ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ НА ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ ТОКА С ЭМИТТЕРНОй СВЯЗЬЮ (ЭСЛ)

Цель работы - исследование передаточных, входных и выходных характеристик ЭСЛ-элементов, определение поме­хоустойчивости, размаха логического сигнала, условии совместимости элементов.

 

Отличительной. особенностью логических схем на переключателях тока с эмиттерной связью является их высокое быстродействие, обусловленное тем, что транзисторы работают в активном режиме, т. е. их работа в режиме глубокого насыщения и отсечки исключается. Изучаемая схема показана на рис. 6.1.

 

Рис. 6.1. Электрическая схема элемента ЭСЛ

 

В ее основе лежит пере­ключатель тока на транзисторах VT1 и VT2, имеющий конфигурацию параллельно–балансного каскада. Резистор R_Э играет роль источника тока. Выходные сигналы снимаются с эмиттерных повторителей на транзисторах V3 и V4, что обеспечивает быструю перезарядку емкости нагрузки.

Для обеспечения работы транзистора VT1 и VT2 в активном режиме выбирают два уровня напряжения, один из ко­торых выше фиксированного потенциала U_Б0 и является уровнем U ¹, а второй ниже величины U_Б0и соответствует U ⁰. Если на входы А, В и С подано низкое напряжение (U ⁰), то транзисторы VT1 закрыты, а транзистор VT2 – открыт. Для. транзистора VT1 напряжение на коллекторе приблизительно равно Е_К, и потенциал на левом выходе будет высоким. Если на вход А, или В, или С будет подан высокий потенциал U ¹, то один из транзисторов группы VT1 открывается, потенциал коллектора станет низким, и на левом выходе возникнет низкий уровень напряжения. Следовательно, по левому выходу схема выполняет функцию «ИЛИ-НЕ». Состояние транзистора VT2 всегда противоположно состоянию VT1. Если VTl открыт, то VT2 - закрыт, и наоборот. Поэтому по правому выходу схема реализует функцию «ИЛИ». Эмиттерные повторители VT3 и VT4 со сдвигом на величину U*передают потенциалы с коллекторов транзисторов VT1 и VT2 на выход схемы. Транзисторы VT3 и VT4 всегда работают в активном режиме и, обладая низким выходным сопротивлением, обеспечивают быструю перезарядку емкости нагрузки. Это способствует высокому быстродействию схемы.

Рассмотрим передаточную и входную характеристики схемы (рис. 6.2) и выведем основные количественные соотношения, характеризующие ее работу. При анализе будем считать транзисторы идеально одинаковыми, а напряжение между эмиттером и базой открытого транзистора не зависящим от тока эмиттера и равным U* » 0, 7В. Характеристики схемы можно разделить на четыре участка (от I до IV), на каждом из которых транзисторы VT1 и VT2 находятся в определенном режиме. Из группы входных транзисторов VT1 будем рассматривать лишь один, считая остальные закрытыми (на их входах приложен низкий потенциал).

При низком входном напряжении (U_{ВХ l}, участок I ) транзистор VTl закрыт. Его входной ток I_ВХ @ 0, а напряжение коллектора U_К1=E_К-I_Б3R_Кl @ Е_К.Уровень напряжения на левом выходе (U_{ВЫХ l}) при этом соответствует уровню U ¹ и равен

U ¹ = E_К - U*, (6.1).

где U*- падение напряжения на эмиттерном переходе открытого транзистора VT3.

На этом же участке I транзистор VT2 открыт. В его эмиттepной цепи протекает ток

I₀= (U_Б0 - U*) / R_Э , (6.2)

Рис.6.2. Входные и передаточные характеристики ЭСЛ

 

а напряжение на его коллекторе равно U_К2= E_К - I₀R_К2 a₂(током I_Б4 пренебрегаем). Напряжение на правом выходе (U_ВЫХ2) соответствует логическому “0”

 

U_ВЫХ2 = E_К - I₀ R_К2 a₂- U* = U ⁰. (6.3)

 

На участке IIс ростом входного напряжения транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается, благодаря связи через общее эмиттерное сопротивление R_Э. Входной ток I_ВХ1 растет. Напряжение на левом выходе падает, а на правом – увеличивается.

