Варианты задания параметров по бригадам

Лабораторная работа № 2

 

ИССледоВАние ЭМИттеРНО-СВЯЗАНноГО ЛОГИЧЕСКОГО (ЭСЛ) элемента

 

Цель работы: изучение принципа работы, статических характеристик и методов анализа цифровых эмиттерно-связанных логических (ЭСЛ) элементов.

Теоретические сведения

Введение

 

Область использования ЭСЛ-элементов обусловили следующие ихосновные свойства [1 - 3]:

- высокое быстродействие, время задержки на вентиль состав­ляет 0,5… 2,0нс;

- низкий уровень помех, создаваемых в цепях питания при пе­реключении;

- функциональная гибкость, ЭСЛ-элемент формирует на двух своих выходах одновременно прямую и инверсную логическую функцию;

- высокое входное и малое выходное сопротивление;

- высокая технологичность при интегральном исполнении, так как обеспечение необходимого режима работы транзисторов определяется воспроизводством величины отношения сопротивления резисторов;

 - сравнительно малая величина логического перепада (0,4...0,8В);

 - используется источник питания отрицательной полярности;

- сравнительно высокий уровень рассеиваемой мощности.

Типовой вариант электрической схемы ЭСЛ-элемента (рис.1) состоит из токового ключа (транзисторы T1, Т2, Т3) и двух эмиттерных повторителей (транзисторы Т4, Т5). Логическая функция, реализуемая ЭСЛ-элементом, в данной схеме формируется токовым ключом, а эмиттерные повторители выполняют вспомогательную функцию согласования логических уровней и увеличения нагрузочной способности.

 

 

Принцип работы и передаточная характеристика токового ключа.

 

Рассмотрим работу простейшего токового ключа (рис. 2,а), в котором используются одинаковые транзисторы, R1 = R2, напряжение опорного источника питания , а U_ИП = –5В.

Исходное состояние U_вх = U_oп. Очевидно, что токи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2равны, т.е. I_Э1 = I_Э2 = 0,5I_R5, где

В цепи коллекторов обоих транзисторов потекут также одинаковые токи, которые создадут равные падения напряжения на резис­торах R1 и R2.

Для цепи U_вх, р-п-переходов база-эмиттер T1, T2 и U_oпсоста­вим уравнение Кирхгофа по второму правилу:

                                        (1)

которое дает соотношение

                                          (2)

Увеличение входного напряжения. Из (2) следует, что положительному приращению U_вхсоответствует прирост напряжения на р-п-переходе база-эмиттер транзистора T1 U_БЭ1и уменьшение U_БЭ2. В ре­зультате ток эмиттера транзистора T1 увеличивается, а транзистора Т2 уменьшается.

Уменьшение входного напряжения вызовет противоположное изменение токов эмиттера транзисторов, т.е. I_Э1 уменьшится, a I_Э2увеличится.

Аналогично токам эмиттеров изменяются и токи коллекторов соответствующих транзисторов. В результате увеличение входного напряжения приводит к уменьшению потенциала коллектора транзистора Т1 U_K1и росту потенциала коллектора Т2 U_K2. При уменьшении входного напряжения наоборот U_K1 увеличивается, а U_K2 уменьшается.

Предположим, что напряжение источника питания U_ИП, опорное напряжение U_oп, и сопротивление резисторов R1, R2, R5 выбраны так, что для определенного интервала изменения входного напряжения минимальное значение потенциала коллектора любого из транзисто­ров T1 или Т2 будет больше максимального потенциала их баз. В этом случае транзисторы будут работать в нормально-активном ре­жиме, а схема токового ключа (рис.2,а) может быть представле­на эквивалентной схемой (рис.2,6). Проведем анализ этой схе­мы с целью получения зависимости напряжений U_K1 и U_K2 от входного напряжения, что является передаточной характеристикой данного ключа.

