Опорный конспект по дисциплине «Схемотехника» (стр. 2 )

При низком напряжении на входе, равном логическому

нулю V0, из схемы вытекает входной ток I0вх, величина которого определяется выражением

I­­­­0вх = (En-Vвх-Uбэ1)/R1, где Еп - напряжение источника питания, U6эх- падение напряже­ния на участке база - эмиттер транзистора VT1.

Это обусловливает низкий потенциал базы транзистора VT3, вследствие чего он будет закрыт. Соответственно отпирается транзистор VT3 и запирается транзистор VT4. На выходе схемы образуется логическая единица, уровень которой определяется выражением

U'=En-Ik3,R4 - Uкэ3 -Ud,

где 1к3- коллекторный ток транзистора VT3; Uкэ3- падение на­пряжения на участке коллектор-эмиттер открытого транзистора VТЗ; Ud) - падение напряжения на открытом диоде.

Рис. 14. Временные характеристики элемента 2И-HE

Значение U в большей степени зависит от величины тока Ik3, который является выходным током схемы I1, вытекающим в нагрузку. Его значение можно вычислить по формуле

I1=(En-Uкэз -∆Ud)/(RH +R4).

Ток , потребляемый схемой от источника питания в со­стоянии логической единицы, имеет небольшое значение. Он пред­ставляет собой сумму токов, протекающих через транзисторы VТ1 и VТ3 , и определяется выражением

=(En-V°-Uбз1)/R1 +Iбз +Iкз

(Iбз - базовый ток открытого транзистора VТ3 ). Цепь прохождения

тока питания включает цепи прохождения входного и выходного тока, поэтому можно записать

Последние формулы для эквивалентны, так как первое слагае­мое в первой формуле и есть , а второе и третье слагаемые - .

При высоком напряжении на входе, равном логической еди­нице V1, транзистор VТ1, работающий в инверсном режиме, пе­реключает направление тока из эмиттерной цепи в коллекторную.

Входной ток Iвх втекает при этом в схему, что приводит к откры­тию транзисторов VT2, VT4 и закрытию транзистора VТ3 вслед­ствие уменьшения потенциала его базы. На выходе схемы образу­ется логический нуль, уровень которого определяется напряжением

коллектор-эмиттер открытого транзистора VT4, то есть U0 — Uкэ4.. Выходной ток схемы I0 представляет собой ток, втекающий из внешней цепи, определяемый выражением

,

где Rвых4 - выходное сопротивление открытого транзистора VT4.

Ток , потребляемый от источника питания в состоянии логического нуля, немногим больше и определяется в основном коллекторным током открытого транзистора VT2..

Рассмотрим процессы перехода фрагмента из одного сос­тояния в другое. Они сильно влияют на величины токов и напря­жений, фронты сигналов, приводят к появлению выбросов на ха­рактеристиках и помех в цепях питания. Форма характеристик при переключениях определяется инерционностью переходов транзи­сторов из одного состояния в другое и связана с изменением на­пряжения на барьерных емкостях переходов, емкостях, шунти­рующих базу и коллекторную цепь (монтажные емкости), а также необходимостью перераспределения неосновных носителей заря­дов в объемах транзисторов.

Включение. При возрастании входного напряжения (уча­сток АВ, рис. 14а) входной ток будет линейно уменьшаться до по­рога переключения фрагмента Vср (участок АВ, рис. 15). В порого­вой точке В входной характеристики (рис. 15) ток, протекающий

Рис. 15. Входная характеристика элемента 2И-HЕ

через резистор R1, переключается из эмиттерной цепи в коллек­торную цепь транзистора VТ1 и базу транзистора VT2 . В резуль­тате входной ток резко падает (участок АВ на рис. 146 и участок ВС на рис. 15). При превышении входным напряжением порога срабатывания Vср входной ток изменяет свое направление и пред­ставляет собой ток инверсного включения, включающий и ток утечки закрытого транзистора VТ1.

Одновременно с увеличением значения V происходит уве­личение напряжения на базе транзистора VТ1, за которым "следит" напряжение на базе транзистора VТ2. Его повышение вызывает коллекторный ток через транзистор VT2, что обусловливает повышение потенциала базы транзистора VT4 и снижение потенциа­ла базы транзистора VТ3. С момента открывания транзистора VТ4 начинается формирование фронта выходного сигнала U(t) (точка А, рис.14в). Длительность его в основном определяется по­стоянной времени выходной цепи, образованной выходной емко­стью и сопротивлением нагрузки.

