CIRCUITE INTEGRATE NUMERICE DIGITALE - Parametrii care definesc o familie de circuite integrate logice

CIRCUITE INTEGRATE NUMERICE

Circuitele integrate numerice (digitale) sunt circuite integrate care primesc la intrare semnale digitale si furnizeaza la iesirile circuitului semnale numerice. Iesirea este o functie de:

- valorile intrarilor,

- starea in care se afla circuitul (la momentul de timp in care se  aplica semnale la vreo intrare),

- algoritmul intern de prelucrare.

Intre doua secvente de actualizare starile iesirilor se considera ca nu se modifica de catre nici unul din elementele precizate.

Pentru a desemna circuitele numerice se folosesc acronimele CIN sau CID.

Circuitele numerice sunt sincrone daca verificarea starii intrarilor si prelucrarea semnalelor are loc ciclic la momente de timp impuse de un semnal de sincronizare (semnal de tact), indiferent de faptul ca s-a modificat sau nu s-a modificat vreo intrare.

Circuitele numerice asincrone incep prelucrarea semnalelor, la momente de timp aleatorii, moment de timp impus de modificarea vreunei intrari sau de schimbarea starii interne a circuitului.

Pentru prelucrarea semnalelor circuitul numeric are nevoie de un timp mai lung sau mai scurt, timp numit timp de raspuns sau timp de intarziere sau t_p timp de propagare (a impulsului de la intrare prin sistemul de prelucrare la iesirea circuitului).

Timpul de raspuns al unui circuit numeric depinde de volumul de calcule si de viteza de comutate a dispozitivelor electronice (cu ajutorul carora a fost implementat respectivul circuit integrat), altfel spus depinde de tehnologia de realizare a CIN.

In cazul particular al circuitelor numerice integrate termenul de tehnologie nu se refera numai la procesul de realizare a circuitului ci si la elementele cu ajutorul caruia se realizeaza circuitele logice din componenta integratului.

Din acest punct de vedere exista tehnologii : [2,3]

- bipolare, care au in componenta tranzistori bipolari ;

- unipolare, care au in componenta tranzistori cu efect de camp.

Proiectarea unui dispozitiv (aparat electronic) care sa indeplineasca diferite activitati logice incepe cu proiectarea logica a dispozitivului, este urmata de etapa de implementare cu circuite integrate numerice si se continua cu verificarea si testarea functionalitatii s.a.

Etapa de implementare consta in adoptarea unor circuite numerice integrate si interconectarea acestora in scopul realizarii functiilor logice precizate in etapa anterioara. In acest scop ar trebui sa studiem foile de catalog ale miilor de producatori pentru a identifica circuitele necesare si a stabili daca pot fi interconectate (daca au aceleasi reprezentari ale cifrelor binare, daca au aceeasi sursa de alimentare, daca au un timp de raspuns corespunzator, s.a.).

Pentru a micsora efortul de implementare a dispozitivului, in cadrul fiecarei clase de tehnologii, circuitele numerice au fost grupate in serii (familii) de circuite integrate numerice standardizate, diferentiate prin gradul de integrare si caracteristicile electrice (ce vor fi evidentiate in paragraful 4.1).

In raport cu gradul de integrare (numarul de tranzistori implementati pe pastila integratului) circuitele digitale pot fi:

SSI Small Scale Integration), cu mai putin de 50 tranzistori;

MSI Medium Scale Integration), intre 50 si 500 tranzistori;

LSI Large Scale Integration), intre 500 si 30.000 tranzistori;

VLSI Very Large Scale Integration), peste 30.000 tranzistori;

De mentionat faptul ca, datorita complexitatii circuitelor VLSI si a functiilor diferite pe care le implementeaza, acestea nu au fost standardizate, numai ca producatorul circuitului asigura interfete de intrare / iesire care sa permita comunicarea cu exteriorul, pe baza unui standard acceptat (unul din standardele enumerate in cele ce urmeaza ).

Principalele serii de circuite integrate numerice care au rezistat dea lungul timpului sunt:

in tehnologia bipolara, seriile  TTL (Transistor Transistor Logic) si ECL (Emitter Coupled Logic

in tehnologia unipolara, seriile CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), NMOS (N- channel MOS) , PMOS (P-channel MOS);

in tehnologie combinata unipolara si bipolara pe aceeasi pastila de siliciu, seria BiCMOS (Bipolar Complementary MOS).

Parametrii care definesc o familie de circuite integrate logice

Caracteristcile interfetei electrice a standardului se exprima luind drept element de baza circuitul logic inversor (iesirea este valoarea negata a intrarii - daca la intrare se aplica "0" iesirea va fi in "1" si reciproc)  al familiei respective, specificand:

Caracteristica statica de transfer;

Marginile de imunitate la perturbatiile statice;

Capacitatea de incarcare a circuitelor logice;

Timpul de propagare;

Consumul de putere.

