Изучение диодно-транзисторных и транзисторно-транзисторных логических схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа по теме: ИЗУЧЕНИЕ ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ДТЛ) И ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ТТЛ) ЛОГИЧЕСКИХ (ТТЛ) СХЕМ

Цель работы. Изучение принципов работы ДТЛ и ТТЛ схем, приобретение навыков аналитического расчета и экспериментального исследования их статических характеристик.

Теоретические сведения

Введение

Первые схемы диодно-транзисторной логики выпускались за несколько лет до изобретения интегральных схем. Затем с конца 50-х - начала 60-х годов их вместе с другими типами логики стали изготавливать в интегральном исполнении.

Диодно-транзисторные и транзисторно-транзисторные логические схемы являются функциональными и электрическими аналогами, которые различаются в основном конструкцией входного узла. В ДТЛ схеме входная функция "И" реализована с помощью диодов (рис. 1 а, б, в).

С учетом особенностей интегральной технологии в первой половине 60-х годов была предложена разновидность транзисторных схем, в которых на входе группу диодов заменил многоэмиттерный транзистор ТТЛ- схемы (рис.1, г,е). Это позволило существенно повысить быстродействие схемы. Использование одного источника питания (а в некоторых ДТЛ схемах применяем 3 источника), достаточно высокое быстродействие, высокая помехозащищенность, устойчивость к технологическому разбросу сделали ТТЛ ИС самыми популярными и распространенными микроэлектронными изделиями 60-х -70-х годов.

К настоящему времени ТТЛ ИМС и их разновидности с диодами Шоттки (ТТЛШ) являются самыми массовыми сериями биполярных ИС малой и средней степени интеграции. В самых распространенных маломощных вентилях ТТЛШ входная логическая функция “И” реализуется на диодах Шоттки, поэтому их можно было бы именовать ДТЛШ (рис.1,д) [1,2].

Работа базовых элементов

Все приведенные на рис.1 логические схемы реализуют функцию И-НЕ, в частности, для входов А и В на выходе имеем АВ.

Рассмотрим подробнее назначение и режимы работы элементов ДТЛ- схемы (рис. 1,а). Если на оба входа А и В подано напряжение, соответствующее логическому нулю, диоды D1 и D2 будут открыты. От источника питания UИП1 через резисторы R1, R2 и диоды D1, D2 протекает ток. В состоянии логического нуля на входе входной ток вытекает из схемы, а потенциал общего узла анодов диодов U0y можно легко найти, зная U0вх,

U0y = U0вх + UD,

где UD - падение напряжения на открытом диоде.

При этом, если на входах потенциалы различаются, то Uy определяется более низким значением Uвх. Величина U0y недостаточна для отпирания последовательной цепочки эмиттерный переход транзистора T1 - диод D3 - эмиттерный переход транзистора T2. Поэтому выходной транзистор T2 закрыт, (точнее говоря, T2 работает в нормальном активном режиме (НАР) с током эмиттера равном нулю). Через резистор R4 ток не протекает, поэтому потенциал на выходе Uвых = UИП2. Это состояние соответствует логической единице,

U1вых = UИП2. (1)

Если хотя бы на одном из входов (предположим, на входе В) повысить напряжение до величины U1вхB (UвхА = U0вхA), то диод D2 закроется, поскольку

U1вхB > U0y = U0вхA + UD.

Когда на все входы одновременно подано напряжение логической единицы U1вх, диоды D1 и D2 запираются, потому что теперь потенциал Uy ограничен сверху величиной, равной суммарному падению напряжения на прямосмещенных эмиттерных переходах транзисторов T1 и T2 и диоде D3. Это значение U1y < U1вх. Транзистор T1 за счет включения резистора R2 (рис. 1,а) работает в нормальном активном режиме (НАР) и обеспечивает усиление тока в базовой цепи транзистора T2, благодаря чему последний входит в режим насыщения. Напряжение на выходе

Uвых = UКЭн2.

