Классификация электронных схем. Основные параметры и характеристики цифровых схем

Все электронные схемы принято делить на два класса: аналоговые и цифровые.

В основе аналоговых схем лежат простейшие усилительные ячейки — каскады или ступени, на основе которых строятся сплошные (многокаскадные) усилители, стабилизаторы, генераторы гармонических сигналов и т.д.

В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи, для которых характерны два устойчивых состояния: разомкнутое и замкнутое. На основе простейших транзисторных ключей строятся сплошные цифровые устройства. В цифровых устройствах приходится иметь дело с прямоугольными импульсами или перепадами напряжения, меняющегося между двумя условными уровнями — уровнем логического “0” и уровнем логической “1”. По способу представления двоичной информации цифровые схемы делятся на потенциальные и импульсные. В потенциальных цифровых схемах значениях 0 и 1 представляются двумя существенно различающимися уровнями электрического потенциала: высоким и низким. Чаще всего низкий потенциал принимают за “0”, а высокий за единицу. Обозначения: U⁰ и U¹. Такое представление называется положительной логикой. При использовании отрицательной логики за ”0” принимают высокий потенциал, за 1 — низкий потенциал. В импульсных цифровых схемах одно из значений логического сигнала (“0” или “1”) определяются наличием на выходе схемы импульсов определенных длительности и амплитуды, а другое значение — отсутствие импульсов, т.е сохранением какого — либо постоянного потенциала.

Большинство типов современных цифровых микросхем относятся к классу потенциальных.

Параметры цифровых схем определяются по их статическим и переходным характеристикам. Основной статической характеристикой схем является передаточная характеристика U_вых=f(U_вых) — зависимость потенциала на выходе от потенциала на одном из входов при постоянных значениях потенциала (“0” или “1”) на остальных входах. По типу передаточной характеристики цифровые схемы делятся на инвертирующие, на выходе которых образуется инверсия входных логических сигналов (элементы НЕ, И — НЕ, ИЛИ — НЕ и др.) и неинвертирующие, на выходе которых образуется не инверсный логический сигнал (элементы И, ИЛИ и др.).

Типичная передаточная характеристика инвертирующего элемента показана на рис.1.1, а не инвертирующего на рис.1.1 б.

U_вых II III

ΔV_n

U¹

U_n⁺ U_n^-

U⁰

U_вх

U⁰ V_n⁰ V_n V_n¹ U¹

Рис. 1.1. а

U_вых I III II

ΔV_n

U¹

U_n⁺ U_n^-

U⁰

U_вх

V_n⁰ V_n V_n¹ U¹

Рис.1.1. б

Так как цифровая схема должна обеспечить четное разделение (квантование) уровней логических 0 и 1, то передаточная характеристика имеет три явно выраженных участка: I — соответствующий состоянию U_вых=0, II — состоянию U_вых=U¹, III — промежуточному состоянию. Значения потенциала U_вх, соответствующие границам участков, называются порогами переключения, V_n⁰ и V_n¹,область между порогами — зоной неопределенности. Максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая сбоя в цифровой схеме, называется помехоустойчивостью и определяется выражениями (рис.1.1):

U_n⁺=V_n⁰—U⁰ (1.1.а)

U_n^—=U_n¹—V_n¹ (1.1.б)

U_n⁺+U_n^—=U_л— ΔV_n, (1.2.)

где U_л=U¹—U⁰ — логический перепад; ΔV_n= V_n⁰— V_n¹ — ширина зоны неопределенности. Таким образом, для повышения помехоустойчивости надо увеличивать U_л и уменьшать ΔV_n. Поэтому в цифровых схемах обеспечивают ΔV_n « U_л, и приближенно можно считать V_n⁰ ≈ V_n¹ ≈ V_n, где V_n — средний порог переключения.

Максимальная величина логического перехода ограничивается напряжением питания U_л ≤ Е, вследствие чего из (1.2.) получаем (U_n⁺+U_n^—) ≤ Е. Таким образом, сумма помехоустойчивостей U_n⁺+U_n^— не превышает напряжения питания.

Чтобы одновременно получить достаточно высокие значения U_n⁺, U_n^—, следует использовать такие схемы, в которых средний порог переключения V_n располагался приблизительно посередине между U⁰ и U¹. В этом случае значения U_n⁺ и U_n^— равны и составляют:

U_n⁺ ≈ U_n^— ≈ U_n = 0,5(U_л— ΔV_n) ≈ 0,5 U_л≤ 0,5Е.

Передаточные характеристики реальных цифровых схем имеют определенный разброс, обусловленный различием внешних условий, разбросом параметров компонентов и другими факторами. В этом случае значения уровней и порогов заключены в некотором диапазоне:

U_min⁰ ≤ U⁰ ≤ U_max⁰, V_n⁰_min ≤ V_n⁰ ≤ V_n⁰_max

U_min¹ ≤ U¹ ≤ U_max¹, V_n¹_min ≤ V_n¹ ≤ V_n¹_max.

Помехоустойчивость определяется для наихудшего сочетания факторов:

U_n⁺ = V_n⁰_min — U_max⁰ (1.3.а)

U_n^— = U_min¹ — V_n¹_max (1.3.б)

Входная характеристика логических схем, I_вх = f(U_вх) служит для определения значений входных токов: I_вх⁰ ≥ 0, вытекающего из схемы при U_вх=U⁰, I_вх ≤ 0, втекающего в схему при U_вх=U¹.

Выходные характеристики логических схем, U_вых⁰=f(I_н⁰) и U_иых¹=f(I_н¹). Втекающий I_н⁰ и вытекающий I_н¹ выходные токи зависят от числа нагрузок n: I_н⁰=nI_вх⁰, I_н¹=nI_вх¹.

Наклон выходных характеристик определяет выходные сопротивления схемы R_вых⁰=dU_вых⁰/dI_н⁰, R_вых¹=dU_вых¹/dI_н¹, которые обычно не линейны. По выходным характеристикам схемы определяются максимально допустимые токи нагрузки. Если нагрузкой служат идентичные логические схемы, имеющие входные токи I_вх⁰, I_вх¹, то отношения N₀=I_н⁰_max/I_вх⁰, N₁= I_н¹_max/I_вх¹ определяет максимальное число схем—нагрузок, при которых уровни U⁰, U¹ сохраняются в пределах U⁰≤ U⁰_max , U¹≥U⁰_min, требуемых для обеспечения заданных величин U_n⁺, U_n^—. Коэффициент разветвления на выходе равен минимальному из чисел N₀, N₁:

N=min(N₀,N₁) (1.4)

Если числа N₀ и N₁ имеют дробные части, то они округляются до ближайшего целого меньшего числа.

Для построения большинства цифровых схем достаточно иметь элементы с числом входов М=3÷4. Увеличение числа входов обычно ухудшает другие параметры элементов, например, снижает быстродействие. Поэтому в цифровых схемах обычно используются элементы с М=1÷4. Для тех случаев, когда требуются схемы с повышенным числом входов, в некоторые серии микросхем вводятся специальные элементы—расширители числа входов, подключение которых к цифровой схеме позволяет довести число входов до требуемой величины.

Мощность P и ток I_n, потребляемые схемой от источника питания, зависят от ее логического состояния. Схема потребляет ток I_n⁰ при U_вых=U⁰ и ток I_n¹ при U_вых=U¹. Средняя мощность, потребляемая в статическом режиме, определяется выражением

P=0,5E(I_n⁰+I_n¹). (1.5)

В процессе переключения ряда типов цифровых схем ток в цепи источника питания существенно увеличивается. Вследствие этого схемы потребляют дополнительную динамическую мощность P_д, величина которой пропорциональна частоте переключения f_n. В результате средняя мощность, потребляемая схемой в режиме переключения, P_n=P+P_д оказывается больше, чем мощность P в статическом режиме. Для таких схем обычно приводят P_n при некоторой рабочей частоте, близкой к максимальной (f_max).

Переходные характеристики логических схем характеризуют быстродействие цифровых схем (рис.1.2).

U_вх

t

U_вых

U¹

U⁰

t

U_вых

t₃⁰¹ t₃⁰¹ неинвертирующая схема

U¹

U⁰

t

t₃¹⁰ t₃⁰¹

инвертирующая схема

рис. 1.2

Задержки t₃¹⁰ t₃⁰¹ определяются как промежутки времени между моментами достижения входными и выходными потенциалами порога переключения V_n. Их значения существенно зависят от числа нагрузок и емкости нагрузки с_н.

Одним из важнейших параметров является средняя задержка t₃=0,5(t₃⁰¹+ t₃¹⁰⁾ ).

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 420; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!