Dynamické parametry logických členů

1. Dynamické parametry logických členů Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

2. Charakteristika DUM 2

3. Dynamické parametry logických členů Obsah tématuNáběh a doběh impulzuZpoždění signálu průchodem logickým členemFrekvenční parametry (TTL a CMOS)Energetické poměry (TTL a CMOS)

4. Dynamické parametry logických členů chování elektrických logických členů popisují jejich parametry Dělí se na - statické - dynamické Základní dynamické parametry jsou následující: - náběh a doběh impulzu (jde o strmost hrany impulzu na jeho začátku a na konci) - zpoždění signálu průchodem logickým členem (tím, že signál prochází přes logický člen, opozdí se výstup za vstupem) - pracovní frekvence (týká se rychlosti střídání nuly a jedničky u impulzů, které je logický člen schopen bezchybně zpracovat) - spotřeba elektrické energie (souvisí s pracovní frekvencí a zpožděním signálu – čím je obvod rychlejší, tím má větší spotřebu elektrické energie)

5. Dynamické parametry logických členů - dynamické parametry jsou velmi důležité údaje (podle nich se rozhoduje použití určité typové řady a technologie pro daný účel) - měří se na vnějších svorkách obvodu bez ohledu na jeho vnitřní strukturu Náběh a doběh impulzu - jde o 2 základní časy - čas tr (risetime– čas růstu) - čas tf(falltime– čas klesání) - spoluurčují tzv. strmost hran, neboli náběh a doběh impulsu Náběžná (čelní, také vzestupná) hrana tr - je doba, za kterou vzroste signál z 10 % na 90 % své maximální hodnoty Sestupná (týlová) hrana tf - je doba, za kterou poklesne signál z 90 % na 10 % své maximální hodnoty

6. Dynamické parametry logických členů Náběh a doběh impulzu Obr. 1

7. Dynamické parametry logických členů Náběh a doběh impulzu - jaké časy tr a tf jsou ideální? - co nejkratší a pak je strmost hran co nejlepší (ideální jsou nulové časy, pak je úhel 90° a strmost 100 %) - pro standardní TTL členy by doba náběhu a doběhu měly být menší než 400 ns - co když má signál příliš dlouhý náběh nebo doběh - jde o nežádoucí stav (neboť pak je obvod po dlouhou dobu v oblasti nestability, což může způsobit chyby v činnosti obvodu) Protiopatření: - používat signály s dobou náběhu a doběhu odpovídající použitým členům - používat takové logické členy, aby oblast nestability byla co nejmenší - použít pomocný obvod, který málo strmé hrany upraví – Schmittůvklopný obvod

8. Dynamické parametry logických členů Zpoždění signálu při průchodu logickým členem (takédobašířenínebodobaprůchodusignálu členem) - je to zpožděnílogickéhočlenu (procházejícímu signálu „trvá“ určitou dobu, než dorazí ze vstupu na výstup) - určujese jakoaritmetickýprůměrzedvou dob přechodutpd0a tpd1 - dobatpd0 nebo také jako tpdHL (dobapřizměněvýstupníúrovnězestavulogickájedna do stavulogickánula (“1” – “0”, nebotaképřizměně z “H” – “L”) - dobatpd1nebo také jako tpdLH (dobapřizměněvýstupníúrovnězestavulogickánulado stavulogickájedna, nebotaképřizměně z “L” – “H”) Zpoždění signálu je charakteristická veličina typická prokonkrétnítypovouřadulogickýchčlenů, je nutné s ním počítat, může způsobovat tzv. hazardní stavy.

9. Dynamické parametry logických členů Zpožděni signálu při průchodu logickým členem – pokračování - časy začátku a konce měřeni jsou určeny okamžikem průchodu signálu rozhodovací napěťovou hladinou Ur - tato hladina závisí na typu technologie logických obvodů(TTL, CMOS…) - pro obvody TTL je Ur = 1,5 V - pro obvody CMOS závisí Ur na použitém napájecím napětí - podmínky stanoveni dynamických parametru je nutné hledat v katalogu výrobce (stejně jako jiné typické parametry) Popis obrázku č. 2 - na vstupu logického členu typu NOT (negace) je jednotkový impulz, který přejde z nuly do jedničky, nějakou dobu jednička trvá a pak nastává přechod od jedničky k nule - v ideálním případě (bez zpoždění) by na výstupu logického členu NOT byl signál opačný – negovaný – inverzní – zrcadlově převrácený - v reálném obvodu bude výstup posunut za vstupem o časový interval – o zpoždění

10. Dynamické parametry logických členů Zpožděni signálu při průchodu logickým členem – obrázek Obr. 2

11. Dynamické parametry logických členů – frekvenční parametry - číslicovélogickéčlenydokážízpracovatpouzesignály do určitéhokmitočtu Kmitočetfmax - je nejvyššímožnýkmitočetvstupníhosignálu, přikterém je logickýčlenještěschopennatento signal reagovat a zpracovatjej - nesmípřitomdojít k poklesuvýstupníchúrovní - nesmí dojít anik jinýmchybovýmstavům Přivyššíchfrekvencíchnež je fmax se - zvětšujezpožděnílogickéhočlenu - zmenšujese strmostnáběžné a týlovéhranyzpracovávanéhosignálu Jaké jsou maximální frekvence fmax? - prostandardnílogickéčlenytechnologie TTL je to 10 MHz - proobvody ALSTTL je to mezi 40 a 60 MHz

12. Dynamické parametry logických členů – energetické poměry - obvykle se uvádí spotřeba na 1 dílčí prvek logického integrovaného obvodu (jedno hradlo) (má-li např. integrovaný obvod typu 7400 čtyři členy NAND, celková spotřeba se vypočítá jako počet hradel x spotřeba jednoho hradla) pro spotřebu logického členu – odběr elektrické energie platí: - čím má logický obvod větší odběr, tím je u něj menší zpožděni jinak řečeno - čím pracuje obvod na vyšší frekvenci (zpracovává takový signál), tím má větší odběr z napájecího zdroje Příkladem mohou byt logické obvody Schottky TTL, které mají průměrné zpoždění Tpd = 3 ns, ale typický příkon na jedno hradlo mají 19 mW– viz následující tabulka.

13. Dynamické parametry logických členů – energetické a frekvenční poměry TTL obvodů – tabulka Ztabulky je patrná souvislost mezi menším zpožděním a rostoucím příkonem - jako velmi dobré se jeví členy ALS TTL, protože jsou velmi rychlé (zpoždění 4 ns) a přitom mají nejmenší spotřebu na 1 hradlo (1 mW). Je vidět také technický pokrok – stejné zpoždění (tedy rychlost) mají obvody S TTL (starší) a F TTL (novější), přitom příkon F TTL obvodů je 4,5 x nižší. Poznámka k napájení TTL – neustále se zvyšuje počet vyráběných obvodů, které používají snížené napájecí napětí Ucc = 3,3 V (místo 5 V)

14. Dynamické parametry logických členů – energetické a frekvenční poměry CMOS obvodů – tabulka tpd = zpoždění, fmax = max. prac. frekvence, P1 = příkon na 1 hradlo

15. BiCMOS - jde o novější technologii číslicové logiky - kombinuje výhody TTL (bipolární) a CMOS (unipolární) technologie - z TTL je to - velká rychlost - větší výstupní proud - z CMOS je to - malý příkon - vysoká hustota (vysoký stupeň) integrace - příklady BiCMOS obvodů -74ALB – tpd= 2 ns, výstupní proud 25 mA - 74ABT- tpd= 5 ns, výstupní proud 64 mA - 74FR – velmi rychlá BiCMOS - 74BC – velmi rychlá BiCMOS - 74BCT, 74FCT – s TTL kompatibilní - 74LVT – zdokonalená BiCMOS s nízkou spotřebou, tpd = 4 ns

16. 1. Strmost impulzu – čelní a týlová hrana – nesprávné označení – pořadí nebo souvislosti: Náběh a doběh Vzestupná a sestupná z 90 % na 10 %, z 10 % na 90 % tr a tf Kontrolní otázky 2. Při průchodu signálu logickým členem Nevzniká žádné zpoždění Vzniká sice zpoždění, ale je zanedbatelné Vzniká charakteristické zpoždění (podle technologie a řady) a je nutno podle něj navrhovat konstrukce s číslicovými obvody 3. Vztah mezi max. pracovní frekvencí a spotřebou logického členu je V souladu – čím větší frekvence, tím větší spotřeba V protikladu – čím větší frekvence, tím menší spotřeba Bez vzájemného propojení či ovlivňování

17. 1. Strmost impulzu – čelní a týlová hrana – nesprávné označení – pořadí nebo souvislosti: Náběh a doběh Vzestupná a sestupná z 90 % na 10 %, z 10 % na 90 % tr a tf Kontrolní otázky – správné odpovědi červené 2. Při průchodu signálu logickým členem Nevzniká žádné zpoždění Vzniká sice zpoždění, ale je zanedbatelné Vzniká charakteristické zpoždění (podle technologie a řady) a je nutno podle něj navrhovat konstrukce s číslicovými obvody 3. Vztah mezi max. pracovní frekvencí a spotřebou logického členu je V souladu – čím větší frekvence, tím větší spotřeba V protikladu – čím větší frekvence, tím menší spotřeba Bez vzájemného propojení či ovlivňování

18. Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Napěťové úrovně pro vstup a výstup TTL obvodů Obr. 2: vlastní, Zpožděni signálu při průchodu logickým členem

19. Seznam použité literatury: [1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN, Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0 [2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982 [3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X [4] Jedlička, P.: Přehled obvodůl řady TTL 7400 – 1. díl, BEN, Praha, 2005, ISBN 80-7300-169-1 [5] Jedlička, P.: Přehled obvodůl řady TTL 7400 – 2. díl, BEN, Praha, 2005, ISBN 80-7300-170-5

20. Děkuji za pozornost 