5.12. Рекомендации по выбору серий ИС

Разработчики ИС главное внимание уделяют четырем параметрам, определяющим их свойства: быстродействию, энергопотреблению, нагрузочной способности и допустимому уровню помех. Поскольку из-за взаимной противоречивости свойств ИС невозможно разработать одну серию, обладающую наивысшими показателями всех этих параметров, разработчики стремились создавать новые семейства ИС, имеющие наилучшие значения каких-либо двух или трех параметров. Это привело к резкому увеличению числа выпускаемых серий ИС, некоторые из которых весьма незначительно отличаются друг от друга.

Выбор серий ИС при проектировании цифровых устройств наиболее прост при учете только двух параметров: быстродействия и потребляемой мощности. Для уменьшения общей потребляемой мощности в одном устройстве, как правило, требуется

использовать несколько серий ИС. Задача их оптимального выбора значительно осложняется при учете всех четырех параметров. При этом каждый из параметров нельзя охарактеризовать только одним числом, что дополнительно осложняет проблему выбора серий ИС. Например, потребляемая мощность характеризуется тремя числами, соответствующими статической и динамической мощности потребления и дополнительной мощности рассеивания КМОП ИС при их взаимодействии с ТТЛ ИС.

В § 5.1 и 5.2 описаны усовершенствованные ТТЛ и КМОП серии ИС. Кроме КМОП серий АС/ACT, создана серия FCT (FAST CMOS Technology - КМОП-технология FAST), показатели быстродействия и нагрузочной способности ИС которой впервые сравнялись с соответствующими показателями ТТЛ ИС (ИС семейства FCT представляют собой просто КМОП-варианты соответствующих ИС семейства FAST). Эти быстродействующие ИС с высокой нагрузочной способностью и большими перепадами выходных сигналов создают достаточно высокие уровни помех. Помехи всегда считались важным параметром, однако с появлением усовершенствованных КМОП-технологий помеховые характеристики стали одним из главных отличительных факторов различных серий усовершенствованных КМОП ИС.

Традиционные серии ИС.

В табл. 5.29 представлены характеристики традиционных серий на примере для большинства серий. Эти серии выпускаются за рубежом многими компаниями-поставщиками, обычно стоят недорого, имеют хорошо известные стабильные свойства и содержат широкую номенклатуру ИС, реализующих различные функции. Число поставщиков некоторых серий ИС уже начало сокращаться, а цены пошли вверх. В настоящее время к таким сериям относятся стандартные ТТЛ ИС; КМОП ИС серии маломощные ТТЛШ ИС (серия и ТТЛШ ИС (серия

Остальные ИС из табл. 5.29 по быстродействию, уровню помех и энергопотреблению можно разделить на три группы. В рамках каждой из них имеются заметные различия в параметрах ИС. Например, ИС серии ALS имеют втрое меньшее энергопотребление по сравнению с ИС серии FAST, однако уступают им в быстродействии; ИС серий АС/ACT обладают максимальной нагрузочной способностью при работе на линии передачи, имея симметричные выходные токи ±24 а у ИС серии FCT максимальна статическая нагрузочная способность при работе на согласующую нагрузку (ток ).

Проблема выбора среди этих серий ИС решается однозначно. Поскольку конечное изделие должно быть достаточно дешево,

Таблица 5.29. (см. скан) Перечень серий логических ИС

выбирать следует серию, изготавливаемую по хорошо отработанной технологии, так как именно в этом случае обеспечивается небольшая цена компонентов. Например, для переносного компьютера принципиально необходимо малое энергопотребление, что практически однозначно определяет выбор КМОП-технологии. Если система должна работать на тактовой частоте или меньше, то идеальный вариант для нее — серия НС/НСТ. Если тактовая частота должна превышать то потребуется серия АС/ACT. В диапазоне между выбор конкретной серии следует выполнять на базе более детального анализа временных параметров.

Новые серии ИС.

В табл. 5.30 на примере представлены четыре группы новых ИС: серии ACQ и ACTQ (фирма National Semiconductor) - усовершенствованные КМОП ИС второго поколения (семейство в которых особое внимание уделено снижению уровня помех; серии и где В или С — три градации быстродействия (фирма National Semiconductor) - второе поколение семейства ACMOS усовершенствованных КМОП ИС, для которых главный упор сделан на повышение быстродействия; серия (фирма National Semiconductor) - второе поколение усовершенствованных биполярных серия ВСТ (фирма Texas Instruments) - первое поколение БиКМОП (BiMOS) ИС.

