Требования и параметры, характеризующие триггерные

Устройства

 

Триггер, как и любое другое электронное устройство, характеризуется рядом параметров и требований, предъявляемых к нему. Всю совокупность этих параметров и требований можно разбить на две группы: функциональные и схемотехнические. К функциональным будем относить те требования и параметры, которым должен удовлетворять триггер при его конкретном применении. К их числу можно отнести:

· функциональный тип триггера;

· способ записи информации в триггер;

· способ управления записью информации в триггер;

· вид переходного состояния триггера;

· число тактирующих, информационных, разрешающих и установочных входов;

· эквивалент нагрузки триггера по тактовому входу ;

· нагрузочную способность триггера по выходу ;

· быстродействие триггера;

· функциональную надежность триггера;

К схемотехническим будем относить параметры, которые являются зависимыми от схемного решения триггера при условии выполнения последним всех функциональных требований и параметров. К ним можно отнести:

- число корпусов ИМС или аппаратурные затраты (Азт);

- потребляемая мощность.

Функциональный тип триггера.

Предполагается выбор готового или разработка нового триггера, характеристическое уравнение которого должно удовлетворять необходимым требованиям по логике действия. Следует отметить, что в некоторых случаях одна и та же логическая функция может выполняться триггерами различного типа, например функцию счетного триггера (триггер Т-типа) могут выполнять триггеры , , , и других типов.

Способы записи информации в триггер.

Предполагается выбор асинхронного или тактируемого варианта триггера. При этом учитывается, в каком режиме он может работать. Например, выбирается асинхронный триггер, работающий в синхронном режиме или наоборот.

Способы управления записью информации

Предполагается выбор одного из типов триггеров  и др., который требуется по логике работы в конкретном случае.

Вид переходного состояния триггера.

Триггеры, имеющие парафазные выходы  и , при своем переключении могут кратковременно находиться либо в состоянии , либо . Длительность такого состояния, которое определяется переходными (регенеративнымиционными) процессами в триггере, весьма незначительна и зависит от его элементной базы. Однако учет такого состояния в некоторых случаях оказывается важным, особенно при проектировании схем распределителей и сдвигающих регистров.

Число установочных, информационных, синхронизирующих и разрешающих входов.

Триггер всегда выполняется с определенным числом перечисленных входов, которое определяется конкретным его применением. В общем случае триггер может содержать либо весь перечень входов, приведенный на рис. 1., либо в простейшем случае только один или два информационных входа.

При включении питания на какое-либо устройство часто требуется, чтобы все либо часть его триггеров находились в определенном состоянии. Это достигается подачей импульсных сигналов, вырабатываемых специальными схемами, на установочные виды триггера, называемые входами непосредственной установки Sd , Rd. Кроме установочных триггер может иметь разрешающие входы (см. рис. 1.), которые позволяют заносить информацию в триггер только при наличии на нём разрешающего сигнала. При отсутствии такого сигнала триггер не воспринимает входную информацию. Отсюда следует, что по логике работы разрешающие входы аналогичны тактовым входом С и, как правило, могут их заменить. (Назначение синхронизирующих и информационных входов рассмотрено раньше)

Эквивалент нагрузки триггера по тактовому входу .

Этот параметр показывает, какое число триггеров со стороны тактового входа С может быть подключено к типовому элементу без нарушения его работоспособности. Учет этого параметра особенно важен при проектировании сдвигающих регистров и пересчетных устройств. Для триггеров, выполненных на типовых ЛЭ, параметр определяется числом связей Sc тактового входа С с остальными элементами триггера.

Нагрузочная способность триггера по выходу .

В реальных устройствах выходы триггера нагружены, т.е. подключены к входам других ЛЭ. Число таких элементов (нагрузок) всегда известно и не может превышать определенного числа , называемого нагрузочной способностью триггера. Параметр  показывает какое число элементов можно подключить к выходу триггера, не вызывая отклонения выходных напряжений от установленных логических уровней. Этот параметр зависит от нагрузочной способности элементов , числа связей выхода триггера Q с остальными элементами триггера и при выполнении его на типовых ЛЭ определяется из выражения

, где  — число связей выходного плеча триггера.

Быстродействие триггера оценивается максимальной частотой следования входных сигналов , при которой триггер полностью выполняет свои функции. Максимальная частота зависит от задержек выполнения логических операций элементами триггера. В общем случае  любого триггера можно рассчитать по формуле:

 

,

 

где  — минимальная длительность сигнала (информационного или тактирующего), при которой не нарушается работа триггера;

 — минимальная длительность паузы между сигналами записи информации, обеспечивающая нормальную работу триггера.

