![]() |
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ТТЛ) ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
Цель работы – изучение входных, передаточных и выходных характеристик ТТЛ-схем.
Основой кремниевых транзисторно-транзисторных логических (ТТЛ) интегральных схем (ИС) является ТТЛ-элемент, упрощенная принципиальная электрическая схема которого представлена нa рис. 5.1, а. В свою очередь, основой ТТЛ-элемента является интегральный многоэмиттерный транзистор VT1– (МЭТ), выполняющий логическую функцию «И». Каскад на транзисторе VT2 выполняет функцию ключа-инвертора, так что в целом схема ТТЛ реализует функцию «И-НЕ».
Рассмотрим работу схемы ТТЛ (рис.5.1, а). Подадим на все входы МЭТ напряжение логической единицы @ЕК, кроме одного входа – вх1, на который подадим напряжение логического нуля U 0, что обусловит прямое смещение перехода эмиттер-база транзистора. Напряжение прямосмещенного р-n-переходав диапазоне рабочих токов слабо зависит от тока. Далее напряжение такого открытого кремниевого р-n-перехода будем обозначать как U* и считать постоянной величиной, примерно равной 0, 7В. Ток входа IВХ10 МЭТ будет вытекающим (Рис.5.2, а) и равным
IВХ10= - (ЕК -UБЭ -U ВХ1) / RБ = - ( ЕК -U*-U 0) / RБ, (5.1)
где обычно для стандартных ТТЛ-схем U 0 = 0, 2 - 0, 4В. В таком режиме переходы коллектор-база МЭТи эмиттер-база VT2 будут смещены прямо, но на каждом из них прямое смещение будет меньше U*, и в цепи коллектор – база МЭТбудет протекать незначительный ток. Поскольку для МЭТ выполняется условие: ток IК1»0, а ток IЭ> 0, то МЭТ находится в насыщении (UКЭ МЭТ» 0) и низкий потенциал UВХ = U 0, практически, полностью приложен к переходу база-эмиттер VT2. Поэтому можно считать, что ток базы транзистора VT2 близок к нулю и транзистор VT2 закрыт. Реализуется высокий уровень потенциала (U 1) на выходе ТТЛ (Рис.5.2, б) UВЫХ = U 1= ЕК –IК0RК @ ЕК. (5..2)
По мере увеличния напряжения на входе “1” МЭТ входной ток (IВХ)уменьшается в соответствии с уравнением (1)и по достиженииХ ~ U* =0, 7В транзистор VT2 начинает открываться, при этом возникнет ток базы VT2, протекающий через прямо смещенный коллекторный переход транзис-тора МЭТ. Входной ток - ток эмиттера МЭТначнет существенно уменьшаться (рис.5, 2, а, линия “а ”). С этого момента потенциал базы транзистора МЭТостается почти постоянным и равным UБЭ2+UБК1»2U*. Если напряжение на входе схемы будет больше 2U*, то эмиттерный переход МЭТсместится обратно, и транзистор МЭТперейдет в инверсный активный режим работы. Входной ток будет втекающим и равным IВХ11= аI IБ2= (ЕК-2UБЭ) / RН.(5.3)
Поскольку обычно аI МЭТ < 1, то IВХ11бывает достаточно малым (линия “а ” рис.5, 2, а ). Если аI @ 1, то это приводит к существенному увеличению IВХ11 (линия “б ” рис.5, 2, а ), и как следствие, – приводит к резкому снижению нагрузочной способности ТТЛ при UВЫХ =U 1. В этом случае необходимо уменьшить аI МЭТ. Это достигается либо обеспечением необходимого профиля примеси в базе МЭТ в процессе диффузии при создании транзистора, либо путем уменьшения прямого смещения UБК МЭТ, и, следовательно, снижения инжекции данного р-n-перехода. Для этого в цепь базы МЭТ вводят дополнительное сопротивление RБ¢ и выполняют шунтирование последовательно включенных RБ¢ и p-n-перехода БК МЭТ прямо смещенным диодом VD (рис. 5.1, б). Таким образом, UБК МЭТ = U* – IБ RБ¢ < U*. Передаточная характеристики схемы ТТЛ представлены на рис. 5.2, б. При UВХ > U* транзистор VT2 из закрытого состояния переходит в активный режим, а затем в насыщение, и на выходе формируется уровень низкого потенциала U 0 = UКЭН . Выходная характеристика схемы (IВЫХ = f (EГ¢ )) (рис. 5.3, а) подобна характеристике каскада - ключа (см. лаб. раб. №1) и имеет две ветви. При UВХ =U 0транзистор VT2 закрыт, и наклон характеристики определяется сопротивлением RK.
