Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им.Н.Э. Баумана)

Факультет РТ

Кафедра РЛ1 «Радиоэлектронные системы и устройства»

Нучно-образовательное соревнование «Шаг в будущее, Москва»

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 , 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 илипри заданном количестве нагрузок Краз на выходе элемента. По этой характеристике определяют входные ток логического нуляи единицыпри уровнях напряженияисоответственно.

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 нуляи единицыпри уровнях напряженияисоответственно.

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 (определение 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.