Используя выражение вольтамперной характеристики р-п-перехода в виде

                                                  (3)

 

соотношение (1) и то, что I_R5 = I_ЭД1 + I_ЭД2, получаем зависимость[1, 2]

                              (4)

В реальном диапазоне изменения U_вх вторым слагаемым по сравне­нию с первым в (4) можно пренебречь. Аналогичным образом выражается и ток I_ЭД2. В результате имеем:

                                                   (5), (6)

Величина тока I_R5 в (5) и (6) зависит от значения входного напряжения. Когда U_вх £ U_оп, то в (5) и (6) необходимо использовать ток

                                    (7)

а для U_вх > U_оп

                                       (8)

При расчете тока I_R5 по (7) и (8) напряжение U_БЭ следует считать известным и приблизительно равным величине 0,75В. Вы­числив для соответствующего значения U_вх ток I_R5, напряжение U_БЭ необходимо уточнить, используя (3), где ток I_ЭД следует заме­нить на I_R5. Полученное новое значение U_БЭиспользуется для уточненного расчета тока I_R5 по (7) или (8).

Согласно модели (рис.2,б), токи коллекторов транзисторов Т1 и Т2 соответственно определяются как:

                                                                 (9)

а потенциалы коллекторов транзисторов T1 и Т2

                                                            (10)

Используя (5), (6) и (10) получим выражение передаточ­ной характеристики токового ключа в виде

                                                    (11), (12)

 На рис.3,а представлено графическое изображение зависимостей (11), (12), построенных с учетом (7) и (8).

Таким образом когда U_вх < U_опвесь ток резистора R5 (7) протекает через транзистор Т2. На его коллекторе потенциал имеет отрицательное значение - логический уровень нуля. На коллекторе транзистора T1 потенциал равен нулю - логический уровень единицы, т.к. ток коллектора T1 отсутствует.

Для напряжения U_вх > U_оп весьток резистора R5 (8) переключается в транзистор T1 и потенциал его коллектора принимает значение логического уровня нуля. На коллекторе транзистора Т2 напряжение повышается до величины логического уровня единицы.

С ростом U_вх потенциал коллектора T1 постепенно понижается (участок АВ на рис.3,а), что обусловлено ростом тока резистора R5 при увеличении U_вх (8).

Определим тангенс угла наклона на участке АВ передаточной характеристики (рис.3,а). Если U_вх – U_оп ≥ 0,2В, то экспонента в знаменателе соотношения (11) пренебрежимо мала. Поэтому совместно с (8) из (11) получим

Тангенс угла наклона φ(рис. 3,б)

 

 

Биссектриса 0Е (рис.3,а) является геометрическим местом точек равенства напряжений U_К1и U_вх.Следовательно, в точке В передаточной характеристики для транзистора T1 U_{вх В} = U_К1В, что означает равенство нулю напряжения на его р-n-переходе база-коллектор. Дальнейшее увеличение напряжения U_вхприведет к положительному смещению р-n-перехода база-коллектор транзис­тора T1 и затем к его полному отпиранию. Еще большее увеличение U_вх вызовет рост напряжения коллектора транзистора T1 (участок СD). Это происходит потому, что напряжение на открытом р-n-пе­реходе изменяется мало при увеличении протекающего через него тока и поэтому разность напряжения между базой и коллектором T1 будет сохраняться практически постоянной и равной приблизительно 0,8В. На участке BD передаточной характеристики транзистор T1 работает в насыщенном режиме. Так как высокое быстро-действие токового ключа может быть достигнуто только благодаря ненасыщен­ному режиму работы транзисторов, то напряжение на входе токово­го ключа не должно превышать величины U_вхВ. Опорное напряжение на базе транзистора Т2 также ограничено по величине значением уровня логического нуля на его коллекторе. Из этого следует, что коллекторы транзисторов токового ключа (рис.2,а) не могут служить выходом и подключаться к входу такой же схемы, посколь­ку логический уровень единицы на коллекторе , что больше напряжения U_вхВ.

