Исследование влияния параметров элементов схемы на работу базового логического элемента 2И-НЕ ТТЛШ серии 1531

Исследование влияния параметров элементов схемы на работу базового логического элемента 2И-НЕ ТТЛШ серии 1531

Выполнил: ученик 11 класса «А» средней школы № 64 района «Кунцево»

г. Москвы Нагаенко К.А.

Научный руководитель – к.т.н., доцент кафедры РЛ-1 Галев А.В.

Москва, 2013

Содержание стр.

Введение........................................................................................................................ 3

1. Анализ схемы заданного базового логического элемента..................................... 9

1.1.Логические операции и таблица истинности.................................................... 9

1.2.Структурная схема............................................................................................ 9

1.3. Принципиальная схема.................................................................................... 10

1.4. Постановка задачи исследования базового логического элемента................ 12

2. Анализ работы базового логического элемента в статическом

и динамическом....................................................................................................... 15

2.1.Передаточная характеристика.......................................................................... 15

2.2.Временные диаграммы входного и выходного напряжений

и потребляемого схемой тока.......................................................................... 16

2.3. Определение статических параметров............................................................. 17

2.4. Определение динамических параметров......................................................... 17

3. Исследования влияния параметров пассивных элементов на статически

и динамические характеристики базового логического элемента........................ 18

3.1. Влияние изменения R1, R2, R3, R4, R12, C1 на величины s w: val=" 28" /> < /w: rPr> < m: t> 1< /m: t> < /m: r> < /m: sup> < /m: sSubSup> < /m: oMath> < /m: oMathPara> < /w: p> < w: sectPr wsp: rsidR=" 00000000" > < w: pgSz w: w=" 12240" w: h=" 15840" /> < w: pgMar w: top=" 1134" w: right=" 850" w: bottom=" 1134" w: left=" 1701" w: header=" 720" w: footer=" 720" w: gutter=" 0" /> < w: cols w: space=" 720" /> < /w: sectPr> < /w: body> < /w: wordDocument> "> , s w: val=" 28" /> < /w: rPr> < m: t> 0< /m: t> < /m: r> < /m: sup> < /m: sSubSup> < /m: oMath> < /m: oMathPara> < /w: p> < w: sectPr wsp: rsidR=" 00000000" > < w: pgSz w: w=" 12240" w: h=" 15840" /> < w: pgMar w: top=" 1134" w: right=" 850" w: bottom=" 1134" w: left=" 1701" w: header=" 720" w: footer=" 720" w: gutter=" 0" /> < w: cols w: space=" 720" /> < /w: sectPr> < /w: body> < /w: wordDocument> "> и ........... 18

3.2. Влияние изменения R1, R2.R3, R4, R12, C1 на величины , .......... 27

3.3. Влияние изменения R1, R2, R3, R4, R12, C1 на величины ......... 36

3.4.Анализ результатов и выбор оптимальных величин для R1, R2, R3, R4, R12, C1 45

Заключение................................................................................................................... 49

Список использованных источников........................................................................... 50

Введение

Цифровая техника играет большую роль в современном мире. Она проникла во все сферы человеческой деятельности и широко используется в повседневной жизни (электронные часы, мобильные телефоны, персональные компьютеры, микроволновые печи, медицинские приборы и т.д.). Цифровая техника относится к наиболее динамично развивающейся сфере и во многом определяет общий технический прогресс в мире. Цифровые устройства (в том числе и логические) служат основой для построения микропроцессоров, микропроцессорных систем, компьютеров и других устройств. Необычайно динамичное развитие цифровой техники вызывает устойчивую потребность к её познанию со стороны не только специалистов в области электроники, но и широкого круга людей и других профессий.

Цифровые устройства строятся на основе интегральных микросхем[5, 6].

Интегральная микросхема (ИМС)- это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставки, эксплуатации рассматриваются как единое целое.

Элемент интегральной микросхемы - часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора), которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.

Компонент интегральной микросхемы - часть интегральной микросхемы, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент является частью гибридной микросхемы.

В зависимости от вида входного сигнала микросхемы бывают цифровые и аналоговые.

Аналоговые ИМС – предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Цифровые ИМС – предназначены для преобразования и обработки дискретных сигналов в двоичном или другом цифровом коде.

Среди цифровых ИМС большой класс составляют логические элементы, предназначенные для логического преобразования информации, представляемой в виде двоичных чисел. Переменные величины и функции от них могут принимать значения «0» и «1» и соответственно называться логическими переменными и логическими функциями. Логические элементы реализуют логические функции (операции) и подразделяются на:

– элементы, реализующие операцию логического умножения – конъюнкцию (конъюнкторы, элементы И, схемы совпадения);

– элементы, реализующие операцию логического сложения – дизъюнкцию (дизъюнкторы, элементы ИЛИ, схемы сборки);

– элементы, реализующие операцию логического отрицания – инверсию (инверторы, элементы НЕ);

– элементы, реализующие универсальные функции – универсальные элементы, элемент И-НЕ (элемент Шеффера), элемент ИЛИ-НЕ (элемент Пирса).