При UВХ=U 1 транзистор VT2 насыщен и наклон выходной характеристики определяется сопротивлением растекания rкs коллектора VT2. При больших выходных токах транзистор VT2 может выйти из насыщения. В таком случае он является генератором тока и наклон выходной характеристики определяется сопротивлением RК. Данный режим не должен являться рабочим. Рассмотрим нагрузочную способность схемы. Логический элемент, как правило, нагружен на несколько (п) себе подобных элементов (рис. 5.3, б) . При этом в состоянии UВЫХ=U 1 все подключенные эмиттеры транзисторов МЭТ нагружающих схем – смещены обратно. Ток, ответвляющийся в такую нагрузку, незначителен – нагрузочная способность высокая. При состоянии UВЫХ=U 0 все подключенные эмиттеры МЭТ транзисторов нагружающих схем – смещены прямо и имеют существенный вытекающий ток.В этом случае нагрузочная способность ТТЛ определяется условием: – транзистор VT2 должен оставаться насыщенным, и в него должны втекать токи всех эмиттерных входов. Максимальное число нагрузочных схем будет определяться условием поддержания.транзистора VT2 в насыщенном состоянии
bIБ2 ³ IК2 = (EК – UКЭН)/RК + nIВХ0, (5.4) где IБ2= (EК-2U*)/RБ, , (5.5) IВХ0= (EК - U* - U 0) / R Б .(5.6)
Пренебрегая U* и U 0по сравнению с EКи используя (5.4) - (5.6), получим оценочное выражение для нагрузочной способности ТТЛ –элемента
N < b - RБ, / RК..(5.7)
Подключение нагрузок к выходу логического элемента несколько изменяет его передаточную характеристику (на рис. 5.2, б - штриховая линия): - уровень U 1практически не изменяется, однако. по мере уменьшения выходного напряжения до уровня UВЫХ =0, 7-0, 9В на характеристике возникает ступенька, связанная с появлением значительного входного тока нагрузок (эмиттеров). При этом транзистор VT2 оказывается нагруженным на низкое дифференциальное входное сопротивление ЛЭ, определяемое малым сопротивлением прямо-включенных р-п-переходов транзисторов МЭТ. По мере уменьшения выходного напряжения дифференциальное входное сопротивление ТТЛ схемы возрастает. Это вновь ведет к увеличению наклона передаточной характеристики. В целях повышения нагрузочной способности, помехоустойчивости и быстродействия ТТЛ используется вариант схемы с усилителем мощности на транзисторах V3 и V4 (рис. 5.4, а).
Если на входе схемы приложено напряжение UВХ =U 0, то транзисторы VT2 и V4 закрыты: Транзистор –V3 открыт, и на выходе формируется уровень высокого потенциала
Uвых= U 1= EК –IБ3R2 –UБЭ3 – UD = EК –2U*. (5.8)
Транзистор V3, работая в качестве эмиттерного повторителя, обеспечивает малое (порядка 2гэ ) выходное сопротивление схемы в состоянии Uвых=U 1. Это позволяет уменьшить время заряда емкости нагрузки, что повышает быстродействие ТТЛ. Если на всех входах МЭТ присутствует напряжение UВХ=U 1, то транзис-торы VT2 и V4 переходят в насыщенное состояние и обеспечивают Uвых= U 0. При этом, по сравнению с упрощенной схемой, транзистор V4 имеет более глубокое насыщение и может обеспечить большой ток нагрузки, что повышает нагрузочную способность схемы в состоянии UВЫХ=U 0. Транзистор VЗ в данном случае должен быть закрытым. Для его надежного запирания в схему введен диод VD, в результате чего выполняется условие
UБЭ3 = UКБ 4 + UКЭН 2– UD » 0, 1В < U*, (5.9)
В схеме возможно состояние, когда V3 и V4 одновременно открыты. Оно реализуется в случае, когда V4 уже насыщен, а VT2 еще не вошел в насыщение. В этом случае UБЭ3 ~ 0, 7 В, что и обеспечивает открытое состояние VЗ. При этом возникает значительный сквозной ток через транзисторы VЗ и V4. Для его ограничения используется резистор R4 @ 50 – 300 Ом. Входная и передаточная и выходные характеристики модифицированных схемы представлены на рис. 5.5 а, б, в соответственно.