Введение в схему эмиттерных повторителей (транзисторы Т4, Т5 на рис.1) позволяет понизить логические уровни до вели­чин, удовлетворяющих условиям

 

Передаточная характеристика ЭСЛ-элемента.

 

Приведенный на рис.2,а токовый ключ реализует по коллектоpy транзистора T1 логическую функцию инвертирования, а по коллектору Т2 - повто-рения. Если в эту схему ввести еще хотя бы один транзистор, а его базу и эмиттер подключить соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора T1, то логическая функция нового ключа изменится.

Как следует из рис.3, а когда U_вх < U_оп, то U_К1 = , U_K2 = , а когда  U_вх > U_on, то U_К1 = , U_К2 = . Будем считать, что на вход в первом случае подавался логический уровень нуля уровень U⁰_вх, а во втором - логический уровень единицы U¹_вх. Их значения должны удовлетворять условиям

U⁰_вх < U_оп,                                                                                                (13)

U_on < U¹_вх < U_вхВ                                                (14)

Так как работа транзисторов T1 и Т2 в схеме (рис.4) каждого в отдельности и обоих вместе аналогична работе транзистора Т1 в схеме (рис. 2,а), то для токового ключа (рис.4) таблица истинности выглядит следующим образом:

Таблица 1

Таблица истинности логической функции, реализуемой схемой рис.4

X1	X2	F1	F2
0	0	1	0
1	0	0	1
0	1	0	1
1	1	0	1

 

Где Х1 и Х2 - булевое представление входных, а F1 и F2 - выходных логических уровней. На основании таблицы получим, что

                                  (15)

т. е. на коллекторе входных транзисторов схемы (рис.4) формируетсялогическая функция ИЛИ-НЕ, а на коллекторе транзистора Т3 - ИЛИ. Отметим, что количество входных транзисторов ограничивается требованием быстродействия ЭСЛ-элемента. В реальных условиях эксплуатации ЭСЛ-элемента одновременно на нескольких его независимых входах напряжение может увеличиваться или уменьшаться. Представляет интерес вопрос о том, как сказывается наличие нескольких входных транзисторов, а также эмиттерных повторителей в схеме ЭСЛ-элемента на его передаточной характеристике.

   

 

 

Предположим, что из n входных одинаковых транзисторов, на базах n₀ транзисторов сохраняется низкое напряжение, меньше чем U_on, а на n₁ входных транзисторах напряжение на базе будет изменяться от отрицательного значения, равного U_ИП,до величины U_вхВ. Для получения выражения передаточной характеристики воспользуемся соотношениями (1), (3) и тем, что теперь

I_R5 = nI_ЭД1 + I_ЭД3,                                                       (16)

где I_ЭД1 - ток диода эмиттера любого из n₁ входных транзисторов, a I_ЭД3 - ток диода эмиттера транзистора, на базу которого подается опорное напряжение. В результате получим

(17)

Так же как и в (4), вторым слагаемым в (17) можно пренебречь. Проделав аналогичные выкладки для тока I_ДЭ3, получим [2]

                                 (18)

                                   (19)

Так как через резистор R1 будет протекать ток n₁ транзисторов, т.е. , то зависимость потенциала коллекторов входных транзисторов U_K1 и транзистора ТЗ - U_K3 (рис.1), от входного напряжения примет вид:

              (20), (21)

Транзисторы T4, Т5 эмиттерных повторителей в схеме (рис.1) работают при изменении напряжения на базах в диапазоне от нуля до величины логического уровня нуля выхода токового ключа . Для предотвращения насыщения транзисторов токового ключа всегда обеспечивается  > U_оп. С другой стороны, обычно  и U_оп > 0,5U_ИП, где U_ИП = –5,2 ... –3В. Поэтому справедливо утверждать, что эмиттерный р-n-переход транзисторов Т4, Т5 всегда находится под прямым смещением, а коллекторный - под отрицательным или нулевым, т.е. они всегда работают в нормально-активном режиме. Следует также отметить, что в процессе переключения токового ключа ток эмиттеров транзисторов Т4, Т5 изменяется настолько незначительно, что их напряжение U_БЭ можно считать величиной постоянной. На основании сказанного и соотношений (20), (21) можно записать, что передаточная характеристика ЭСЛ-элемента (рис.1) выглядит следующим образом:

         (22), (23)

При работе ЭСЛ-элементов на их входы с выходов таких же ЭСЛ-элементов подается либо логический уровень нуля , либо единицы , которые с напряжением опорного источника связаны соотношением

                 .                             (24)

Обычно . Поэтому легко подсчитать, что если , то (22) и (23) примут вид:

         (25), (26), (27).