При U_ВХl = U_Б0 оба транзистора имеют равные токи. При этом их эмиттерные токи равны I_Э1= I_Э2 = I₀ / 2. Соответственно, входной ток I_BX1=
= (1– a) I₀ / 2.. Наклон входной характеристики при U_ВХl = U_Б0 определяется входным сопротивлением схемы, которое нетрудно оценить. Действительно, считая r_Э = j_Т/I_Э1 = j_Т/2I₀и полагая r_Э< < R_Э(сопротивлением базы транзистора пренебрежем), получим

r_ВХ1 = 2 r_Э (b + 1) = 4 j_Т (b + 1) / I₀. (6.4)

Для типичных значений I₀= 10^-3 А и (b + 1) = 50 получим: – r_ВХ1 = 5·10³ Ом.

На участке III транзистор VT2 закрыт и напряжение на правом выходе U_ВЫХ2= U ¹ . С ростом U_ВХl транзистор VT1 продолжает открываться. Однако это открывание медленное, благодаря наличию сильной отрицательной обратной связи, создаваемой сопротивлением Rэ. Входной ток

.

I_ВХ1= (U _ВХ1- U*) /[Rэ (b + 1)] (6.5)

 

линейно нарастает, а выходное напряжение линейно падает:

 

U_ВЫХ1 = E_К - U* - [(U _ВХ1- U*) a R_К1] / R_Э. ( 6.6)

 

На участке IVтранзистор VT1 попадает в насыщение. Здесь наблюдается сильный рост входного тока. Выходное напряжение растет так же, как растет входное, поскольку в режиме насыщения на открытых р-n- переходах напряже­ние изменяется мало. Участок IV при работе схемы не используется.

Рассмотрим условие совместимости ЭСЛ- элементов. Уровни низкого и высокого выходных напряжений не могут быть произвольными: Они должны быть строго равны уровням логических 1 и 0, принятым во всей системе, и должны быть выбраны таким образом, чтобы подача их на вход схемы обеспечивала появление на выходах точно таких же уровней напряжения. Выходное напряжение рассматриваемой схемы является входным напряжением для точно такой же последующей схемы. Очевидно, что условием сов­местимости является соотношение, при котором транзисторы VT1 и VT2 открыты одинаково, а именно:

U_{ВЫХ СР}= U_Б0 = 0, 5 (U ¹ + U ⁰). (6.7)

 

В этом случае отклонение выходного напряжения от своего среднего значения будет приводить к открыванию одного из транзисторов и закрыванию другого. Графически это проявляется в том, что прямая, соединяющая точку пересечения выходных характеристик с началом координат, наклонена к осям под углом 45⁰ (рис. 6.2). Графическим путем удобно определить и рабочие точки схемы, выражающие ее состояние. Эти точки можно найти по пересечению передаточных характеристик с вертикальными прямыми U_ВХ = U ⁰и U_ВХ= U ¹. Графическая картина характеристик с найденными рабочими точками позволяет оценить помехоустойчивость схемы.

Определим размах логического сигнала DU = U ¹ – U ⁰. В основу положим условие отсутствия насыщения транзистора U_КБ ³ 0. Анализ показывает, что прежде всего в насыщение может войти транзистор VT1. При подаче на вход VT1 напряжения U_ВХ1 = U ¹ на левом выходе появится напряжение U_ВЫХ1 = U ⁰, а потенциал коллектора VT1 станет равным U ⁰+ U*. Напряжение на коллекторном р-n- переходе транзистора VT1

 

U_КБ = U_К – U_Б = (U ⁰+ U*) - U ¹= U*-DU. (6.8)

 

Из условия: U_КБ ³ 0получим

DU £ . U* .(6.9)

Таким образом, во избежание насыщения размах логического сигнала DU в схеме не может превосходить величины U*, что составляет 0, 6-0, 9 В.
В целях сохранения и без того небольшого значения перепада напряжения на практике стремятся к равенству DU = U*.

Проведенное рассмотрение условий совместимости и размаха логического сигнала позволяет построить передаточные характеристики (рис. 6.2) с учетом найденных соотношений между напряжениями в схеме. Как следует из рис.6.2, аналитическая связь между основными напряжениями в схеме имеет вид

 

U ¹ = E_К - U*, U ⁰ = E_К - 2U*, U_{Б 0} = E_К – 1, 5U*, DU = U*. (6.10)

 

Выходные характеристики (рис. 6.3) представляют собой две ветви, соответствующие низкому U_К⁰ и высокому U_К¹ напряжению на коллекторе транзистора VT1 или VT2. При напряжении выше напряжения логических 0 и 1 эти ветви сливаются в одну прямую с наклоном, определяемым сопротивлением R_ЭП, , поскольку транзистор эмиттерного повторителя закрыт. При низком напряжении транзистор открывается и выходной ток уменьшается.

В соответствии с рис. 6.3, а выходной ток

 

I_ВЫХ¢ = I_{R ЭП} – I_Э = E_Г¢ ¤ R_ЭП – I_Э0 [ exp ( (U_К - E_Г¢ ) ¤ j_Т ) –1], (6.11)

 

где I_Э0- ток насыщения (тепловой ток) эмиттерного перехода; U_К - потенциал коллектора транзистора VT2 (или VTl), поданный на базу транзистора эмиттерного повторителя VT4 (или VT3). U_К равно U ^l, или U ⁰.

Соотношение (6.11) описывает кривые на рис. 6.3, б. Выходное сопротивление найдем, дифференцируя функцию (6.11),

 

d I_ВЫХ¢ /d E_Г¢ = 1/ r_ВЫХ = 1/R_ЭП + I_Э0 [ exp ( (U_К - E_Г¢ ) ¤ j_Т ) –1] /j_Т @

 

@ 1/R_ЭП + I_Э /j_Т = 1/R_ЭП + 1/ r_Э . (6.12)

 

а)	б)
Рис. 6.3: а– схема входных цепей; б– выходные характеристики ЭСЛ- схемы

 

Таким образом, выходное сопротивление схемы r_ВЫХ = R_ЭПú ú r_Эзависит от тока эмиттерного повторителя. Для типичных значений тока I_Э= 1mА получаем r_ВЫХ @ j_Т / I_Э =25 0м, что примерно на два порядка меньше типичных значении входного сопротивления. схемы. В связи с этим логические схемы на переключателях тока имеют высокую нагрузочную способность.

 

Адание

В ходе домашней подготовки к выполнению работы нужно ознакомиться с принципами работы схемы и особенностями режимов по постоянному току переключателей тока, а также транзисторных ключей в усилителях мощности, понять назначение всех элементов схем и их влияние на основные эксплуатационные характеристики ЭСЛ.

 

Контрольные вопросы

1. Какую логическую функцию выполняет схема ЭСЛ в положительной логике, в отрицательной логике?

2. Каково назначение резистора R_Э?

3. Какой потенциал U_Б0 необходим для обеспечения нормальной работы схемы при E_К = 5В, какой при этом ожидается размах логического сигнала?

4. Для указанных в схеме номиналах резисторов, транзисторов, E_К начертите ожидаемые входные, передаточные и выходные характеристики данной схемы.

5. Как повлияет увеличение (уменьшение) величины U_Б0 на входные, передаточные и выходные характеристики схемы?

6. Какими факторами определяется высокое быстродействие ЭСЛ?

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. Ранняя философия древнегреческого Востока и Запада
2. I. Составить схему транспортной классификации грузов.
3. V . СЛОВАРЬ ВИКТИМОЛОГИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ
4. XI. Топологии интегральных микросхем
5. А-общий вид; б-принципиальная схема; 1-неоновая лампа; 2- шунтирующее сопротивление; 3-добавочное сопротивление; 4-корпус.
6. Аварии на химико-технологических объектах: характеристика разрушительного воздействия, типовая модель развития аварии, поражающие факторы.
7. АВТОМАТИЗАЦИЯ Технологических ПРОЦЕССОВ и производств
8. Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)
9. Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) 190631 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта
10. Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)»
11. Автоматизация технологических процессов и производств», 230100.62 «Информатика и вычислительная техника»
12. Автоматическая схема переключения шин.