Dynamické parametry logických členů Střední odborná škola Otrokovice www.zlinskedumy.cz 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.
Dynamické parametry logických členů. Střední odborná škola Otrokovice. Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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 členů
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 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
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
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.
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 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
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