dynamické parametry logických členů

Dynamické parametry logických členů

Střední odborná škola Otrokovice

www.zlinskedumy.cz

Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš ZatloukalDostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR.

Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze.

Charakteristika DUM 2

Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice

Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /3

Autor Ing. Miloš Zatloukal

Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-CT/1-EL-5/20

Název DUM Dynamické parametry logických členů

Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání

Kód oboru RVP 26-41-L/52

Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika

Vyučovací předmět Číslicová technika

Druh učebního materiálu Výukový materiál

Cílová skupina Žák, 18 – 19 let

Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem; náplň: dynamické parametry logických členů.

Vybavení, pomůcky Dataprojektor

Klíčová slova Logický, člen, statický, dynamický, náběh a doběh impulzu, zpoždění signálu, pracovní frekvence, spotřeba elektrické energie, TTL, CMOS, BiCMOS.

Datum 3. 4. 2013

Obsah tématu

Náběh a doběh impulzu

Zpoždění signálu průchodem logickým členem

Frekvenční parametry (TTL a CMOS)

Energetické poměry (TTL a CMOS)


Dynamické parametry logických členůchování elektrických logických členů popisují jejich parametryDělí 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)


- 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 (rise time – čas růstu) - čas tf (fall time – 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


Náběh a doběh impulzu

Doba Označení Změna signálu

„tr“ Rise – vzestupná hrana (čelo) z 10 na 90 % max. hodnoty

„tf“ Fall – sestupná hrana (týl) z 90 na 10 % max. hodnoty

Obr. 1


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 – Schmittův klopný obvod

Dynamické parametry logických členůZpoždění signálu při průchodu logickým členem(také doba šíření nebo doba průchodu signálu členem)- je to zpoždění logického členu (procházejícímu signálu „trvá“ určitou dobu, než dorazí ze vstupu na výstup)

- určuje se jako aritmetický průměr ze dvou dob přechodu tpd0 a tpd1

- doba tpd0 nebo také jako tpdHL(doba při změně výstupní úrovně ze stavu logická jedna do stavu logická nula (“1” – “0”, nebo také při změně z “H” – “L”)

- doba tpd1 nebo také jako tpdLH(doba při změně výstupní úrovně ze stavu logická nula do stavu logická jedna , nebo také při změně z “L” – “H”) Zpoždění signálu je charakteristická veličina typická pro konkrétní typovou řadu logických členů, je nutné s ním počítat, může způsobovat tzv. hazardní stavy.


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


Zpožděni signálu při průchodu logickým členem – obrázek

Obr. 2

Dynamické parametry logických členů – frekvenční parametry- číslicové logické členy dokáží zpracovat pouze signály do určitého kmitočtu

Kmitočet fmax - je nejvyšší možný kmitočet vstupního signálu, při kterém je logický člen ještě schopen na tento signal reagovat a zpracovat jej

- nesmí přitom dojít k poklesu výstupních úrovní- nesmí dojít ani k jiným chybovým stavům

Při vyšších frekvencích než je fmax se - zvětšuje zpoždění logického členu - zmenšuje se strmost náběžné a týlové hrany zpracovávaného signálu

Jaké jsou maximální frekvence fmax ?- pro standardní logické členy technologie TTL je to 10 MHz- pro obvody ALS TTL je to mezi 40 a 60 MHz

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.

Dynamické parametry logických členů – energetické a frekvenční poměryTTL obvodů – tabulka

Technologie – typ

Zpoždění Tpd [ns]

fmax[MHz] Příkon/ 1 hradlo [mW]

TTL standard 10 10 10

S TTL 3 100 19

LS TTL 9,5 35 2

ALS TTL 4,5 60 1,2

F TTL 3,5 130 4

Z tabulky 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)

Dynamické parametry logických členů – energetické a frekvenční poměryCMOS obvodů – tabulkatpd = zpoždění, fmax = max. prac. frekvence, P1 = příkon na 1 hradlo

Řada – označení

Ucc min[V]

Ucc max[V]

tpd[ns]

fmax[MHz]

P1[µW] Pozn.

CMOS 4000 3 18 25 14 0,01 Nejstarší

C 3 18 50 3,5 0,02 CMOS

HC 2 6 9 65 4 CMOS

HCT 4,5 5,5 8 55 4 CMOS

AHC 2 6 3,5 150 2 CMOS

ALVC 1,2 3,6 2,2 270 2 CMOS

LCX 2 3,6 3,5 170 2 CMOS

LVC 1,2 3,6 3,3 150 0,5 CMOS

LVQ 3 3,6 6 125 0,5 CMOS

FCT 4,5 5,5 7 160 10 BiCMOS

ALB 2,7 3,6 2 300 30 BiCMOS

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

Kontrolní otázky

2. Při průchodu signálu logickým členema) Nevzniká žádné zpožděníb) Vzniká sice zpoždění, ale je zanedbatelnéc) Vzniká charakteristické zpoždění (podle technologie a řady) a je nutno podle

něj navrhovat konstrukce s číslicovými obvody

1. Strmost impulzu – čelní a týlová hrana – nesprávné označení – pořadí nebo souvislosti:a) Náběh a doběhb) Vzestupná a sestupnác) z 90 % na 10 %, z 10 % na 90 % d) tr a tf

3. Vztah mezi max. pracovní frekvencí a spotřebou logického členu jea) V souladu – čím větší frekvence, tím větší spotřebab) V protikladu – čím větší frekvence, tím menší spotřebac) Bez vzájemného propojení či ovlivňování

Kontrolní otázky – správné odpovědi červené

2. Při průchodu signálu logickým členema) Nevzniká žádné zpožděníb) Vzniká sice zpoždění, ale je zanedbatelnéc) Vzniká charakteristické zpoždění (podle technologie a řady) a je nutno podle

něj navrhovat konstrukce s číslicovými obvody

1. Strmost impulzu – čelní a týlová hrana – nesprávné označení – pořadí nebo souvislosti:a) Náběh a doběhb) Vzestupná a sestupnác) z 90 % na 10 %, z 10 % na 90 % d) tr a tf

3. Vztah mezi max. pracovní frekvencí a spotřebou logického členu jea) V souladu – čím větší frekvence, tím větší spotřebab) V protikladu – čím větší frekvence, tím menší spotřebac) Bez vzájemného propojení či ovlivňování

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

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

Děkuji za pozornost

dynamické parametry logických členů

Documents