Логические микросхемы развивались в следующей последовательности:

· резистивно-транзисторная логика (РТЛ),

· диодно-транзисторная логика (ДТЛ),

· транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ),

· эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ),

· транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ),

· интегрально-инжекционная логика (И²Л).

Перечисленные выше логические микросхемы выполнены на базе биполярных транзисторов. Наряду с ними широкое распространение получили логические микросхемы на МОП - структурах (на транзисторах p- и n-типов с обогащенным каналом, КМОП - схемы на дополняющих транзисторах). Наиболее широкое распространение в современной аппаратуре, работающей до 100 –120 МГц, получили серии микросхем ТТЛШ и схемы на КМОП-структурах, так как они отличаются более высоким уровнем интеграции и обладают большим функциональным разнообразием.

В устройствах, работающих на частотах один и более гигагерц, используются ИМС на основе арсенид – галлиевых полевых транзисторов с управляющим затвором Шоттки.

Существуют различные характеристики ИМС, определяющие их работоспособность и снимаемые по определённой методике. Характеристики ИМС делятся на статические и динамические [6].

Статические характеристики ИМС:

Передаточная характеристика – зависимость выходного напряжения U_ВЫХ от входного напряжения U_BX, т.е. U_BЫХ= f(U_BX).

Характеристика снимается для одного из входов, а остальные входы подключаются к цепи, в которой действуют уровни напряжения U¹ или U⁰ при заданном количестве нагрузок К_раз на выходе элемента. По этой характеристике определяются уровни напряжения U¹, U⁰, напряжение логического перепада , и др.

Входная характеристика ИМС- зависимость входного тока I_ВХ от входного напряжения U_BX, т. е. I_BX= f(U_BX).

Характеристика снимается для одного из входов ИМС, а остальные входы подключаются к цепи, в которой действуют напряжения уровня или при заданном количестве нагрузок Краз на выходе элемента. По этой характеристике определяют входные ток логического нуля и единицы при уровнях напряжения и соответственно.

Выходная характеристика ИМС— зависимость выходного тока от выходного напряжения , т. е. .

Характеристика снимается для двух состояний элемента:

1) на выходе - уровень напряжения нуля;

2) на выходе - уровень напряжения единицы.

Для получения выходного напряжения используется внешний, регулируемый по значению и полярности напряжения источник питания. По этой характеристике определяются выходные токи логических нуля и единицы при уровнях напряжения и соответственно.

К основным статическим параметрам ИМС относятся:

-напряжение логической единицы;

-напряжение логического нуля;

-пороговое напряжение элемента - входное напряжение, малые отклонения которого в ту или другую сторону приводят к переключению элемента;

-входной ток логической единицы;

-входной ток логического нуля;

-выходной ток логической единицы;

-выходной ток логического нуля;

-логический перепад;

- напряжение помехи (наибольшее напряжение, не изменяющее работу элемента);

-входное сопротивление;

-выходное сопротивление;

- мощность, потребляемая в состоянии логического нуля;

- мощность, потребляемая в состоянии логической единицы;

- средняя потребляемая мощность;

- напряжение источника питания;

∆ t-интервал рабочих температур;

-коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность);

-коэффициент объединения по входу.

Динамические параметры ИМС (о пределение основных динамических параметров показано на рисунке 1):

-время задержки включения;

-время задержки выключения;

-время задержки распространения при включении;

-время задержки распространения при выключении;

- среднее время задержки распространения сигнала;

Рисунок 1- Временные диаграммы входного и выходного напряжений

Набор логических операций, позволяющий аналитически описать любую логическую функцию, называется функционально полным набором или логическим базисом. Такой набор составляют основные логические операции И, ИЛИ, НЕ, поэтому он является одним из логических базисов. Логические элементы, выполняющие операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, также обладают функциональной полнотой. Они называются базовыми логическими элементами (БЛЭ) и входят во многие серии ИМС.

Анализ схемы заданного БЛЭ

1.1Логические операции и таблица истинности

Данный базовый логический элемент (БЛЭ) выполняет логическую
операцию 2И-НЕ. Он имеет два входа: X1, X2 и один выход: Y1.Таблица истинности представлена в таблице 1.

Таблица.1.

Вход1	Вход2	Выход
X1	X2	Y1

Структурная схема

Структурная схема состоит из элемента 2И и инвертора. Эта схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2- Структурная схема базового логического элемента

Принципиальная схема

Принципиальная схема базового логического элемента 2И-НЕ ТТЛШ, построенная в программе схемотехнического моделирования MicroCap 9[1], приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема базового логического элемента

Схемы ТТЛШ [2, 3, 4] являются разновидностью схем ТТЛ и включают в себя диоды Шоттки. Они имеют повышенное быстродействие ввиду того, что параллельно переходам база-коллектор транзисторов включен диод Шоттки, используемый в качестве ограничивающего диода. Поскольку такой диод имеет меньшее прямое падение напряжения ( вместо 0.7 В для кремниевых у него 0.2 – 0.3 В), чем переход база-коллектор биполярного транзистора, то излишний управляющий ток базы при открывании транзистора отводится через диод, что предотвращает вхождение транзистора в режим насыщения. Поэтому в области базы не накапливаются избыточные носители заряда. Базовый элемент 2И-НЕ на транзисторах Шоттки ( в интегральном исполнении транзистор и диод Шоттки составляют единую структуру) показан на рис. 6. Поскольку в программе Micro Cap 9 [1] отсутствует транзистор Шоттки, то на данной схеме он представлен как биполярный транзистор, параллельно коллекторному переходу которого включен диод Шоттки.

Логическую операцию 2И выполняют диоды VD3 и VD5 и резистор R1. Сложный инвертор собран на транзисторах VT2 – VT6 с соответствующими диодами Шоттки VD8, VD11 – VD13. Транзистор VT3 является обычным биполярным транзистором, поскольку в процессе работы схемы он не входит в насыщение. Транзистор VT5 с диодом VD13 и резисторами R9 и R11 представляет собой корректирующую цепочку, которая сглаживает передаточную характеристику схемы при переключении схемы с логической единицы на логический ноль. В этом случае схема более устойчива к помехам в интервале входных напряжений приблизительно от 0.8 В до 1 В. Транзисторы VT2 и VT3 с диодом VD8 и резистором R4 представляют собой схему Дарлингтона, которая удваивает значение коэффициента усиления базового тока, что обеспечивает большие токи в нагрузке и повышает быстродействие элемента. Цепочка R12 и C1 представляют собой комплексную нагрузку следующего каскада. Делитель напряжения R6, R12 представляет входное напряжение следующего каскада. Источник V2 служит для запирания входа 2, резисторы R8 и R5 представляют собой внутренние сопротивления источников V1 и V3. Генератор V1 формирует трапецеидальные импульсы с периодом повторения порядка 64 нс. На транзисторе VТ1 собран дополнительный усилитель. Дополнительные диоды VD4 и VD6 емкостными токами своих переходов ускоряют процесс переключения транзистора VТ1. Коллектор транзистора VТ4 дополнительно соединен с базой транзистора VТ3 через диод VD9 и резистор R7; это способствует уменьшению времени перезарядки паразитных емкостей нагрузки.

Работает схема следующим образом[2]. При поступлении на оба входа сигналов высокого уровня (U¹_вх) входные диоды VD3 и VD5 закрываются. Ток от источника V3 протекает через резистор R1, поступает в базу транзистора VТ1 и открывает его. Ток его эмиттера создает на резисторе R10 падение напряжения, которое открывает фазоинверсный каскад на VТ4. Далее открывается транзистор VТ5, и падением напряжения на резисторе R9 и VТ5 открывается транзистор VТ6. Транзисторы VТ2 и VТ3 (составной транзистор) закрываются, т.к. потенциал коллектора VТ4 уменьшается и, соответственно, падение напряжения на R3 увеличивается. В результате на выходе схемы устанавливается напряжение низкого уровня(U⁰_вых).

При появлении на одном из входов (например, на входе 1) сигнала низкого уровня (U⁰_вх) открывается диод VD3 и через него потечет ток I⁰_вх. Транзисторы VТ1, VТ4 и VТ6 закроются, так как потенциал базы VТ1 резко упадет и падение напряжения на R10 и VТ5 близко к 0. Транзисторы VТ2 и VТ3 откроются, так как потенциал коллектора VТ4 и падение напряжения на R7 возрастут. На выходе схемы установится напряжение высокого уровня (U¹_вых). Для защиты входов от выбросов напряжения отрицательной полярности в структуру схемы встроены диоды VD1 и VD2. В данной схеме все транзисторы, кроме VТ3, имеют фиксирующие диоды Шоттки. В качестве VТ3 используется обычный транзистор, так как на его коллекторном переходе всегда сохраняется обратное смещение, то есть он не входит в насыщение.

Потенциалы в узлах схемы показаны на рисунке 4.

Передаточная характеристика

На рисунке 7 – изображена передаточная характеристика базового логического элемента, полученная с помощью программы схемотехнического моделирования Micro Cap9.

Рисунок 7 – Передаточная характеристика логического элемента 2И-НЕ

На рисунке 7 показаны следующие параметры:

-логический перепад;

-значение выходного напряжения логического нуля;

-значение выходного напряжения логической единицы;

-напряжения порогов переключения.

Заключение

В работе проанализировано функционирование конкретного базового элемента И-НЕ серии 1531 с помощью программы схемотехнического моделирования Micro Cap 9. Предложены оптимальные значения величин входящих в этот элемент резисторов с точки зрения минимальной средней потребляемой мощности и максимального быстродействия. Полученные результаты могут быть полезны при проектировании интегральных микросхем, а также при анализе принципиальных схем радиоэлектронных устройств.