Таблица 5.30. (см. скан) Основные характеристики усовершенствованных ИС

Эти новые серии ИС в настоящее время выпускаются за рубежом одним-двумя поставщиками, а в их состав входят главным образом ИС шинных интерфейсов с разной разрядностью слова (9, 10, 16, 18 и 32 бит), и в них предусмотрены специальные средства повышения тестируемости и встроенные последовательные регистры. Кроме того, эти ИС обычно собираются в корпуса для монтажа на поверхность с шагом контактов что вдвое уменьшает место, занимаемое ими на схемных платах. Функциональные свойства и конструктивное оформление новых ИС в сочетании с дополнительным набором их технических характеристик открывают перед разработчиками современной аппаратуры невиданные ранее возможности при проектировании систем.

ИС серий ACQ/ACTQ представляют собой "чистые" модернизированные КМОП ИС. В них снижены все виды помех и при этом сохранены вполне приемлемое быстродействие и свойственное КМОП ИС сверхмалое энергопотребление. Кроме того, ИС серий имеют симметричные выходные токи ±24 мА в статическом и ±75 мА в динамическом режиме, что позволяет им работать на низкоимпедансные линии передачи. Как и ИС серий АС/ACT, ИС серий ACQ/ACTQ выпускаются с входными К МОП-уровнями (ACQ) и с уровнями входных сигналов, совместимых с ТТЛ ИС (ACTQ). Для ИС серии ACQ обеспечивается более высокая помехоустойчивость (по логическому 0), при пороге переключения, равном их задержки на меньше, чем у ИС серии ACTQ, а все их динамические и статические параметры сохраняются при напряжении питания 3,3 В.

Серии и появились в результате дальнейшего развития исходного семейства этих серий совместимы по входным уровням с ТТЛ ИС, но ИС серии имеют

выходные КМОП-перепады, тогда как у ИС серии выходные перепады для уменьшения помех снижены до уровня ТТЛ ИС. В некоторых случаях такое уменьшение перепадов вдвое унижает уровень помех по сравнению с помехами в ИС серии FCT. Выходной ток у ИС этих серий равен что позволяет им работать на оконечные согласующие нагрузки для Биполярных ИС.

Серия в настоящее время является самым быстродействующим семейством ИС (не считая ЭСЛ ИС) - задержки в ИС этой серии составляют 3,9 не, а их энергопотребление снижено до 40% по сравнению с ИС серии FAST. Высокое быстродействие ИС серии ВСТ обеспечивают ТТЛ-схемы, а для реализации Z-состояния выходных каскадов используются КМОП-транзисторы. Энергопотребление этих ИС в статическом режиме выше, чем у усовершенствованных КМОП ИС, а по быстродействию они несколько уступают схемам серии В ИС серии ВСТ удачно сочетаются показатели энергопотребления в динамическом режиме, чрезвычайно низкого уровня помех и большого выходного тока т.е. них обеспечено отличное сочетание всех четырех критериев выбора ИС, с которыми приходится иметь дело разработчикам систем.

Анализ энергопотребления.

Для ИС всех ТТЛ-серий и серии ВСТ мощность потребления в основном определяется статической составляющей, а ее динамическая составляющая пренебрежимо мала. Преимущество ИС серии ВСТ перед RC серии это намного меньшее энергопотребление в Z-состоянии для серии ВСТ и для серии

Для ИС КМОП-серий ток питания складывается из пренебрежимо малой статической составляющей, динамической составляющей и из так называемой составляющей дополнительного тока, связанного с энергопотреблением КМОП ИС при работе с входными ТТЛ-уровнями. Динамическая составляющая определяется мощностью, рассеиваемой КМОП ИС при заряде и разряде собственных и нагрузочных емкостей. Эта мощность увеличивается с ростом частоты переключения.

Частота, при которой отмечается равенство токов питания для ИС серии и ACMOS ИС из табл. 5.30 в реальных системах при постоянном переключении ИС, несколько больше При более высокой частоте ИС серий и имеют меньшую динамическую мощность потребления и их следует предпочесть КМОП ИС, если речь идет о системах с режимом постоянного переключения. Если же с высокой частотой переключается ограниченное число ИС, то следует предпочесть ИС семейства ACMOS, имеющих малую статическую мощность потребления. Например, в микропроцессорных системах в любой момент времени в активном состоянии находятся только два приемопередатчика, остальные — в Z-состоянии, поэтому

для уменьшения суммарной мощности потребления их следует выполнять на ИС семейства ACMOS даже при работе на частоте выше

Анализ быстродействия.

В микропроцессорных системах на долю интерфейсных ИС отводится примерно 25% общего времени переключения (правило Чтобы сохранить это соотношение в системах на базе быстродействующих -процессоров, в которых команды выполняются за один такт, и микропроцессоров семейства 486, нужно использовать серии и FCTA (табл. 5.31). Для систем на базе микропроцессоров серий 286 и 386 отлично подходят серии ACQ и ACTQ.

