2.2. Параметры интегральных микросхем

Основными электрическими параметрами интегральной микросхемы как радиоэлектронного устройства являются:

1. Напряжение источника питания определяется величиной напряжения и пределами его изменения, при которых обеспечиваются заданные параметры работы микросхемы.

Микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания равное 5 В + 5%. Большая часть микросхем на КМОП структурах устойчиво работает при напряжении питания от 3 до 15 В, некоторые - при напряжении 9 В + 10%.

2. Уровни напряжения логического нуля и логической единицы - это уровни напряжения, при которых гарантируется устойчивое различение логических сигналов как нуля или единицы.

Уровни логических нуля и единицы должны различаться возможно большими значениями. Различают пороговое напряжение логического нуля (U⁰_пор) и логической единицы (U¹_пор). Пороговое напряжение логического нуля представляет собой наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, которое вызывает реакцию микросхемы как на входной логический ноль. Пороговое напряжение логической единицы - наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы, , которое вызывает реакцию микросхемы как на входную логическую единицу. Для микросхем ТТЛ U⁰_пор = 0,4 В; U¹_пор= 2,4 В. Напряжение низкого и высокого уровней на выходе микросхем ТТЛ U⁰_вых<0,4 В; U¹_вых>2,4 B, соответственно. Для микросхем на КМОП структурах U¹_пор>0,7U_пит; U⁰_пор<0,3U_пит. В то же время отклонение выходных напряжений U⁰_вых и U¹_вых от нулевого значения и напряжения источника питания, соответственно, достигают всего нескольких десятков милливольт.

3. Нагрузочная способность характеризуется количеством элементов этой же серии, которые можно подключить к выходу элемента без дополнительных устройств согласования и называется коэффициентом разветвления по выходу. Чем выше нагрузочная способность, тем меньше число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность.

В связи с этим в составе различных серий микросхем есть так называемые буферные элементы с нагрузочной способностью в несколько раз больше, чем у основных элементов. Количественно нагрузочная способность оценивается числом единичных нагрузок, которое можно одновременно подключить к выходу микросхемы. В свою очередь единичной нагрузкой является вход основного логического элемента данной серии. Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов серии ТТЛ составляет 10, а для микросхем серии КМОП – до 100.

4. Помехоустойчивость характеризуется уровнем логического сигнала помехи, которая не вызывает изменения логических уровней сигнала на выходе элемента.

Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических нуля и единицы, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серии КМОП – не менее 30% напряжения питания. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости.

5. Быстродействие определяется скоростью переключения логического элемента при поступлении на его вход прямоугольного управляющего сигнала требуемой величины.

Количественно быстродействие принято характеризовать предельной рабочей частотой, т.е. максимальной частотой переключения триггера, выполненного на этих базовых элементах. Предельная рабочая частота микросхем ТТЛ составляет 10 МГц, а микросхем на КМОП структурах – лишь 1 МГц. Быстродействие определяется также как и среднее время задержки распространения сигнала:

t_зд.р.ср = 0,5(t^1,0_зд.р + t^0,1_зд.р),

где t^1,0_зд.р и t^0,1_зд.р – времена задержки распространения сигнала при включении и выключении.

Среднее время задержки распространения сигнала является более универсальным параметром микросхем, так как позволяет рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы суммированием t_зд.р.ср всех последовательно включенных микросхем.

Для микросхем ТТЛ t_зд.р.ср составляет около 20 нс, а для микросхем на КМОП структурах - 200 нс.

6. Потребляемая микросхемой от источника питания мощность зависит от режима работы (статический и динамический). И даже в статическом режиме потребляемая микросхемой мощность различна при уровнях логического нуля (Р⁰) и логической единицы на ее выходе (Р¹). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления Р_ср = (Р⁰ + Р¹)/2. Статическая средняя мощность потребления базовых элементов ТТЛ составляет несколько десятков милливатт, а у элементов на КМОП структурах она на три порядка меньше.

Следует учитывать, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Поэтому помимо средней мощности Р_ср задается также динамическая мощность Р_дин, измеряемая на максимальной частоте переключения. Необходимо иметь в виду, что с повышением быстродействия мощность, потребляемая микросхемой, увеличивается.

7. Надежность микросхемы характеризуют интенсивностью частоты отказов. Средняя интенсивность отказов микросхем со средним уровнем интеграции составляет  = 110^-7 1/час. Надежность цифровых устройств на микросхемах значительно превышает надежность аналогичных устройств на дискретных элементах.

Цифровые микросхемы выпускаются в пластмассовых корпусах 4 видов, отличающихся количеством выводов(8, 14 и 16, 24), керамических корпусах. Наиболее распространенные корпуса: DIP – прямоугольные, с выводами, перпендикулярными плоскости основания и планарные – прямоугольные, с выводами, лежащими в плоскости основания. Счет ножек ведется сверху от метки против часовой стрелки.

Условное обозначение микросхем состоит из 4 элементов:

1533ЛА3 – первая цифра указывает на конструктивно-технологическое исполнение (1,5,6,7 – полупроводниковые, 2,4,8 – гибридные); следующие 2-3 цифры – порядковый номер разработки. Все цифры определяют номер серии. 4-ая цифра – порядковый номер разработки по функциональной классификации. Для микросхем широкого применения впереди стоит буква «К». Буквы «КР» и «КМ» указывают, что корпус микросхемы соответственно пластмассовый или керамический.

Для обеспечения надежной работы и удобства разработки устройств на ИМС микросхемы разрабатываются в виде серий. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического нуля и логической единицы. Основой каждой серии микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ.