Процесс переключения транзистора из насыщенного состояния в запертое содержит две стадии: рассасывание избыточного заряда и формирование фронта выключения.

Рассасывание избыточного заряда проявляется внешне как задержка начала фронта выключения относительно выключающего (отрицательного) перепада входного сигнала. На стадии рассасывания транзистор остается насыщенным, концентрация заряда в базе остается выше равновесной концентрации, и оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. При этом напряжение Uбэ = U0 = 0,7 В. Поэтому при установлении запирающего входного напряжения Uвх < U0 возникает отрицательный входной ток , обусловленный наличием в базе избыточного заряда. Ток  вытекает из базы, т.к. потенциал базы выше потенциала входа. Величина этого тока:

 . ( 11 )

Отрицательный ток  означает “отсос” заряда из базы, поэтому он начинает уменьшаться, и при =стадия рассасывания заканчивается.

Анализ функции изменения заряда дает формулу для определения времени рассасывания:

, ( 12 )

в которой для схемы рис.1 ток  рассчитывается по (1), а ток  - по (11). Формула (12) получена для случая, когда отпирающий сигнал - длинный, а ток  существенно меньше тока .

Для схемы рис.2 = и рассчитывается по (7). Ток =в этой схеме замыкается далее через насыщенный транзистор Т1 и источник управляющего напряжения. Резисторов в этой цепи нет. Ток  в этом случае определяется внутренним сопротивлением насыщенных транзисторов Т2 и Т1:

 , ( 13 )

где Rг, rк1, rб2 - соответственно сопротивление источника Uвх, насыщенных транзисторов Т1 и Т2.

Если перед подачей запирающего сигнала транзистор в ключе не насыщен, то tр = 0.

Формирование фронта выключения начинается в момент времени, когда Q(t)=Qгр . Если емкостями Ск, Сн можно пренебречь, заряд в базе меняется по тому же закону, что и на предыдущей стадии рассасывания. Но величина заряда не может достигать отрицательного асимптотического значения , так как заряд неосновных носителей в базе знак изменить не может. Поэтому процесс формирования фронта выключения заканчивается, когда Q(t)=0. В таком случае при запирающих токах, существенно меньших, чем ток насыщения, можно получить:

 ( 14 )

Ток  для ключей рис.1,2 рассчитывается соответственно по формулам (11),(13).

На практике часто запирающий ток сравним с током насыщения. Физика процессов выключения в этом случае сложнее из-за усложнения формы распределения носителей в базе. При больших запирающих токах Iкн выключению соответствует так называемый режим динамической отсечки, когда и эмиттерный и колекторный переходы работают при обратном смещении, но из-за наличия некоторого остаточного заряда в базе все три тока транзистора имеют конечные зачения (не равны нулю) и спадают до нуля с постоянной времени отсечки, равной , значительно меньшей . В таком случае длительность выключения коллекторного тока составляет величину:

; ( 15 )

ток спадает очень быстро.

В то же время длительность фронта выключения напряжения при наличии емкостной нагрузки Cк (Cн >Cк) может быть существенно больше, чем длительность выключения тока, и составляет

 ( 16 )

4. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТТЛ

ТТЛ - обозначает получившую широкое распространение технологию изготовления интегральных схем (ИС) – транзисторно-транзисторную логику. Отличительной особенностью данной технологии является использование на входах ИС многоэмиттерных транзисторов.

На рис.6 показан базовый логический элемент (ЛЭ), выполненный по технологии ТТЛ и реализующий логическое преобразование И-НЕ. Базовым является тот ЛЭ, физические параметры которого наиболее полно характеризуют физические свойства большинства ИС определенной серии ЛЭ. Например, базовый элемент рис.6 характеризует свойства ИС серии SN74 фирмы Texas Instruments Inc. (TI) и отечественной 155 серии, в которых он применен. ИС серии SN74 (155) предназначены для применения в среднечастотных цифровых узлах (до 35 МГц).

Существуют модификации базового элемента ТТЛ, определяющие свойства соответствующих ИС и другую область их применения. Так, к примеру, ИС серии SN74L (134) предназначены для применения в низкочастотных узлах (до 3 МГц), а ИС серии SN74H (131) – в высокочастотных (до 50 МГц). Совершенствование ТТЛ-технологий изготовления ИС привело к созданию базового элемента ТТЛ с использованием диодов Шоттки, предотвращающих режим глубокого насыщения транзисторов – ТТЛШ.

На рис.7,а показано включение диода Шоттки в простейшем ключе. В ключе рис.7,б использован транзистор Шоттки. Прямое пороговое напряжение диодов Шоттки равно 0,3...0,4 В, поэтому в схемах рис.7 напряжение на коллекторном переходе транзистора никогда не достигает значений, при которых он смещен в прямом направлении. Поэтому транзистор с диодом Шоттки не попадает в режим насыщения. Базовые элементы ТТЛШ используются, к примеру, в интегральных схемах серии SN74S (531).

Анализ схемы рис.6 показывает, что многоэмиттерный транзистор Т1 выполняет логическую операцию И, а транзистор Т2 - операцию НЕ. Выходной каскад на транзисторах Т3 и Т4 позволяет получить большие значения втекающего и вытекающего токов в нагрузке, подключаемой к выходу Y ЛЭ. Для получения максимальных значений токов в нагрузке один из выходных транзисторов должен быть обязательно закрыт. Диод D1 в эмиттерной цепи транзистора Т3 обеспечивает его надежное запирание при открытом транзисторе Т4. При запертом состоянии транзистора Т4 транзистор Т3 по отношению к нагрузке работает как эмиттерный повторитель. Резистор R1 предотвращает выход из строя транзистора T3 при коротком замыкании выхода на корпус и снижает уровень импульсных помех при переключении ЛЭ.