Это состояние соответствует логическому нулю

U0вых = UКЭн. (2)

Резистор R4 ограничивает ток коллектора транзистора T2, предохраняя его от "сгорания", и позволяет повысить быстродействие при выключении T2. Резистор R3 необходим для ускорения выключения транзистора T2 при изменении напряжения на входе с U0вх на U1вх.

Использование в данной схеме двух источников питания не обязательно. Однако, увеличение UИП1 и уменьшение UИП2 способствуют повышению нагрузочной способности схемы. При этом минимальное допустимое значение UИП1 и UИП2 примерно равно падению напряжения на трех прямо смещенных р-n-переходах.

Сходный принцип работы характерен и для других схем данного класса (см. рис.1). Введение сложных выходных каскадов (рис.1 в, г, д) позволяет существенно увеличить нагрузочную способность. Ряд других усовершенствований касается методов повышения быстродействия, снижения рассеиваемой мощности и т.д. Чтобы представить некоторые особенности, связанные с переходом от ДТЛ- к ТТЛ-схемам, рассмотрим подробнее назначение и режимы работы элементов TТЛ-схемы со сложным выходным каскадом (рис.1, г).

Если на все входы (эмиттеры транзистора T1) одновременно или хотя бы на один из них подано напряжение U0вх, то T1 работает в режиме насыщения с током коллектора, равным нулю (ток не может втекать в базy транзистора T2). Потенциал коллектора T1

UК1 = UБ2 =U0вх + UКЭн1,

который не превышает граничного напряжения UБЭгр2, и поэтому не дает возможности "открыться" транзистору T2. Следовательно, ток через T2 практически не протекает, и он работает в нормальном активном режиме с током эмиттера IЭ2. Поскольку падение напряжения на резисторе R3 также равно нулю, транзистор T4 закрыт. a через резистор R2 протекает только ток базы T3, создавая незначительное падение напряжения на R2, которым во многих случаях можно пренебречь. Транзистор T3 работает в НАР, диод D также открыт. Это состояние соответствует логической единице на выходе схемы:

.

В том случае, когда на входы одновременно поданы потенциалы U1вх, эмиттерные переходы транзистора T1 запираются, и он переходит в инверсный активный режим (ИАР). Ток из коллектора T1 втекает в базу транзистора T2, включая последний и вводя его в насыщение. Ток, протекающий через резистор R3, повышает потенциал базы транзистора T4, отпирая его и вводя в режим насыщения. С другой стороны, коллекторный ток транзистора T2 создает большое падение напряжения на R2. За счет этого потенциал базы T3 понижается, и он закрывается. Для того, чтобы надежно запереть транзистор T3 при Uвх = U1вх, последовательно с его эмиттерным переходом включен диод D. Это состояние эквивалентно логическому нулю на выходе схемы

где UКЭн * - напряжение коллектор-эмиттер насыщения транзистора без учета падения напряжения на rK, rK - сопротивление тела коллектора (в указанном случае транзистора T4); … I0К4 - ток в цепи коллектора T4, который втекает в него (рис.1,г). Резистор R4 ограничивает ток в момент переходного процесса, когда открыты оба транзистора Т3 и Т4.

Режимы работы элементов остальных логических схем приведены в табл. 1.

Расчет токов ДТЛ схемы

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 1,а. Если на какой-либо вход подано напряжение U0вх, соответствующий диод открыт, и входной ток вытекает из схемы. В этом случае транзистор T1 закрыт.

Предположим, что диоды D1 и D2 одинаковы и открыты. Тогда по входам А и В протекают равные токи

,

а суммарный ток, протекающий через резисторы R1 и R2, равен

. (3)

Этот же ток протекает во входной цепи, если открыт только один входной диод. Через все остальные элементы схемы ток практически не протекает.

