Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Исследование эмиттерно-связанного логического (ЭСЛ) элемента

Введение

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

Теоретические сведения.

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

высокое быстродействие, время задержки на вентиль составляет 0,5.2,0 нс;

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 исполнения, так как обеспечение необходимого режима работы транзисторов определяется воспроизводством величины отношения сопротивления резисторов;

сравнительно малая величина логического перепада (0,4.0,8 В);

используется источник питания отрицательной полярности;

сравнительно высокий уровень рассеиваемой мощности.

Типовой вариант электрической схемы ЭСЛ - элемента (рис.1) состоит из токового ключа (транзисторы TI, Т2, ТЗ) 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.

эмиттерный логический связанный элемент

Принцип работы и передаточная характеристика токового ключа

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

Исходное состояние U_вх = U_on. Очевидно, что токи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 равны, 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 RI и R2.

Для цепи U_вх, р-п-переходов база-эмиттер TI, T2 и U_on составим уравнение Кирхгофа по второму правилу:

U_вх - U_БЭ1 = U_оп - U_БЭ2, (1)

которое дает соотношение

dU_вх = - dU_БЭ2 + dU_БЭ1 (2)

Увеличение входного напряжения. Из (2) следует, что положительному приращению U_вх соответствует прирост напряжения на р-п-переходе база-эмиттер транзистора TI U_БЭ1 и уменьшение U_БЭ2. В результате ток эмиттера транзистора TI увеличивается, а транзистора Т2 уменьшается.

Уменьшение входного напряжения вызовет противоположное изменение токов эмиттера транзисторов, т.е. I_Э1 уменьшится, a I_Э2 увеличится.

Аналогично токам эмиттеров изменяются и токи коллекторов соответствующих транзисторов. В результате увеличение входного напряжения приводит к уменьшению потенциала коллектора транзистора Т1 U_K1 и 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_on, и сопротивление резисторов RI, R2, R5 выбраны так, что для определенного интервала изменения входного напряжения минимальное значение потенциала коллектора любого из транзисторов TI 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_ДЭ1+ I_ДЭ2, 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_ДЭ2. 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_ДЭ следует заменить на I_R5. Полученное новое значение U_БЭ используется для уточненного расчета тока I_R5 по (7) или (8). Согласно модели (рис.2,6), токи коллекторов транзисторов ТI и Т2 соответственно определяются как:

(9)

а потенциалы коллекторов транзисторов TI 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_оп весь 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 весь ток резистора R5 (8) переключается в транзистор TI 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 ? 0,2 В, то экспонента в знаменателе соотношения (11) пренебрежимо мала. Поэтому совместно с (8) из (11) получим

Тангенс угла наклона ц (рис.3,6)

Биссектриса ОЕ (рис.3, а) является геометрическим местом точек равенства напряжений U_К1 и U_вх. Следовательно, в точке В передаточной характеристики для транзистора TI U_{вх В} = U_К1В, что означает равенство нулю напряжения на его р-n-переходе база-коллектор. Дальнейшее увеличение напряжения U_вх приведет 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 0,8 В. На участке BD передаточной характеристики транзистор T1 работает в насыщенном режиме. Так как высокое быстродействие 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 U¹_К1 = 0, что больше напряжения U_вхВ.

Введение в схему эмиттерных повторителей (транзисторы Т4, Т5 на рис.1) позволяет понизить логические уровни до величин, удовлетворяющих условиям U¹_вх, U⁰_вых U_вхB.

Передаточная характеристика ЭСЛ-элемента

Приведенный на рис.2, а токовый ключ реализует по коллектоpy транзистора T1 логическую функцию инвертирования, а по коллектору Т2 - повторения. 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 = U¹_К1, U_K2 =U⁰_К, а когда U_вх > U_on, то U_К1 = U⁰_К1, U_К2 = U¹_К. Будем считать, что на вход в первом случае подавался логический уровень нуля U/д, а втором - логический уровень U⁰_вх, а во втором - логический уровень единицы U¹_вх. Их значения должны удовлетворять условиям

U⁰_вх ⁽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:

Табл.1. Таблица истинности логической функции, реализуемой схемой рис.4.

