При разработке цифрового прибора используются модели представления цифровых схем: логическая модель; модель с временными задержками; модель с учетом электрических эффектов (или электрическая модель).
Логическая модель применима для всех цифровых схем, в которых быстродействие не принципиально.
Модель с временными задержками учитывает задержки срабатывания ЛЭ. Ее применение необходимо для схемотехнической разработки всех быстродействующих устройств и для проверки случая одновременного изменения нескольких входных сигналов.
Электрическая модель учитывает входные и выходные токи, входные и выходные сопротивления и емкости элементов. Эту модель надо применять при объединении нескольких входов и выходов, при передаче сигналов на большие расстояния и т.д.
На рисунке 1.10 на примере простейшего ЛЭ НЕ (инвертора) показаны три модели представления этого цифрового «прибора».
ЛЭ НЕ
Логическая модель
Модель с временными задержками
Электрическая модель
Рисунок 1.10 – Три модели представления цифрового устройства
Из рисунка видно, что в логической модели считается, что ЛЭ срабатывает мгновенно, любое изменение уровня входного сигнала сразу же, без всякой задержки приводит к изменению уровня выходного сигнала.
В модели с временными задержками выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного.
В электрической модели выходной сигнал не только задерживается по сравнению с входным, но и его изменение происходит не мгновенно – процесс смены уровней сигнала (фронт сигнала) имеет некоторую конечную длительность.
В начале проектирования используется логическая модель, а затем для некоторых узлов применяется модель с временными задержками или (реже) и электрическая модель.
При этом логическая модель не требует вообще никаких цифровых расчетов, для нее достаточно только знание таблиц истинности или алгоритмов функционирования микросхем.
Модель с временными задержками предполагает расчет временных задержек элементов на пути прохождения сигналов, . В результате этого расчета может выясниться, что требуется внесение изменений в схему.
Рассмотрим простейшую схему, состоящую из одинаковых ЛЭ, изображенную на рисунке 1.11.
Рисунок 1.11 – Простейшая схема, состоящая из одинаковых ЛЭ
Схема включает в себя одинаковые ЛЭ. Это означает, что они будут иметь одинаковые задержки распространения (t10зд р , t01зд р ).
При расчете временной задержки последовательно включенных логических элементов используется средняя задержка распространения сигнала ЛЭ:
τзд р ср = (t10зд р + t01зд р)/2.
Пусть простейшая схема реализована на ЛЭ К155ЛА8 (ТТЛ). Пользуясь справочной литературой, определим t10зд р ( не более 18 нс) и t01зд р (не более 60 нс).
Тогда средняя задержка распространения сигнала одного ЛЭ будет равна:
τзд р срЛЭ = (t10зд р + t01зд р)/2 = (18 нс+60 нс) /2 = 39 нс.
Рассмотрим цепочки последовательно включенных ЛЭ в схеме.
На вход 1 ЛЭ7 поступает сигнал, который формируется последовательно включенными ЛЭ1, ЛЭ2, ЛЭ4, ЛЭ6.
На вход 2 ЛЭ7 поступает сигнал, который формируется последовательно включенными ЛЭ3, ЛЭ5.
Следовательно, основную задержку в схему вносит цепочка элементов, последовательно включенных ко входу 1 ЛЭ7.
τзд р ср общ. = τзд р срЛЭ1+ τзд р срЛЭ2+ τзд р срЛЭ4+ τзд р срЛЭ6+ τзд р срЛЭ7 = 5* τзд р срЛЭ = 5*39нс = 195 нс.
Для схемы, изображенной на рисунке 1.12, основную задержку в схему будет вносить цепочка следующих ЛЭ: ЛЭ1 (НЕ), ЛЭ4 (ЛЭ И на 3 входа), ЛЭ5 (ЛЭ НЕ), ЛЭ6 (ЛЭ ИЛИ на 2 входа.
Рисунок 1.12 – Простейшая схема, состоящая из разных ЛЭ
τзд р ср общ. = τзд р срЛЭ1+ τзд р срЛЭ4+ τзд р срЛЭ5+ τзд р срЛЭ6, или
τзд р ср общ. = 2*τзд р срЛЭ1+ τзд р срЛЭ4 + τзд р срЛЭ6.
Расчеты по электрической модели могут быть различными, в том числе и довольно сложными, но в большинстве случаев они сводятся к суммированию входных и выходных токов ЛЭ.
Входной ток ЛЭ задается для неблагоприятного режима работы в пределах допустимых температур окружающей среды и напряжения питания как для уровня «0» (I0вх), так и для уровня «1» (I1вх).
Выходные токи (I0вых, I1вых) характеризуют нагрузочную способность ЛЭ.
Втекающие токи имеют положительные знаки, вытекающие – отрицательные.
Рассчитаем схему, представленную на рисунке 1.13, используя электрическую модель.
Рисунок 1.13 – Простейшая схема, состоящая из разных ЛЭ
I0выхЛЭ2 = I0вхЛЭ3 + I0вх ЛЭ4 + I0вх ЛЭ6
I1вых ЛЭ3 = I1вх ЛЭ7
В результате этих расчетов может выясниться, что требуется применение микросхем с более мощными выходами или включение дополнительных элементов.