В случае, когда на все входы схемы подан логический уровень единицы U1вх, диоды D1 и D2 запираются, а транзисторы T1, Т2 и диод D3 - открываются. Во входной цепи токи практически отсутствуют. Реально, входной ток I1вх определяется током утечки обратносмещенного диода. Через резистор R1 протекает ток, равный току эмиттера T1 (IЭ = IK + IБ), через R2 - ток базы транзистора T1. Поскольку T1 работает в НАР, то IЭ = (N + 1) IБ, откуда следует, что

. (4)

Ток резистора R3 находится из условия, что падение напряжения на резисторе равно UБЭн2, то есть

.

При отсутствии или малом числе нагрузок ток через резистор R4 можно легко определить по формуле

(5)

Однако при подключении к выходу данной схемы большого числа идентичных ключей напряжение U0вых может существенно возрасти за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении тела коллектора T2 от суммарного тока нагрузочных схем (рис. 1,а).

Статические характеристики ДТЛ-схемы

Входная характеристика ДТЛ схемы изображена на рис. 2,а. Для случая, когда напряжение увеличивается на входе А, а на входе В UвхB = U1вх (рис.1,а), соотношение (3) описывает участок входной характеристики в области значений

0 UвхА Uвх.гр,

где величина Uвх.гр = UБЭгр1 + UD + UБЭгр2 - UD. При этом значении входного напряжения начинает закрываться входной диод и входной ток резко уменьшается.

Одна из ветвей выходной характеристики соответствует случаю, когда на все входы подано напряжение U1вх, другая - когда хотя бы на одном входе потенциал равен U0вх. Первая соответствует выходной ВАХ транзистора T2 на участке его работы в режиме насыщения. Вторая же (транзистор T2 в этом случае закрыт) - линейная функция с наклоном, соответствующим значению сопротивления резистора R4.

Различают передаточные характеристики нагруженной и не загруженной ДТЛ схемы. В первом случае на зависимости Uвых = f(Uвх) наблюдается характерный излом. Этот излом имеет место на участке характеристики, где транзистор T2 работает в нормальном активном режиме. Изменение наклона передаточной характеристики на изломе означает для исследуемой (нагрузочной) схемы некоторое снижение коэффициента усиления по напряжению dUвых = dUвх. Это можно объяснить следующим образом. Нормальнo-активный режим транзистора T2 характеризуется следующим равенством для токов IK = NIБ. Увеличение тока коллектора T2 за счет резкого увеличения тока нагрузки (рис. 2,а) требует соответствующего увеличения его тока базы. На этом участке входные диоды нагруженной схемы D1 и D2 еще не полностью закрылись. Поэтому увеличение тока базы T2 может быть достигнуто только за счет повышения входного напряжения и запирания диодов D1 и D2. При этом передаточная характеристика на изломе "замедляет" скорость спада как бы "сдвигается" по оси входных напряжений.

Расчет потребляемой мощности схемы

По заданному значению UИП1 и известным R1 и R2 по формуле (3) можно оценить величину суммарного входного тока . Соотношение этих резисторов важно для обеспечения насыщенного режима работы Т2 при заданной нагрузочной способности N. Номиналы всех резисторов влияют на потребляемую мощность. Рассчитаем среднюю рассеиваемую мощность, которая складывается из мощности в состояниях логического нуля Р0 и единицы P1 на выходе

. (6)

При этом

(7, 8)

Здесь токи определяются уравнениями (3) - (5).

Задание на лабораторную работу

Предварительный расчет

Исходные данные для расчета и измерений приведены в табл.2. Номер варианта соответствует номеру бригады. Используя заданные значения UИП1, UИП2, R1…R4 для ДТЛ- схемы (рис.1,а), необходимо:

определить логические уровни U0вых, U1вых по формулам (1), (2);

рассчитать входной ток I0вх и рассеиваемую мощность Р, используя выражения (3) - (8).

