бой в большинстве случаев типичное значение, которое можно ожидать у большого числа идентичных схем. Однако действительная мощность у отдельных схем может значительно отличаться от этого значения, что обусловлено как разбросом параметров элементов схемы, так и отличающимися друг от друга рабочими условиями различных частей системы.

Большое влияние на величину мощности оказывает разброс значении сопротивлений, особенно в монолитных интегральных схемах. В этих схемах все сопротивления создаются одновременно, в одном производственном процессе, лоэтому они имеют одинаковые характеристики и их значения сдвинуты всегда .в одном направлении. Так как производственные допуски составляют ±20%, то значения всех сопротивлений схемы могут иметь нижний допуск - 20%. Б этом случае мощность увеличится больше чем на 20% по цравнению с номинальным значением. Сопротивление монолитных интегральных резисторов зависит от температуры и имеет наименьшее значение примерно при -f 25°С.

На величину потребляемой мощности, кроме того, оказывает влияние и изменение напряжения f/e.e между эмиттером и базой транзисторов. Напряжение f/e.B является функцией токов базы и коллектора и изменяется в зави-симости от температуры, влияет на величину тока, протекающего через резистор, включенный последовательно с базой транзистора. С ростом температуры напряжение fe.e падает. В диапазоне токов базы от 1 мкА до 1 мА температурный коэффициент равен й(7б.э/Л=2,2-н2,3 мВ/°С, при токе базы 1 мА -примерно 1,5 мВ/°С, а при больших токах, около 5 мА, - примерно 1,3 мВ/°С.

Следующим параметром транзистора, оказывающим влияние на потребляемую мощность, является напряжение IJk.s.b на выходе транзистора в насыщен-иом состоянии. С ростом температуры это напряжение увеличивается почти линейно.

Очень важны изменения напряжения питания Е. Мощность возрастает пропорционально квадрату напряжения Е, поэтому увеличение напряжения питания приводит к сравнительно большему увеличению мощности.

При одновременном воздействии всех представленных факторов в направ-.лении увеличения потребляемой мощности, значение ее может оказаться значительно выше паспортного. Для обеспечения достаточного запаса на практике целесообразно учитывать максимальную потребляемую мощность.

Все представленные выводы справедливы только для достаточно малых скоростей переключения. С увеличением частоты начинает оказывать влияние лрежде всего емкостная нагрузка выхода схемы. Дополнительный ток, необходимый для заряда нагрузочного конденсатора на выходе, поступает с клеммы лапряжения питания Е схемы и увеличивает потребляемую мощность. Если считать, что заряд нагрузочного конденсатора происходит в течение времени

током максимальной амплитуды 1м (имеет линейный характер), то при частоте повторения / дополнительная мощность будет

APisEIutfl2. (1.25)

Она растет с ростом нагрузочной емкости и частоты переключения. При разряде напрузочных конденсаторов возникают также дополнительные токи, которые имеют направление в схему, т. е. увеличивают мощность потерь. В схемах с активным выходом (см. рис. 1.8) потребляется дополнительная мощность. Из-за различных задержек оба выходных транзистора в определенных отрезках времени переключения f- й t" некоторое время находятся в проводящем состоянии, и от клеммы напряжения питания Е через оба транзистора на землю проходят сравнительно большие переходные токи, в результате чего при больших частотах переключения увеличивается не только потребляемая мощность, но и мощность пот€рь /Схемы.

При высоких частотах переключения дополнительная потребляемая мощность ДР может быть в несколько раз больше, чем заданная потребляемая мощность Рср соответствующих схем. В этом случае быстродействие цифровой системы является очень важным параметром, который имеет принципиальное значение при определении общей потребляемой мощности соответствующей схемы и ее мощности потерь.

Под влиянием мощности, обеспечиваемой источником наоряжения питания, в схеме возникает тепло, которое должно быть отведено, чтобы температура переходов полупроводниковых элементов была в заданном диапазоне. Поэтому часто понятия потребляемой мощности и мощности потерь употребляются в одном значении. Для обеспечения надежных температурных рабочих условий оешающее значение имеет максимальная мощность потерь, зависящая от теплового сопротивления корпуса схемы. Разница между паспортным значением мощности (Потерь и максимальной потребляемой мощностью представляет запас схемы по мощности.

У кремниевых транзистаров обычно задается максимальная температура перехода -fl75°C. Для монолитных интегральных схем чаще всего указывается маисимальная температура кремниевой пластинки -f 150°С. Максимальную температуру окружающей среды Гс макс, при которой обеспечивается надежная работа схемы, определяет уравнение:

смаке ~ пл.макс пл.сп (1-26)

где пп.макс-допустимая температура кремниевой пластины, "С; 9пл.о -тепловое сопротивление между кремниевой пластинкой и окружающей средой корпуса, °С/мВт; Рп - мощность потерь, мВт. У интегральных схем с обычным корпусом мощность потерь 100 мВт вызовет увеличение температуры t°nn на 15-20°С по сравнению с /с, и при максимально допустимой температуре с.макс=-1-1125°С при Рп=100 мВт температура пластины Гпл = -1-Л40н-145°С меньше /пл.мако=--150С.