В отличие от простой схемы в данном случае (Рис.5.4, а), чтобы перевести транзистор V1 из насыщенного состояния в инверсное, требуется напряжение UВХ = 2U* = UБЭ2 + UБЭ4. При входном напряжении UВХ = U* транзистор VT2 открывается и переходит в область активного режима. При этом V4 еще закрыт, поскольку UБЭ4< 0, 7В, и формируется участок сравнительно медленного изменения выходного напряжения на передаточной характеристике (рис 5.5, б, сплошная линия). При достижении UВХ = 2U* транзистор V4 открывается и переходит в активную область работы, а затем в насыщение. Формируется круто падающий участок передаточной характеристики. Наличие участка с медленным спадом выходного напряжения на передаточной характеристике снижает.помехоустойчивость схемы. Для повышения помехоустойчивости вместо резистора R3 используется нелинейный элемент, состоящий из резисторов R4, R5 и транзистора V5 (рис. 5.4, б).Это приводит к тому, что только при увеличении UВХ до 2U* транзисторы VT2 и V4 одновременно открываются и переходят в насыщение. Передаточная характеристика для такой модификации показана на рис. 5.5, б штриховой линией. Данная модификация является базовой для микросхем серии К155. Выходные характеристики модифицированной схемы представлены на рис. 5.5, в. Рабочий участок, соответствующий Uвх= U 0, простирается от 2, 4 до 3, 6 В и имеет малое дифференциальное сопротивление, определяемое прямо смещенными переходами VЗ и VD. Максимальный рабочий ток достигает 10 мА. Ветвь выходной характеристики, соответствующая UВХ = U1, определяется насыщенным транзистором V4, и при UВЫХ= 0, 4В ток IВЫХ может достигать 30мА. Для повышения быстродействия в схеме вмecто обычных используются транзисторы Шоттки. Этим исключается введение транзисторов в глубокое насыщение. Такая схема носит название ТТЛШ. Особенностью ТТЛ-элемента является то, что логическая функция “И” обеспечивается многоэмиттерным транзистором, все эмиттеры которого расположены в одной базовой области (рис. 5.6). Это позволяет существенно экономить площадь, занимаемую логическим элементом на кремниевой пластине. Однако в такой конструкции возникают боковые n-р-n-транзисторные структуры, обусловленные передачей неосновных носителей
заряда между соседними эмиттерами. Боковой транзистор проявляет себя в процессе работы схемы при сочетании UЭ! =U 1, UЭ2= U 0.При этом, например, р-n-переход БЭ2 (рис. 5.6) оказывается смещенным прямо и является эмиттером бокового транзистора, а р-n-переход БЭ1 смещен обратно и выполняет функцию коллектора бокового n-р-n-транзистора. Боковой транзистор увеличивает входной ток логического элемента при UВХ = U1на величину IЭ1=a бок × IЭ2 = a бок (ЕК - UБЭ) ¤ RБ ( 5.10) Это может существенно снизить нагрузочную способность схемы при UВХ = U1. Для уменьшения эффективности бокового паразитного транзистора стремятся уменьшить a бок до малых значений путем увеличения расстояния между эмиттерами (WБОК).
Адание В ходе домашней подготовки к выполнению работы нужно ознакомиться с принципами работы изучаемых типов схем, с конструкцией и режимами работы многоэмиттерного транзистора, а также транзисторных ключей в усилителях мощности, понять назначение всех элементов схем и их влияние на основные эксплуатационные характеристики ТТЛ.
Для студентов III курса Контрольные вопросы 1. Поясните каково назначение многоэмиттерного транзистора. 2. Показать, чем определяются особенности входной характеристики 3. Оьясните, в чем суть работы усилителя мощности, какими факторами определяется нагрузочная способность ТТЛ. 4. Обьясните какими конкретно факторами определяется длительность переднего фронта и заднего фронта при передачей ТТЛ прямоугольного импульса.
В процессе выполнения работы при изучении схемы ТТЛ с усилителем мощности: 1. Исследуйте входную характеристику ТТЛ. Определите входные токи (IВХ 0, IВХ1 = f (Uвх), напряжение UВХ*, соответствующее порогу переключения ЛЭ. 2. Исследуйте передаточную и выходные характеристики схемы ТТЛ (не превышать допустимых паспортных данных по току! ). 1. Определите допустимый уровень статической помехи UП+, UП–. 3. Проведите эксперемент по исследованию быстродействия ТТЛ при работе его на емкостную нагрузку (Сн = 1000 пF).
Для студентов IVкурса Контрольные вопросы 2. Каково назначение МЭТ в схеме ТТЛ? Какой схемой можно заменить МЭТ? Укажите приемущества и недостатки. 2. Поясните, какими факторами определяется нагрузочная способность схемы простого ТТЛ. 3. Что приводит к уменьшению аI МЭТ, с чем это физически связано? 4. Почему и в каких областях напряжений введение R¢ Б и VD изменит входную характеристику МЭТ? 5. Как, используя технологические и топологические приемы, уменьшить аI МЭТ и а БОК МЭТ?
В процессе выполнения работы при изучении простейшей схемы ТТЛ: 1. Исследуйте входные характеристики схемы ТТЛ (Рис. 11.1, а, б) при включенном и выключенном диоде VD. Обратие внимание на их различия. Определите значение R.Б., аI МЭТ. 2. Исследуйте передаточные характеристики схемы для двух состояний диода VD – (включенном и выключенном). Определите напряжение переключения логических элементов, а также допустимый уровень статической помехи UП+, UП–.. 3. Исследуйте выходные характеристики логического элемента. 4. Исследуйте боковой транзистор. Определите коэффициент передачи a бок.
Библиографический список 1. Алексенко д. Г., Шагурин И. И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь. 1982, 1990.. 2. Коледов Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок –- М.: Радио и связь, 1989. 3. Николаев и Филинюк Н.А. Интегральные микросхемы и основы их проектирования – М.: Радио и связь, 1992.
Лабораторная работа № 6 Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-05-03; Просмотров: 1215; Нарушение авторского права страницы