X1	X2	F1	F2
0	0	I	0
I	0	0	I
0	I	0	I
I	I	0	I

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) формируется логическая функция ИЛИ-НЕ, а на коллекторе транзистора ТЗ - 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_ДЭ1 + I_ДЭ3, (16)

где I_{ДЭ1 -} ток диода эмиттера любого из n₁ входных транзисторов, a I_{ДЭ3 -} 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 U⁰_К. Для предотвращения насыщения транзисторов токового ключа всегда обеспечивается U⁰_К > U_оп. С другой стороны, обычно и U_оп > 0.5U_ИП, где U_ИП = - 5,2. - 3 В. 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 U⁰_вх, либо единицы U¹_вх, которые с напряжением опорного источника связаны соотношением

. (24)

Обычно U_{л вх} = U¹_вх - U⁰_вх ? 0,4 В. Поэтому легко подсчитать, что если

U_вх ⁼ U⁰_вх то (22) и (23) примут вид:

(25), (26), (27).

Если U_вх ⁼ U¹_вх^, 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_вхmax - U_Kmin 0.

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

U_вхmax = U¹_вых = - U_БЭ.

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

U_Kmin - U_л. U_БЭ

Окончательно получим, что для ЭСЛ - элемента (рис.1) должно выполняться U_л U_БЭ

Входная характеристика ЭСЛ-элемента

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

I_Б = (1-б_N) I_ДЭ1. (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.3,6 показана входная характеристика, где можно выделить четыре области:

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

II область - входные транзисторы и ТЗ работают в нормально-активном режиме;

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

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

Из четырех областей ВАХ только первых 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

I_Б4 = (1-б_N) I_Э4 (36)

и ток коллектора транзистора ТЗ

I_К3 = б_NI⁰_R5. (37)

Когда транзистор ТЗ открыт = I, а когда закрыт, то = 0. Ток I⁰_R5 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 > 0 соотношения (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 U_вх ⁼ U⁰_вх^, = 1, а если U_вх ⁼ U¹_вх, = 0. Для первого выхода, наоборот, если U_вх ⁼ U⁰_вх^, = 0, а если U_вх ⁼ U¹_вх, то = 1.

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 резистор R5, а средняя мощность

(40)

где I⁰_R5 и I¹_R5берутся из (7) и (8). Средняя мощность, потребляемая переключателем тока, может быть выражена через логический перепад U_л. Когда U_вх = U⁰_вх^, ток переключателя тока протекает через резистор R2 и равен величине

I_R2 = U_л/R2. (41)

Когда U_вх ⁼ U¹_вх, ток переключателя тока протекает через резистор RI и равен величине

I_R1 = U_л/R1. (3.42)

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 ТI-T3 считалась равной величине I_БU_ИП, а не I_Б U¹_вх или I_Б U_оп. 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 U_вых1 = U¹_вых, то U_вых2 = U⁰_вых, 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

Р_ср = Р_ПТср + Р_{ЭПср. (}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.

Первоначально проводится расчет опорного напряжения. Далее, используя значения р_ЭПср и U_on, рассчитывается сопротивления резисторов R3 и R4. Соотношения для определения р_птср, I⁰_R5 и I¹_R5 позволяют найти величину сопротивления резистора R5. В заключение через логический перепад рассчитываются номиналы резисторов RI и R2 (соотношение 31).

При расчете токов I⁰_R5 и I¹_R5 первоначально используется напряжение U_БЭ = 0,7В, которое затем необходимо уточнить по формуле (3), и расчет токов I⁰_R5, I¹_R5 повторить с уточненным значением напряжения U_БЭ. 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. Все характеристики снимаются для номинального (см. табл.2) и увеличенного на 10% напряжения источника питания.

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). Изменения, связанные с увеличением U_ИП, показать пунктиром на основных графиках.

Таблица 3. Форма представления параметров ЭСЛ - элемента

Номер бригады	U0	U1	Uп	U0пз	U1пз

Контрольные вопросы.