Caracteristica statica de transfer este familia de curbe care exprima dependenta tensiunii de iesire a circuitului in functie de valorile pe care le ia tensiunea de la intrare.

Se obtine o familie de curbe si nu o singura curba, ca in figura 4.1, deoarece cifrei "1" logic la intrare nu ii corespunde un singur nivel de tensiune ci un domeniu de tensiuni (la fel si pentru "0" logic).

Se definesc marimile: [10,11,12,13]

V_ILmin - nivelul de tensiune minim pentru '0' logic la intrare,

V_ILmax - nivelul de tensiune maxim pentru '0' logic la intrare,

V_IHmin - nivelul de tensiune minim pentru '1' logic la intrare,

V_IHmax - nivelul de tensiune maxim pentru '1' logic la intrare,

V_OLmin - nivelul de tensiune minim pentru '0' logic la iesire,

V_OLmax - nivelul de tensiune maxim pentru '0' logic la iesire,

V_OHmin - nivelul de tensiune minim pentru '1' logic la iesire,

V_OHmax - nivelul de tensiune maxim pentru '1' logic la iesire.

"Pentru " din fraza anterioara trebuie inteles astfel - pentru ca circuitul sa interpreteze respectiva valoare de tensiune drept "0 sau 1" logic si sa actioneze corespunzator.

Nivelele de tensiune notate cu cifre definesc zona de functionare normala in absenta perturbatiilor (V_IL2 - V_IL1si  V_IH2 - V_IH1) iar cu acolade s-au marcat zonele permise.

Intervalul (V_IHmin - V_ILmax) reprezinta zona de tranzitie.

Marginea de imunitate la perturbatiile statice reprezinta

valoarea maxima a tensiunii perturbatoare care insumata cu semnalul util aplicat la intrare, in cazul cel mai defavorabil, nu conduce la schimbarea comportarii circuitului (in sensul ca daca la intrarea inversorului se aplica "0" iesirea devine "1" chiar si in prezenta unui semnal perturbator).

Marginea de imunitate la perturbatii garantata de producatorse defineste prin diferenta nivelelor logice astfel:

pentru "0" logic ,

pentru "1" logic .

Capacitatea de incarcare a circuitelor logice se exprima prin factorul de incarcare la intrare FI (Fan-In) si respectiv factorul de incarcare la iesire FO (Fan-Out).

In cazul cel mai defavorabil curentii absorbiti de circuit de la intrare se noteaza I_IL, I_IH  iar curentii furnizati de iesire se noteaza I_OL, I_OH.

Fiecare circuit conectat la iesirea circuitului logic in discutie absoarbe un curent. Suma curentilor absorbiti nu trebuie sa depaseasca curentul maxim pe care il poate furniza iesirea respectiva.

Capacitatea de incarcare a iesirii circuitului FO (Fan-Out) reprezinta numarul maxim de porti logice ce pot fi conectate la iesire fara degradarea nivelelor logice (fara ca nivelul de tensiune furnizat de iesirea portii pentru starea "1" sa scada sub pragul V_OHmin) .

Din punctul de vedere al intrarii circuitului situatia se prezinta similar (pentru Fan-In).

Capacitatea de incarcare a circuitelor logice FO se exprima matematic prin valoarea cea mai mica dintre:

,

unde paranteza dreapta semnifica partea intreaga.

Timpul de propagare

Timpul de propagare exprima intarzierea cu care se stabileste iesirea la valoarea corespunzatoare semnalului aplicat la intrare.

Deoarece intrarea nu se modifica instantaneu ci intr-un timp finit   masurarea timpului de propagare se face, ca in figura 4.2., intre momentul cand intrarea ajunge la 50% din valoarea finala si momentul cand iesirea ajunge la 50% din valoarea finala. Se obtin doua intarzieri - corespunzatoare caderii iesirii din H in L si - corespunzatoare cresterii semnalului de iesire din L in starea H.

Uneori se calculeaza timpul mediu de propagare, ca medie aritmetica a celor doi timpi.

Consumul de putere, este in directa legatura cu valoarea tensiunii sursei de alimentare de curent continuu, asa incat se impune precizarea si a altor elemente:

tensiunea de alimentare (V_CC sau V_DD );

curentii absorbiti de circuit, cand iesirea este in starea '1' logic (I_CCH), respectiv in starea '0' logic (I_CCL);

curentul cu iesirea in scurtcircuit (I_OSC);

puterea medie consumata (P_med).

Datorita comutatiei circuitului logic dintr-o stare in alta se consuma o putere suplimentara, exprimata prin puterea necesara incarcarii / descarcarii capacitatilor parazite C_P de la iesire:

,

putere dependenta de frecventa f a semnalului de comutare.

Puterea totala absorbita de la sursa de curent continuu este:

.