Cборник_ЛР

15. Что такое коэффициент разветвления по выходу, нагрузочная способ-

ность?

16. Из каких блоков состоит ПНСХ и каково их назначение?

17. Составить схему подключения исследуемого образца к ПНСХ для на-

блюдения вольт-амперной характеристики.

18. Составить схему подключения исследуемого образца к ПНСХ для на-

блюдения передаточной характеристики.

19. Как определить масштаб характеристики по оси Х осциллографа при использовании ПНСХ?

20. Как определить масштаб характеристики по оси Y осциллографа по то-

ку и напряжению при использовании ПНСХ?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. Лаборатория знаний. М.

Бином 2009.

2.Шишина Л.Ю. Основные устройства цифровой микросхемотехники.

Часть 1. Учебное пособие. Москва 2013, РИО МИЭТ.

33

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИТТЕРНО-СВЯЗАННОГО ЛОГИЧЕСКОГО (ЭСЛ) ЭЛЕМЕНТА

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

Теоретические сведения Введение

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

- высокое быстродействие, время задержки на вентиль составляет 0,2… 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 исполнении, так как обеспечение необходимого режима работы транзисторов определяется воспроизводством величины отношения сопротивлений 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.2.1) состоит из переключателя тока (транзисторы T1, Т2, Т3) и двух эмиттерных повторителей (транзисторы Т4, Т5). Логическая функция, реализуемая ЭСЛ-элементом, в

34

данной схеме формируется токовым ключом, а эмиттерные повторители вы-

полняют вспомогательную функцию согласования логических уровней и уве-

личения нагрузочной способности.

Uвх2

UИП

&

Принцип работы и передаточная характеристика токового ключа.

Рассмотрим работу простейшего токового ключа (рис.2.2,а), в котором ис-

пользуются одинаковые транзисторы, R1 = R2, напряжение опорного источника питания Uоп (U1 U 0 ) / 2 , а UИП = –5В.

Исходное состояние Uвх = Uoп. Очевидно, что токи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 равны, т.е. IЭ1 = IЭ2 = 0,5IR5, где

I R5 Uоп UБЭ UИП R5.

В цепи коллекторов обоих транзисторов потекут также одинаковые токи,

которые создадут равные падения напряжения на резисторах R1 и R2.

35

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

Увеличение входного напряжения. Из (2.2) следует, что положительному приращению Uвх соответствует прирост напряжения на р-п-переходе база-

эмиттер транзистора T1 UБЭ1 и уменьшение UБЭ2. В результате ток эмиттера транзистора T1 увеличивается, а транзистора Т2 уменьшается.

Уменьшение входного напряжения вызовет противоположное изменение

токов эмиттера транзисторов, т.е. IЭ1 уменьшится, a IЭ2 увеличится.

Аналогично токам эмиттеров изменяются и токи коллекторов соответст-

вующих транзисторов. В результате увеличение входного напряжения приво-

дит к уменьшению потенциала коллектора транзистора Т1 UК1 и росту потен-

циала коллектора Т2 UК2. При уменьшении входного напряжения наоборот

UК1 увеличивается, а UК2 уменьшается.

Предположим, что напряжение источника питания UИП, опорное напряже-

ние Uoп, и сопротивление резисторов R1, R2, R5 выбраны так, что для опреде-

ленного интервала изменения входного напряжения минимальное значение потенциала коллектора любого из транзисторов T1 или Т2 будет больше мак-

симального потенциала их баз. В этом случае транзисторы будут работать в нормально-активном режиме, а схема токового ключа (рис.2.2,а) может быть представлена эквивалентной схемой (рис.2.2,б). Проведем анализ этой схемы

36

соотношение (2.1) и то, что IR5 = IЭД1 + IЭД2, получаем зависимость [1, 2]

В реальном диапазоне изменения Uвх вторым слагаемым по сравнению с первым в (2.4) можно пренебречь. Аналогичным образом выражается и ток

IЭД2. В результате имеем:

При расчете тока IR5 по (2.7) и (2.8) напряжение UБЭ следует считать из-

вестным и приблизительно равным величине 0,75В. Вычислив для соответст-

вующего значения Uвх ток IR5, напряжение UБЭ необходимо уточнить, исполь-

зуя (2.3), где ток IЭД следует заменить на IR5. Полученное новое значение UБЭ

используется для уточненного расчета тока IR5 по (2.7) или (2.8).

Согласно модели (рис.2.2,б), токи коллекторов транзисторов Т1 и Т2 соот-

ветственно определяются как:

а потенциалы коллекторов транзисторов T1 и Т2

38

Используя (2.5), (2.6) и (2.10) получим выражение передаточной характе-

ристики токового ключа в виде

На рис.2.3,а представлено графическое изображение зависимостей (2.11), (2.12), построенных с учетом (2.7) и (2.8).

Таким образом когда Uвх < Uоп весь ток резистора R5 (2.7) протекает через транзистор Т2. На его коллекторе потенциал имеет отрицательное значение -

уровень логического нуля. На коллекторе транзистора T1 потенциал равен ну-

лю - уровень логической единицы, т.к. ток коллектора T1 отсутствует.

Для напряжения Uвх > Uоп весь ток резистора R5 (2.8) переключается в транзистор T1 и потенциал его коллектора принимает значение уровня логи-

ческого нуля. На коллекторе транзистора Т2 напряжение повышается до вели-

чины уровня логической единицы.

С ростом Uвх потенциал коллектора T1 постепенно понижается (участок

АВ на рис.2.3,а), что обусловлено ростом тока резистора R5 при увеличении

Uвх (2.8).

Определим тангенс угла наклона на участке АВ передаточной характери-

стики (рис.2.3,а). Если Uвх – Uоп ≥ 0,2 В, то экспонента в знаменателе соотно-

шения (2.11) пренебрежимо мала. Поэтому совместно с (2.8) из (2.11) получим

U К1 N RR15 Uвх U БЭ U ИП .

Тангенс угла наклона φ (рис.2.3,б)

tg dU К1 N R1 . dUвх R5

39

Uвх 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 на-

пряжения между базой и коллектором T1 будет сохраняться практически по-

стоянной и равной приблизительно 0,8 В. На участке BD передаточной харак-

теристики транзистор T1 работает в насыщенном режиме. Так как высокое быстродействие токового ключа может быть достигнуто только благодаря не-

насыщенному режиму работы транзисторов, то напряжение на входе токового ключа не должно превышать величины UвхВ. Опорное напряжение на базе транзистора Т2 также ограничено по величине значением уровня логического нуля на его коллекторе. Из этого следует, что коллекторы транзисторов токо-

вого ключа (рис.2.2,а) не могут служить выходом и подключаться к входу та-

кой же схемы, поскольку уровень логической единицы на коллекторе UК1 1 0 ,

что больше напряжения UвхВ.

Введение в схему эмиттерных повторителей (транзисторы Т4, Т5 на рис.2.1) позволяет понизить логические уровни до величин, удовлетворяющих условиям Uвх1 , Uвых0 UвхB .

Передаточная характеристика ЭСЛ-элемента.

Приведенный на рис.2.2,а токовый ключ реализует по коллектоpy транзи-

стора T1 логическую функцию инвертирования, а по коллектору Т2 - повто-

рения. Если в эту схему ввести еще хотя бы один транзистор, а его коллектор и эмиттер подключить соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора

T1, то логическая функция нового ключа изменится.

Как следует из рис.2.3, а когда Uвх < Uоп, то UК1 = UК1 , UК2 = UК0 , а когда

Uвх > Uon, то UК1 = UК0 , UК2 = UК1 . Будем считать, что на вход в первом случае

41

подавался уровень логического нуля Uвх0 , а во втором - уровень логической

единицы Uвх1 . Их значения должны удовлетворять условиям

Так как работа транзисторов T1 и Т2 в схеме (рис.2.4) каждого в отдельно-

сти и обоих вместе аналогична работе транзистора Т1 в схеме (рис.2.2,а), то для токового ключа (рис.2.4) таблица истинности выглядит следующим обра-

зом:

Таблица 2.1

Таблица истинности логической функции, реализуемой схемой рис.2.4

Где Х1 и Х2 - булевое представление входных, а F1 и F2 - выходных ло-

гических уровней. На основании таблицы получим, что

т. е. на коллекторе входных транзисторов схемы (рис.2.4) формируется логи-

ческая функция ИЛИ-НЕ, а на коллекторе транзистора Т3 - ИЛИ. Отметим,

что количество входных транзисторов ограничивается требованием быстро-

действия ЭСЛ-элемента. В реальных условиях эксплуатации ЭСЛ-элемента одновременно на нескольких его независимых входах напряжение может уве-

личиваться или уменьшаться. Представляет интерес вопрос о том, как сказы-

42