Иногда параметр  оценивается через параметр — минимальный временной интервал между двумя переключающими импульсами или разрешающее время триггера.

Требование функциональной надежности.

Это требование предполагает схемную реализацию триггера, в котором отсутствуют опасные состязания. В логических элементах с памятью, т.е. в схемах с обратными связями, под воздействием входных сигналов могут изменить состояния сразу несколько элементов памяти. В этих случаях говорят, что в схеме существуют состязания сигналов обратных связей или просто – состязания сигналов. Если под воздействием входного сигнала схема из одного состояния может перейти в различные состояния в зависимости от задержек в элементах схемы, то в этом случае состязания называются критическими или опасными. Считается, что схема функционально надежна, если она свободна от опасных состязаний. При их наличии функциональную надежность оценивают с помощью параметра , именуемого относительной длинной состязающихся цепей. Доказано, что для некоторых видов состязаний триггер функционально надежен, если выполняется условие

 

,

 

Где ,  — число элементов в состязающихся цепях;

и  — временной разброс задержек выполнения логической операции элементами.

 

Аппаратурные затраты Азт.

Этот параметр позволяет оценить суммарные затраты по числу корпусов ИМС, пользуясь формулой

 

,

 

Где  — число корпусов ИМС i-го типа.

При определении потребляемой мощности триггера следует иметь ввиду:

а) Число логических элементов в триггере .

Этот параметр, который определяется суммарным числом ЛЭ в триггере, относится к разряду важнейших, так как позволяет оценить мощностные затраты триггера.

Учитывая, что в двоичных триггерах, как правило, число элементов, находящихся в состоянии 0, примерно равно числу элементов, находящихся в состоянии 1, и само число элементов сравнительно невелико, мощность потребляемую триггером в статическом состоянии ( ) , можно достаточно точно подсчитать по формуле

 

,

 

где  — средняя мощность, потребляемая элементом;

 мощность, потребляемая элементом в состоянии 0;

 мощность, потребляемая элементом в состоянии 1.

б) Число переключаемых за период элементов .

Учет параметра  при выборе оптимального варианта триггера необходим в том случае, когда триггер проектируется на элементах, потребляющих в момент переключения заметно большую мощность, чем в статическом состоянии. К последим можно отнести ТТЛ- и особенно КМОП- элементы.

Повышенный расход мощности в момент переключения является причиной не только увеличения средней мощности, потребляемой триггером, но и возникновения значительных импульсных помех в цепи питания. Поэтому уменьшение числа переключаемых элементов имеет важное значение для снижения как потребляемой мощности, так и уровня генерируемых помех. У традиционных, т.е. двоичных триггеров, особенно триггеров типов D, T, JK, и RS, в стадии переключения участвуют практически все элементы. Поэтому для таких триггеров параметр  можно считать примерно равным числу его элементов, т.е. . По числу переключаемых за период элементов можно определить дополнительную мощность , потребляемую триггером в динамическом режиме:

 

,

 

где  — дополнительный прирост потребляемой мощности элементом i-го типа за счет работы в динамическом режиме при переключении;

 — число переключаемых за период элементов i-го типа;

i — число типов элементов, различаемых по потребляемой мощности.

В свою очередь, мощность ,

где  - средняя динамическая мощность элемента i-го типа на рабочей частоте  (определяется из технических условий на элемент);

 - средняя статическая мощность элемента i-го типа.

Из сказанного следует, что с увеличением прироста динамической мощности, которая резко увеличивается с ростом частоты, должна увеличиваться и общая, т.е. динамическая, мощность , потребляемая триггером. В итоге с учетом параметра  полная или динамическая мощность триггера будет определяться из выражения

 

.

 

Итак, потребляемая мощность и аппаратурные затраты являются характеристиками на основе которых проводится сравнение и выбор схемного решения триггера при условии выполнения им функциональных требований.

Триггер можно характеризовать и рядом дополнительных параметров, к которым можно отнести, например, число связей . Этот параметр характеризуется суммарными числом связей, которые необходимо выполнить между элементами, входящими в триггере:

 

,

 

где  - число элементов i-го типа, различных по числу входов;

 - число задействованных входов элемента i-го типа.

Таким образом, схемотехнические параметры являются именно теми параметрами, на основе которых производится выбор оптимального варианта триггера применительно к конкретному устройству.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.

3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.

4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.

5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.

6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.