Выходной ток I(t) но отношению к предыдущему сос­тоянию изменяет свое направление, вследствие чего образуется выброс (участок АВС, рис.14г). При отпирании транзистора VТ4 сопротивление R3 шунтируется небольшим входным сопротивле­нием транзистора VТ4, что снижает потенциал его базы и приво­дит к уменьшению выходного тока (участок ВС, рис. 14г) до ус­тановившегося значения I0. Экстремальная точка В на pиc. l4г со­ответствует по времени моменту отпирания транзистора VТ4. Ток I(t) состоит из двух составляющих - коллекторного тока транзи­стора VТ4, обусловленного в основном сопротивлением нагрузки, неизменного во времени Iк4 = En /Rн, и тока разряда конденсатора

Cн (с учетом выходной емкости транзистора VТ4) через транзи­стор VТ4. Максимальное значение его в точке В (рис.14г) равно , где Rвых4 - выходное сопротивление открытого

транзистора VТ4. Длительность участка спада коллекторного тока (участок ВС, рис.14г) с достаточной точностью определяется вы­ражением .

Выключение. При выключении фрагмента, пока входное напряжение не снизится до порога срабатывания Vср, никаких изменений токов и напряжений в цепях VТ3 и VТ4 не происходит. Изменяется лишь входной ток (участок ГК, рис. 146), но эти из­менения весьма малы и их практически можно не учитывать. С достижением порога срабатывания входной ток резко изменяет свое направление и величину. Он состоит из двух направляющих - тока утечки и инверсного тока. Действуют также факторы пере­зарядки входной емкости и рассасывания накопленных зарядов в базе транзистора VТ1. Поэтому на участке КЕЖ (рис. 146) вход­ной ток не только возрастает, но и появляется выброс (точка Е).

По достижении порога срабатывания начинается форми­рование фронта выходного сигнала U(t) (участок СД, рис. 14в), длительность фронта которого определяется постоянной времени цепи заряда емкости нагрузки и выходной емкости фрагмента и временем рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе транзистора VT4. При действии указанных факторов в вы­ходном токе появляется выброс (участок ДЕМ, pиc. l4г), ток при этом вытекает из схемы. Максимальное его значение (точка Е, рис. 14г) можно вычислить по формуле

,

где Rвых3 - выходное сопротивление открытого транзистора VТ3, Rд - сопротивление открытого диода.

Выбросы тока питания при переключении. Во время вы­ключения фрагмента отпирание транзистора VТ3 происходит раньше запирания транзистора VT4 (рис. 13), что вызывает вы­брос потребляемого от источника питания тока (участок СДЕ, pиc. l4д), протекающего вплоть до момента выключения транзи­стора VT4. В процессе выключения фрагмента ток питания растет (участок СД, рис. 14д) и превышает ток питания во включенном состоянии . Как только транзистор VT2 выключается и напря­жение на его коллекторе начинает нарастать, включается транзи­стор VТ3, через который начинает протекать ток заряда емкости нагрузки. Точка Д соответствует моменту отпирания транзистора VТ3. По мере заряда емкости ток через транзистор VТ3 уменьша­ется и в конце концов достигает значения, соответствующего по­требляемому току в выключенном состоянии .

Во время включения элемента (участок AВ) также воз­можен выброс тока питания (участок АВС) из-за наличия емко­сти в коллекторной цепи транзистора VT2. Обычно емкость мала, поэтому в нормальных условиях этот выброс имеет незначитель­ную амплитуду и может не моделироваться.

Из анализа физических процессов в фрагменте следует, что представленные на pиc.14 временные характеристики зависят от многих факторов, что затрудняет задачу анализа. Поэтому любое уменьшение числа характеристик и их упрощение, сохраняю­щее адекватность описания, является очень важным.

Рассмотрим фрагмент схемы (рис. 16). Для простоты в элементах нагрузки изображена только входная часть. Выходной ток i - го элемента можно вычислить по формуле

, (7)

где N — количество элементов в схеме; ni - количество нагрузок i -го элемента; Iвхj - входной ток j - й нагрузки. Для логического нуля на выходе, например, можно записать,

, (8)

Рис. 16. Пример взаимного влияния входов

где mj - коэффициент объединения по входу j-й нагрузки; Кj -количество проводящих входов j-ой нагрузки; - ну­левой входной ток j- й нагрузки при условии, что Кj = 1.