Таблица 5.31. (см. скан) Роль быстродействия логических ИС

Следует иметь в виду, что при одновременном переключении нескольких выходов ИС токи через земляные шины возрастают, увеличивая задержки срабатывания (типовая поправка для каждого дополнительного переключающегося выхода составляет Так. для паспортное значение задержки при переключении одного выхода равно 3, 9 не, а при переключении всех выходов — не.

Анализ нагрузки.

По токовой нагрузочной способности возможные приложения можно разделить на два типа: статическая нагрузка и управление линиями передачи. Преимущество по статической нагрузочной способности имеют серии ИС с большим выходным током . При работе на линии связи важное значение имеет симметричность выходов (равенство выходных токов), поэтому в этом случае предпочтение следуетотдать ИС серий ACQ и ACTQ (табл. 5.30).

Анализ помех.

Все помехи можно разделить на две группы: помехи, возникающие в самой ИС, и помехи, генерируемые системой. Помехи, связанные с ИС, обычно сводятся к броскам напряжения на земляных шинах. Они являются следствием переключательных переходных токов, протекающих по индуктивностям выводов земли и питания. Броски по земляным шинам приводят к появлению положительного выброса напряжения на земляной шине. Эти броски не представляют проблем для синхронных линий данных, поскольку они возникают в той части тактового цикла, в которой данные считаются недействительными. Но если их амплитуда велика, то броски напряжения вызывают проблемы при их наложении на асинхронные сигналы (сигналы сброса, загрузки, разрешения записи и другие сигналы

управления). Для ИС всех серий из табл. 5.30, кроме серии FCTA, броски лежат в пределах от 0,8 до 1,0 В (в реальных системах не превышают уровня серии FCTA броски могут Превышать уровень поэтому их не рекомендуется применять для формирования асинхронных сигналов, когда возможны Переключения одних выходных каскадов при статических состояниях других выходов.

Помехи, создаваемые системой, всегда можно снизить до приемлемого уровня с помощью надлежащих методов проектирования независимо от используемой серии ИС (для более быстродействующих ИС (ребуются более серьезные меры предосторожности). В линии передачи ИС всех серий могут вызвать одинаковый уровень колебаний, и для любой ИС можно осуществить оконечное согласование линий. Чем выше быстродействие ИС, тем короче проводник, требующий согласования.

Проводник ведет себя как линия передачи, и в нем возникают колебания, если задержка при прохождении сигнала по проводнику Превышает одну треть времени нарастания или спада сигнала (фронта сигнала). В табл. 5.32 приьедены длительности фронтов Сигналов для разных серий ИС и длины печатных проводников, при превышении которых требуется оконечное согласование.

Таблица 5.32. (см. скан) Сравнение времени переключения

При наличии связи между токами разных сигнальных линий возникают перекрестные помехи. Амплитуда емкостной перекрестной помехи пропорциональна скорости нарастания фронта сигнала и емкости связи между печатными проводниками. Для уменьшения емкости связи применяются конструктивные меры: увеличение промежутков между печатными проводниками; экранирование чувствительных сигнальных линий проводниками земли и питания; прокладка проводников в соседних слоях многослойных печатных плат в перпендикулярных направлениях; экранирование слоев с печатными проводниками слоями земли и питания; использование коаксиальных, дифференциальных и витых пар проводов.

Системные радиопомехи относятся к самым сложным видам помех. Их необходимо учитывать на всех уровнях проектирования — от выбора серии ИС до топологического проектирования печатных плат и конструирования системных экранов. Электромагнитное излучение выходит на первое место среди источников помех во многих электронных системах. Чем больше высокочастотной энергии содержится в

спектре сигнала (чем больше крутизна фронтов сигнала), тем выше уровень радиопомех. По уровню радиопомех ИС серии ВСТ имеют худшие показатели по сравнению с ИС серий ACQ/ACTQ, что объясняется наличием у последних специальных выходных каскадов.

Методика выбора серий ИС.

Для выбора серий ИС, приведенных в табл. 5.30, можно воспользоваться блок-схемой, приведенной на рис. 5.140. Выбор начинается с принятия решения, какой из параметров — быстродействие, энергопотребление или уровень помех — имеет наибольшее значение для проектируемого устройства. Затем следует определить, какой из параметров находится на втором по значимости месте и какой — на третьем. В каждой из точек принятия решения блок-схема "спрашивает", насколько жесткие требования предъявляются к данному параметру.

Рис. 5.140

Если выбирается ветвь с менее жесткими требованиями, то оставшийся параметр оптимизируется автоматически. Если же движение идет по направлению с более жесткими требованиями, то необходимо произвести следующий выбор параметров. К сожалению, все параметры нельзя оптимизировать одновременно и чем дальше идет процесс оптимизации, тем выше вероятность, что придется пойти на компромисс в отношении главного параметра.

В данном параграфе был использован материал статьи Уильяма Холла "Как правильно выбрать подходящее семейство логических ИС" (Электроника, № 3 - 4, 1992).