1. Как выглядят входная, выходная и передаточная характеристики ЭСЛ-элемента?

2. В каких режимах работают транзисторы ЭСЛ - элемента (рис.1) на различных участках ее входной характеристики?

3. Почему Т4, R3 и Т5, R4 (рис.1) называют эмиттерными повторителями?

4. Обеспечивают ли эмиттерные повторители в ЭСЛ - элементе усиление по напряжению?

5. В каких режимах работают транзисторы Т4 и Т5 ЭСЛ-элемента (рис.1) на различных участках выходной характеристики?

6. Если на одном из входов ЭСЛ-элемента (рис.1) напряжение равно опорному, а сопротивление RI = R2, то равны ли напряжения на базах транзисторов Т4 и Т5? На остальных входах напряжение равно нулю.

7. Если на всех входах ЭСЛ - элемента (рис.1) напряжение равно опорному, то будут ли одинаковыми токи резисторов RI и R2? Все транзисторы в схеме одинаковые.

8. Почему для обеспечения одинаковой величины логического перепада на выходах ЭСЛ - элемента (рис.1) сопротивления резисторов RI и R2 различны?

9. Во сколько раз в ЭСЛ-элементе (рис.1) изменится ток I_R5, протекающий через резистор R5, при изменении U_вх со значения U⁰ на U^1?

10. Какое неравенство и почему должно выполняться для ЭСЛ - элемента (рис.1): R1 > R2 или R1 < R2?

11. В чем состоит необходимость введения эмиттерных повторителей в ЭСЛ-элемент?

12. Если заданы величины напряжения логических уравнений ЭСЛ-элемента, то как выбирается напряжение источника опорного напряжения?

13. Какой величиной ограничено максимальное значение логического перепада в ЭСЛ-схеме (рис.1) и почему?

14. Если к выходам ЭСЛ-элемента (рис.1) подключить входы таких

же элементов, то возникает ли выходной ток (ток нагрузки)? Какое он имеет направление для U¹_вых и U⁰_вых?

15. Уменьшение напряжения какого логического уровня U¹_вх или U⁰_вх ЭСЛ - элемента нарушает его правильное функционирование, если величины напряжения источника питания и опорного напряжение остаются неизменными?

16. Вывести формулу расчета средней мощности, потребляемой ЭСЛ-элементом (рис.1) от источника питания U_ИП.

17. Ток нагрузки какого направления для ЭСЛ-элемента (рис. I) может привести: к насыщению транзисторов TI, T2? к запиранию транзисторов Т4, Т5?

18. Как изменится передаточная характеристика ЭСЛ-элемента (рис.1), если резистор R5 заменить идеальным генератором тока, задающим ток I₀, равный по величине току, протекавшему через R5 при U_вх = U⁰?

19. Как путем введения дополнительных эмиттерных повторителей в ЭСЛ-элемент (рис.1) можно увеличить максимально допустимую величину логического перепада?

Рекомендуемая литература

1. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы. М.: "Энергоатомиздат", 1983, с.293-300.

2.Д. Линн. Анализ и расчет интегральных схем. Л ч., пер. с англ., под ред. Б.И. Ермолаева. - М.: "Мир", 1969, с.38-56.

3.С. Мурога. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем.1ч. - М.: "Мир", 1985, с.125-132.

Приложение

Варианты задания параметров по бригадам.

Параметры	Номер бригады
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
U0, В U1, В РПТ ср, мВт РЭП ср, мВт UИП, В	-1.55 0.75 6 4 5	-1.35 0.75 6 4 5	-1.15 0.75 6 4 5	-1.55 0.75 5 6 5	-1.35 0.75 5 6 5	-1.15 0.75 5 6 5	-1.55 0.75 4 8 5	-1.35 0.75 4 8 5	-1.15 0.75 4 8 5	-1.55 0.75 5 5 5	-1.35 0.75 5 5 5	-1.15 0.75 5 5 5	-1.55 0.75 4 10 5	-1.35 0.75 4 10 5

Размещено на Allbest.ru