Экспериментальная часть

Составить схемы измерения входной, передаточной и выходных характеристик ДТЛ-элемента при использовании ПНСХ, учитывая, что диоды в схеме реализуются p-n-переходе эмиттер-база биполярного транзистора (переход коллектор-база закорочен). Получить указанные характеристики экспериментально, варьируя значения UИП1, UИП2 или R1 в соответствии с заданием (табл. 2). передаточную характеристику снимать для двух случаев: с нагрузкой и без нее.

Обработка результатов

По экспериментальным статическим характеристикам определить измеряемые параметры ДТЛ-элемента и представить их в таблице для двух вариантов исходных параметров.

Контрольные вопросы

Какую логическую функцию реализует ДТЛ схема? ТТЛ схема?

2. На какие режимы работы схемы влияет замена входных диодов на многоэмиттерный транзистор?

3. Объяснить назначение и функцию всех элементов ДТЛ схемы (рис. 1,а).

4. При каком логическом уровне на входе транзистор T1 (рис. 1,а) работает в нормальном активном режиме? в нормальном насыщенном режиме?

5. В каких режимах работают транзисторы ТТЛ схемы (рис. 1,г) при Uвх = U1вх? при Uвх = U0вх?

6. Для какой цели введен в ТТЛ-схему (рис. 1,г) диод D?

7. Будет ли работать ДТЛ- схема (рис. 1,а), если накоротко замкнуть резистор R2 (соединить базу и коллектор транзистора T1)?

8. Как изменятся: характеристики ДТЛ схемы (рис.1,а), если закоротить резистор R2?

9. Для какой цели в ДТЛ схеме (рис. 1,а) использованы два источника питания?

10. При каком логическом уровне на входе (U0вх или U1вх) ток через резистор R1 в ДТЛ схеме (рис. 1,б) больше?

11. Для какой цели шунтируют коллекторные переходы транзисторов диодами Шоттки?

12. Объясните назначение резистора R3 на схеме (рис. 1,а)

13. При каком минимальном значении напряжения питания UИП1 (при U1вх) откроется транзистор Т2?

14. Объясните назначение резистора R4 в ТТЛ-схеме, (рис. 1,г)

15. Рассчитайте величину входного тока I0вх для схемы (рис. 1,е).

16. Рассчитайте величину входного тока I1вх для схемы (рис. 1,е).

17. Какие параметры ДТЛ-схемы можно определить по ее выходным характеристикам?

18. Определить, различаются ли уровни U1вых для двух схем ДТЛ (рис. 1,а) и ТТЛ (рис. 1,е) при UИП1 = UИП2, если эти схемы не нагружены? нагружены на идентичные схемы?

19. Изменяется ли уровень U1вых ТТЛ схемы (рис.1,г), если перенести диод D из эмиттерной в базовую цепь транзистора Т3?

20. Для какой схемы больше величина тока I1вх: ДТЛ (рис.1,а) или ТТЛ (рис.1,г)?

21. За счет чего обеспечивается нормальнo-активный режим транзистора T1 (рис.1,а)?

22. Почему минимальное значение UИП1 и UИП2 ограничено величиной, примерно равной падению напряжения на трех прямосмещенных р-n-переходах?

Рекомендуемая литература

1. Анализ и расчет интегральных схем. /Пер. с англ./ под ред. Б.И. Ермолаева. - М.: Мир, 1969, т.2.

2. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы - М.: Знергоатомиздат, 1983.

3. Алексенко А.Г., Шагурин И.Н., Микросхеметехника. - М.: Радио и связь, 1982.

Приложение 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приложение 2

Таблица 1 - Режимы работы элементов ДТЛ- и ТТЛ- схем для двух логических состояний

ток схема логический уровень

Примечание. НАР - нормально-автивный режим, ИАР - инверсно-активный режим, ННР - нормальный насыщенный режим

Таблица 2 - Исходные данные для измерений и расчетов

Размещено на Allbest.ru