Dynamické parametry logických členů Střední odborná škola Otrokovice Dynamické parametry logických členů 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

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

Dynamické parametry logických členů Obsah tématu Náběh a doběh impulzu Zpoždění signálu průchodem logickým členem Frekvenční parametry (TTL a CMOS) Energetické poměry (TTL a CMOS)

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)

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 (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

„tr“ „tf“ Dynamické parametry logických členů 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

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 – Schmittův klopný obvod

Zpoždění signálu při průchodu logickým členem Dynamické parametry logických členů Zpoždění 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.

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

Dynamické parametry logických členů 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 poměry TTL obvodů – tabulka Technologie – typ Zpoždění Tpd [ns] fmax [MHz] Příkon/ 1 hradlo [mW] TTL standard 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 poměry CMOS obvodů – tabulka tpd = zpoždění, fmax = max. prac. frekvence, P1 = příkon na 1 hradlo Řada – označení Ucc min [V] Ucc max tpd [ns] fmax [MHz] P1 [µW] Pozn. CMOS 4000 3 18 25 14 0,01 Nejstarší C 50 3,5 0,02 CMOS HC 2 6 9 65 4 HCT 4,5 5,5 8 55 AHC 150 ALVC 1,2 3,6 2,2 270 LCX 170 LVC 3,3 0,5 LVQ 125 FCT 7 160 10 BiCMOS ALB 2,7 300 30

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 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 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

Kontrolní otázky – správné odpovědi červené 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 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

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Napěťové úrovně pro vstup a výstup TTL obvodů Obr. 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 