемах. В ключових схемах, якi використовуютьтся при двiйковому представленнi iнформацiї, значенням логiчного “0” та “1” присвоюються обмеженi дiапазони напруг, що розмiщуються в iнтервалi вiд нуля до дiючої напруги живлення логiчних схем.

 Не розглядаючи в даному параграфi технiчнi характеристики апаратних засобiв для реалiзацiї операцiй над цифровими сигналами, визначимось лише з основними параметрами реальних сигналiв. Якi б не використовувались технiчнi засоби, їх параметри загалом можливо оцiнити за допомогою характеристики U_ВИХ=f(U_ВХ) (рис. 2.1), де, вiдповiдно, U_ВХ, U_ВИХ – напруги, що змiнюються на входi та виходi електронного пристрою з врахуванням їх нестабiльностi.

Як вiдомо, логiчнi елементи в будь-яких цифрових пристроях мають достатньо довгi послiдовнi з’єднання. Тому, проходячи вiд одного логiчного елемента до iншого, iнформацiйний сигнал може розсiювати свою енергiю. Щоб така ситуацiя не мала мiсця, кожен логiчний елемент повинен забезпечувати пiдсилення вхiдного сигналу як по напрузi, так i по потужностi. До того ж, добре вiдомо, що функцiональна повнота логiчних елементiв обов’язково включає iнверсiю сигналу. З цього витiкає, що найпростiшим логiчним елементом може бути транзистор, включений по схемi з загальним емiтером (загальним витоком для МДН транзисторiв), який, як відомо, інвертує вхідний сигнал. Тому зображена на рис. 2.1 дiаграма вiдображає iнверсну схему логiчного елемента.

Це фактично значить, що цифровий пристрiй повинен не тiльки формувати вихiднi сигнали з параметрами, близькими до iдеальних “0” та “1”, а й по рiвню вхiдного сигналу вiдрiзняти значення “0” та “1”.

Як рiвень логiчногого нуля, так i одиницi являються для будь-якого логiчного елемента не конкретною величиною, а деяким визначеним дiапазоном напруг. Для сигналу вихiдної одиницi це дiапазон в iнтервалi вiд U¹_ВИХ  до порогової напруги U¹_В.П. , з якої починається перехiд цифрового елемента в iнший стан. Сигналам вихiдної логiчної одиницi вiдповiдають низькi рiвнi вхiдного сигналу U⁰_ВХ та U⁰_ВХ.П. . Пiд U¹ та U⁰ розумiють номiнальнi значення напруги цифрового елемента в статичному режимi. 1Порговi значення напруги U¹_П , U⁰_П вiдповiдають найбiльшому та найменшому значенням вiдповiдних рiвнiв при яких починається перехiд логiчного елемента в iнший стан. Кiлькiсно пороговi значення визначаються точкою на характеристицi U_ВИХ = f(U_ВХ) вякiй модуль диференцiйного коефiцiєнта передачi цифрового елемента рiвняється одиницi. Пороговi рiвнi визначають стiйкiсть до перешкод логiчних елементiв. 2.Виділяються статична та динамiчна перешкодостiйкiсть. Статична перешкодостiйкiсть оцiнюється як мiнiмальна рiзниця мiж значеннями вихiдного та вхiдного сигналiв визначеного рiвня:

                         U¹_ПЕР=U¹_ВХ  – U¹_ВХ.П  ;

                         U⁰_ПЕР=U⁰_ВХ.П – U⁰_ВХ  .                                                                  (2.1)

З (2.1) бачимо, що статична перешкодостiйкiсть – це мiнiмальна величина пере-шкоди на виходi цифрового елемента, що може привести до змiни стану пiдклю-ченого до нього логiчного елемнта тої ж серiї. Статична перешкодостiйкiсть являється параметром, що не залежить вiд часу, тобто 3.тривалiсть перешкоди набагато перевищує час змiни стану ключового елемента. Якщо ж час дiї перешкоди близький до часу пере-ключення елемента,  то така перешкода називається динамiчною.

     Цифровi сигнали характеризуються також часовими характеристиками, якi здебiльшого визначаються як динамiчнi параметри логiчних ключiв. До них вiдносяться:

t^1,0  -  час переходу виходу елемента з стану “1” в “0” – це iнтервал часу, на пртязi якого напруга на виходi елемента змiнюється з рiвня “1” до рiвня “0”. Вказані рівні вимiрюються   вiдповiдно при значеннях 0.9 та 0.1 амплiтуди сигнала U_M. (рис.2.2).  

t^0.1 – час переходу вихiдного сигналу з “0” в “1” – це iнтервал часу, на протязi якого напруга на виходi елемента переходить з “0” в“1 ”.

t_Ф - тривалiсть фронту сигналу – iнтервал часу мiж значеннями сигналу на рiвнях (0.1- 0.9)U_M, при змiнi сигналу  з “0” до “1”.

t_С - тривалiсть спаду сигналу – iнтервал часу мiж значеннями сигналу на рiвнях (0.1- 0.9) U_M, при змiнi сигналу вiд “1” до “0”.

t₃^1.0 - час затримки включення елемента – iнтервал часу мiж фронтом вхiдного та спадом вихiдного iмпульсiв, замiрянi на рiвнi 0,5 U_M.

t₃^0.1 - час затримки виключення елемента – iнтервал часу мiж спадом вхiдного та фронтом вихiдного iмпульсiв, замiрянi на рiвнi 0,5 U_M. (рис. 2.2)

4.t_3.РС - середнiй час затримки розповсюдження сигналу знаходиться по формулi:

                        t_3.РС= (t₃^0.1+t₃^1.0)/2                                                                          (2.2)                                                                                

          2.2 Транзисторнi ключовi схеми.