Если , то

       (28), (29), (30).

Логические уровни единицы на обоих выходах одинаковы (25) и (29). Для того чтобы были одинаковыми и логические уровни нуля потребуем выполнение условия (31)

,                                     (31)

которое получается из (26 - 28) и (30). Из соотношений (25) и (26), (28), (29) следует, что логический перепад на выходе ЭСЛ-элемента

 (32)

Ранее отмечалось, что ненасыщенный режим работы транзисторов токового ключа может быть обеспечен, если входное напряжение не превысит, а коллекторное не опустится ниже определенной величины. Данное обстоятельство ограничивает величину логического перепада. Определим ее.

Чтобы р-n-переход база-коллектор входных транзисторов не смещался в положительном направлении, необходимо обеспечить выполнение условия

U_{вх max} – U_{K min} £ 0.

На входе ЭCЛ-элемента напряжение задается таким же ЭСЛ-элементoм,т.е.

U_{вх max} = = –U_БЭ.

В свою очередь из (11), (22), (28) и (22) следует, что

U_{K min} –DU_л £ U_БЭ

Окончательно получим, что для ЭСЛ-элемента (рис.1) должно вы­пол-няться DU_л £ U_БЭ.

 

Входная характеристика ЭСЛ-элемента.

 

В области ненасыщенного режима работы транзисторов T1, T2 входную характеристику I_вх = f(U_вх) ЭСЛ-элемента (рис.1) получить несложно. Известно, что для нормально-активного режима транзистора

I_Б = (1 – α_N)I_ЭД.                                             (33)

Зависимость тока диода эмиттера входного транзистора от входного напряжения описывается соотношением (18). Так как ток базы I_Б = I_вх, то

                                (34)

где I_R5 для U_вх £ U_оп берется из (7), а для U_вх > U_оп - из (8).

На рис. 3,б показана входная характеристика, где можно выделить четыре области:

I область - входные транзисторы закрыты, а транзистор ТЗ (рис.1) работет в нормально-активном режиме;

II область - входные транзисторы и ТЗработают в нормально-активном ре-жиме;

III область - входные транзисторы работают в нормально-актив­ном режме, а ТЗ - закрыт;

IV область - входные транзисторы работают в режиме насыще­ния, ТЗ - закрыт.

Из четырех областей ВАХ только первые три описываются соотношением (34).

 

Выходная характеристика ЭСЛ-элемента.

 

Выходную характеристику можно получить для любого из выхо­дов ЭСЛ-элемента (см. рис.1). Для второго выхода (рис.5) по первому правилу Кирхгофа

                           (35)

Выходное напряжение U_вых определим, рассмотрев цепь R2 и р-n-переход база-эмиттер транзистора Т4. Через резистор R2 протекают два тока: ток базы транзистора Т4

                                             (36)

и ток коллектора транзистора ТЗ

.                                                     (37)

Когда транзистор ТЗ открыт c = 1, а когда закрыт, то c = 0. Ток  определяется по (7). В результате сумма падения напряжения на резисторе R2 и на р-n-переходе база-эмиттер транзистора T4 дает напряжение на выходе ЭСЛ-элемента

(38)

                

 

 

Для значений тока I_Э4 > 0соотношения (35), (38) представляют параметрическую запись выходной характеристики ЭСЛ-элемента, которая для I_Э4 < 0 вырождается и принимает вид

                                           (39)

Таким образом, выходная характеристика ЭСЛ-элемента по каждому из своих выходов имеет две ветви (рис. 6). Для второго выхода в состоянии  а если . Для первого выхода, наоборот, если  а если .