С учетом (8) формулу (7) можно переписать в виде

Очевидно, что реализация формулы (9), являющейся след­ствием взаимного влияния входов - трудоемкая задача. Необхо­димо знать состояние всех элементов схемы, связанных с анализи­руемой. Например, для состояния схемы на рис. 16, выходной ток i-го элемента равен 19/2∙I0вх, а для состояния, показанного в скобках - 4/3∙Iвx1 (считается, что входные характеристики всех элементов идентичны).

В интегральных элементах проводят ток лишь входы с ми­нимальным или максимальным входным напряжением, в зависи­мости от выполняемой логической функции. Рассмотрим вход­ную цепь ТТЛ элемента (рис. 17).

Пусть проводящими являются все три входа с одинаковым напряжением V. Тогда можем записать, что ток но каждому из входов определяется выражением

I1,2,3=(En-Uд-V)/(R+R1/3),

где Rx - выходное сопротивление элемента. Если же проводящим является только один вход, например первый, то имеем

Рис. 17. Входная часть ТТЛ элемента

I1=(En - Uд - V)/(R + R1).

Обычно в ТТЛ схемах R1 имеет значение порядка десятков Ом, а R1 - несколько КОм. Поэтому можно записать, что

I1,2,3=I1

Таким образом, можно рассматривать только один входной сигнал. Токи непроводящих входов Iвхj (mj – kj) обычно малы, оп­ределяются токами обратно смещенных р-п переходов и учиты­вают влияние межэмиттерного транзисторного эффекта и режима инверсного включения многоэмитгернего транзистора.

Основные электрические параметры базовых элементов. Параметры микросхем конкретной серии в основном оп­ределяются параметрами базовых элементов логики. К основным параметрам любого логического элемента относятся быстродейст­вие, потребляемая мощность, помехоустойчивость, нагрузочная способность, коэффициент объединения по входу, уровни напря­жений источника питания, логической единицы и нуля.

Быстродействие определяется динамическими параметрами цифровых микросхем, среди которых наиболее универсальным яв­ляется среднее время задержки распространения сигнала:

Зная время задержки базового элемента, можно суммирова­нием времен задержек каждого элемента рассчитать быстродейст­вие любой сложной логической схемы для всех последовательно включенных элементов. Если схема имеет цепи обратной связи, то очередной перепад входного напряжения должен начинаться не раньше, чем закончится предыдущее изменение напряжения, по­ступающего по цепи обратной связи с выхода схемы на ее вход. Эта закономерность связывает время задержки распространения с предельной рабочей частотой, которая является основным дина­мическим параметром цифровых автоматов:

Логические элементы в процессе работы находятся либо в состоянии логической 1 или 0 (статический режим), либо в режиме переключения (динамический режим). В статическом режиме мощность, потребляемая элементом от источника питания, различна в состояниях логического нуля – P0 и логической единицы – P1. Поэтому вводится понятие статической средней мощности Pcp = 0.5(P0 + Р1 ). Динамическая мощность Pд определяется на

предельной рабочей частоте и зависит от формы, длительности, амплитуды помехи, скорости переключения и статической помехо­устойчивости логического элемента. При конструировании цифро­вых устройств необходимо учитывать, что мощность, потребляемая микросхемами, увеличивается с повышением частоты сигналов.

Помехоустойчивость логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая по­мехоустойчивость определяется уровнем случайного входного на­пряжения, при котором еще не происходит ложное срабатывание микросхемы. Динамическая помехоустойчивость зависит от фор­мы, длительности и амплитуды помехи, а также от скорости пере­ключения и статической помехоустойчивости элемента.

Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу Kраз, определяет число входов аналогичных элементов,

которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без нарушения его работоспособности. Чем выше нагрузочная спо­собность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагру­зочной способности ухудшаются другие параметры: уменьшаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность. Поэтому помимо базовых элементов, имеющих необхо­димую нагрузочную способность, в состав развитых серий вклю­чают специальные элементы с повышенным коэффициентом раз­ветвления.

Коэффициент объединения по входу Коб определяет мак­симальное число входов цифровых микросхем.

3 Функциональные узлы

Полусумматор. Сложение одноразрядных двоичных чисел а и b производится в соответствии со следующей таблицей истинности:

a	b	S	C
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

Из нее имеем выражения для суммы S и переноса С: