Лабораторная работа № 2

ИССледоВАние ЭМИттеРНО-СВЯЗАНноГО ЛОГИЧЕСКОГО (ЭСЛ) элемента

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

Теоретические сведения

Введение

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

- высокое быстродействие, время задержки на вентиль состав­ляет 0,5… 2,0нс;

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

- сравнительно малая величина логического перепада (0,4...0,8В);

- используется источник питания отрицательной полярности;

- сравнительно высокий уровень рассеиваемой мощности.

Типовой вариант электрической схемы ЭСЛ-элемента (рис.1) состоит из токового ключа (транзисторы T1, Т2, Т3) 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.

Принцип работы и передаточная характеристика токового ключа.

Рассмотрим работу простейшего токового ключа (рис. 2,а), в котором используются одинаковые транзисторы, R1 = R2, напряжение опорного источника питания , а U_ИП = –5В.

Исходное состояние U_вх = U_oп. 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 R1 и R2.

Для цепи U_вх, р-п-переходов база-эмиттер T1, T2 и U_oп соста­вим уравнение Кирхгофа по второму правилу:

(1)

которое дает соотношение

(2)

Увеличение входного напряжения. Из (2) следует, что положительному приращению U_вх соответствует прирост напряжения на р-п-переходе база-эмиттер транзистора T1 U_БЭ1 и уменьшение U_БЭ2. В ре­зультате ток эмиттера транзистора T1 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_oп, и сопротивление резисторов R1, R2, R5 выбраны так, что для определенного интервала изменения входного напряжения минимальное значение потенциала коллектора любого из транзисто­ров T1 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_ЭД1 + I_ЭД2, 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_ЭД2. 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_ЭД 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,б), токи коллекторов транзисторов Т1 и Т2 соответственно определяются как:

(9)

а потенциалы коллекторов транзисторов T1 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 T1 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 ≥ 0,2В, то экспонента в знаменателе соотношения (11) пренебрежимо мала. Поэтому совместно с (8) из (11) получим

Тангенс угла наклона φ (рис. 3,б)

Биссектриса 0Е (рис.3,а) является геометрическим местом точек равенства напряжений U_К1 и U_вх. Следовательно, в точке В передаточной характеристики для транзистора T1 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 0,8В. На участке BD передаточной характеристики транзистор T1 работает в насыщенном режиме. Так как высокое быстро-действие 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 , что больше напряжения U_вхВ.

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