Тепловые характеристики цифровых схем и особенно интегральных схем с небольшими мощностями - порядка десятков мВт - в большинстве случаев не указываются, так как при соблюдении предписанных диапазонов рабочих условий даже в самом тяжелом случае не может быть превышена температура

пл.макс-

1.9. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура оказывает влияние почти на все параметры цифровых схем и прежде всего на величину максимально допустимой мощности потерь, а значит, на нагрузку выхода и, кроме того, на величину допустимых пределов помех и задержку сигнала. О связи между мощностью потерь и температурой говорилось в предыдущем параграфе.

Данные, относящиеся к допустимым пределам помех, зависят прямо или косвенно от величины порогового напряжения схемы. В схемах типов РТЛ, ДТЛ, ТТЛ величина порогового напряжения определена главным образом напряжением на переходах полупроводниковых элементов в проводящем направлении. Примеры схем были приведены на рис. 1.28с-е. Напряжение на переходах падает с ростом температуры, а значит, уменьшается и величина порогового напряжения схемы. Одновременные изменения уровней Н и В, однако, отличаются от изменений порогового напряжения, и результатом является уменьшение допустимых пределов помех на обоих концах заданного температурного диапазона. Наиболее тяжелые из соображений искажения уровня Н условия имеют место при самой .высокой температуре, для уровня В - при самой низкой температуре. Если предел напряжения помех и его температурная зависимость являются с позиций работоспособности системы критическими параметрами, то более выгодно использовать схемы, в которых увеличение порогового напряжения достигается последовательным включением перехода со смещением в запирающем направлении либо в проводящем направлении.

Типичные примеры таких схем были представлены на рис. 1.285, е, где опорный диод представляет переход со смещением в запирающем направлении, а подключенный переход эмиттер-база имеет смещение в проводящем направлении. Схема отличается очень малой температурной зависимостью и особенно эффективна в интегральном исполнении, в котором оба перехода могут быть расположены близко друг от друга. В этом случае результирующий температурный коэффициент переходов, включенных последовательно, приблизительно равен нулю. Представленное решение позволяет увеличить пороговое

напряжение, которое при этом почти не меняется с температурой. Результатом являются также мииимальные изменения допустимых пределов помех в заданном температурном диапазоне.

Большое значение имеет также влияние температуры на задержку сигнала, особенно в схемах, где используются насыщенные транзисторы. Значительные затруднения может вызвать разница задержек сигналов в совместно работающих частях системы, находящихся в условиях с существенно различными температурами окружающей среды.

Цифровые схемы на дискретных элементах или выполненные на основе гибридной интегральной технологии рассчитываются на диапазон рабочих температур от -20 до -1-80° С.

Наиболее распространенные монолитные интегральные схемы обычно рассчитываются для двух диапазонов рабочих температур - от О до +7Ъ°С и от -55 до -f 125Х.

1.10. НАДЕЖНОСТЬ

Основные принципы

Под надежностью подразумевается вероятность правильной работы системы или любого элемента в данное время и при данных условиях. Элементом обычно считается любой функциональный блок, например элементарная деталь, цепь, более сложные функциональные узлы на уровне подсистемы и т. п.

Наиболее часто используемой ха1рактеристикой надежности является интенсивность отказов X. Типичная зависимость интенсивности отказов от времени изображена на рис. 1.32. В начале рабочего периода / интенсивность отка-

Рис. 1.32. Типичный вид зависимости интенсивности отказов от времени

ЗОБ рассматриваемого числа элементов большая. Этот период относительно невелик, и имеющиеся в это время нарушения работоспособности связаны прежде всего с ошибками в расчетах, производстве или с недостаточным контролем. По мере их устранения интенсивность отказов уменьшается, достигая определенного, почти постоянного в области значения. Здесь преобладают отказы, вызванные полным выходом из строя эле.ментов; это совершенно случайные нерегулярные и неожиданные отказы. В области UI интенсивность отказов опять возрастает, что связано со старением и износом элементов. С точки зрения времени использования элементов или системы на практике наиболее важной областью является область П. Используемое обычно математическое выражение надежности в этой области исходит из простой модели повреждаемости, которую характеризуют три основные величины: время, плотность отка--зов и интенсивность отказов. Плотность отказов выражается числом отказов в единицу времени для общего числа элементов. Интенсивность отказов представ-Ляет отношение числа отказов в единицу времени к оставшемуся числу элементов в произвольный момент времени, т. е. вероятность того, что после правильной работы элемента, имевшей место до определенного момента, в следующий промежуток времени будет иметь место его повреждение. Предпола-