                

 

 

Мощность, потребляемая ЭСЛ-элементом.

 

Определим сначала мощность, которую потребляет от источника питания переключатель тока без учета мощности, потребляемой эмиттерными повторителями. Для любого состояния переключателя тока его мощность потребления определяется током, протекающим через резистор R5, а средняя мощность

                                (40)

где  и  берутся из (7) и (8).

Средняя мощность, потребляемая переключателем тока, может быть выражена через логический перепад DU_л. Когда U_вх = , ток переключателя тока протекает через резистор R2 и равен величине

.                                              (41)

Когда , ток переключателя тока протекает через резистор R1 и равен величине

.                                                (42)

С учетом (41) и (42) средняя мощность, потребляемая переключателем тока от источника питания

                          (43)

Следует отметить, что если средняя статическая мощность, потребляемая переключателем тока от источника питания, определяется по (40), то получим несколько завышенное, а если по (43) - заниженное значение. Обусловлено это тем, что в первом случае для простоты мощность, потребляемая базовыми цепями транзисторов Т1 - T3 считалась равной величине , а не  или .Во втором случае эта составляющая потребляемой мощности переключателя тока полностью не учитывалась. На основании этого можно заключить, что более точно расчет потребляемой мощности можно провести, используя соотношение (40).

Для эмиттерных повторителей характерно то, что если , то  и наоборот. Следовательно, на каждом выходе среднее значение выходного напряжения равно опорному U_on(24). В результате средняя статическая мощность, потребляемая эмиттерными повторителями, будет

                      (44)

Общая средняя статическая мощность, потребляемая ЭСЛ-элементом (рис.1) от источника питания, определится как сумма

.                                        (45)

 

 

Задание на лабораторную работу

Предварительный расчет

Основными исходными данными, необходимыми для расчета номиналов резисторов ЭСЛ-элемента (табл.1), являются:

- логические уровни на входе и выходе;

- напряжение источника питания;

- средняя статическая мощность, потребляемая переключателем тока от источника питания;

- средняя статическая мощность, потребляемая эмиттерными повторителями от источника питания.

Таблица 2

Варианты задания параметров по бригадам

Параметры	Номер бригады
	1	2	3	4	5	6	7
U0, В U1, В PПТ ср, мВт PЭП ср, мВт UИП, В	–1,55 –0,6 6 4 –5	–1,35 –0,6 6 4 –5	–1,15 –0,6 6 4 –5	–1,55 –0,6 5 6 –5	–1,35 –0,6 5 6 –5	–1,15 –0,6 5 6 –5	–1,55 –0,6 4 8 –5

 

Первоначально проводится расчет опорного напряжения. Далее, используя значения р_{ЭП ср} и U_on, рассчитывается сопротивления резисторов R3 и R4. Соотношения для определения  позволяют найти величину сопротивления резистора R5. В заключение через логический перепад рассчитываются номиналы резисторов R1 и R2 (соотношение 31).

При расчете токов  и  первоначально используется U_БЭ = 0,6В. Результатом расчета являются значения номиналов резисторов R1…R5 и U_on.

 

Экспериментальная часть

Установить на макете в соответствии с расчетом номиналы резисторов   R1 - R5 и заданные значения U_ИП и U_оп. Составить схемы измерения входной, передаточной и выходной характеристик ЭСЛ-элемента при использовании ПНСХ. Получить на экране осциллографа указанные характеристики.

 

Обработка результатов

По графикам экспериментальных статических характеристик определить измеряемые параметры ЭСЛ-элемента и представить их в форме табл.3 для двух значений напряжения источника питания. Отчет должен содержать графики зависимостей 1) I_вх = f(U_вх), 2) U_вых = f(U_вх), 3) I_вых = f(U_вых).

Таблица 3

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 305; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!