Выход ЛЭ с показанным на рис.6 соединением выходных транзисторов Т3 и Т4 называется стандартным выходом.

Диоды, включенные между входными выводами и общим выводом, обеспечивают защиту ЛЭ при попадании на его входы отрицательного напряжения.

Статические режимы в логических элементах ТТЛ характеризуются стандартными параметрами, к которым относятся уровни входных и выходных напряжений и значения входных и выходных токов:

- входное напряжение высокого уровня (логической единицы),

- входное напряжение низкого уровня (логического нуля),

- выходное напряжение высокого уровня (логической единицы),

- выходное напряжение низкого уровня (логической единицы),

 (при ) - входной ток при подаче на вход высокого уровня напряжения (втекающий ток),

 (при ) - входной ток при подаче на вход низкого уровня напряжения (вытекающий ток),

 ( при ) – выходной ток при высоком уровне выходного сигнала (вытекающий ток),

 (при) – выходной ток при низком уровне выходного сигнала (втекающий ток).

Отношения  и характеризуют нагрузочную способность ЛЭ для низких и высоких уровней сигналов. Стандартный параметр  определяет максимальное число входов базовых ЛЭ, которое допустимо подключать к выходу аналогичного ЛЭ. Для базового ЛЭ серии SN74 нагрузочная способность

Помехоустойчивость ЛЭ определяется стандартными значениями величин

Помехи с уровнем напряжения менее 0,4 В не могут привести к изменению состояния ЛЭ.

Переход ЛЭ в усилительный режим (режим переключения) характеризуется значением напряжения переключения. Для базового ЛЭ серии SN74 стандартное значение напряжения переключения .

Анализ схемы рис.6 показывает, что типовые значения выходного напряжения равны  и , поэтому типовое значение помехоустойчивости для базового ЛЭ серии SN74 определяется значениями величин

Стандартные динамические параметры ЛЭ характеризуются временами задержки при переходе выходного сигнала с высокого уровня на низкий, - при переходе выходного сигнала с низкого уровня на высокий или средним временем задержки сигналов в ЛЭ  Задержки ипоказаны на рис.8 (- эквивалентный входной сигнал ЛЭ, учитывающий взаимодействие физических входных сигналов ина рис.6; - выходной сигнал ЛЭ). Для стандартной серии SN74 . Указанное значение позволяет использовать триггеры данной серии при частоте переключения . Для других серий ИС, построенных на модифицированных базовых схемах ТТЛ, эти параметры равны: серия SN74L - ,; серия SN74H - ,; серия SN74S - ,.

Упомянутые выше серии ИС ТТЛ, в названиях которых используется префикс SN, разработаны фирмой TI. Перечисленные ИС помимо фирмы-разработчика выпускаются многими другими фирмами -изготовителями. Другие фирмы-изготовители используют иные префиксы для идентичных ИС, поэтому в справочниках по ИС и учебной литературе префикс часто опускается.

В частности, названия цифровых ИС, включенных в библиотеку программы Micro-Cap (Component > Digital Library), не содержат префикса, обозначающего фирму изготовителя.

5. ПРОГРАММА РАБОТЫ

5.1 ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1. Изучить:

а) модели биполярных транзисторов и схемы замещения ключей в статических состояниях,

б) влияние резистивной нагрузки (параллельно транзистору или коллекторному резистору) на токи и напряжения в ключах в статических состояниях,

в) физику процессов при переключении транзистора из запертого состояния в насыщенное (задержка отпирания, фронт включения, накопление заряда) и из насыщенного состояния в запертое (рассасывание избыточного заряда, фронт выключения),

г) влияние коллекторной емкости и емкости нагрузки на переходные процессы в ключах,

д) особенности статических режимов и переключения транзисторов в ключе с управляющим транзистором (рис.2),

е) принцип работы базового логического элемента ТТЛ (рис.6), его свойства и характеристики (физика работы в статических состояниях и в режиме переключения, реализуемая логическая функция, стандартные статические и динамические параметры, работа при подключении нагрузки и сохранение работоспособности при ее подключении).

2. Исходные данные для выполнения расчетов (параметры элементов схем рис.1 и рис.2, в скобках приведены имена параметров моделей биполярных транзисторов, используемые в программе Micro-Cap):

,,,, , , , , , , , .

3. Рассчитать для схемы рис.1, используя соответствующие модели транзистора:

а) статическое напряжение , при котором транзистор отпирается,

б) статическое напряжение , при котором транзистор входит в насыщение,

в) статические уровни выходного напряжения для ненагруженного ключа,

г) статические уровни выходного напряжения, если параллельно транзистору включен резистор нагрузки ,

д) минимальное сопротивление резистора нагрузки , включенного параллельно резистору , при котором открытый транзистор остается насыщенным,

е) зависимости длительности фронта включения , длительности стадии рассасывания  и длительности фронта выключения  от амплитуды входных отпирающих импульсов.

4. Рассчитать для схемы рис.2, используя соответствующие модели транзистора, длительность стадий переключения ключа , , , если ключ управляется положительными импульсами с амплитудой . Начальный уровень входного напряжения считать равным нулю.

5.2 ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

(результаты по всем пунктам программы работы документировать и включить в отчет)

1. Вызвать программу Micro-Cap (ярлык Micro-Cap Evaluation 8.0)

2. Открыть (File > Open > DATA RUS > 1p-1.CIR) и исследовать

Схему 1:

а) получить передаточные характеристики (ПХ) ключей (Analysis > DC... > Run);

б) определить по ним напряжения, при которых транзисторы открываются и при которых входят в насыщение, сравнить полученные значения с расчетными;

в) определить и объяснить значения статических уровней ПХ;

г) подключить нагрузку R5 на выход ключа и повторить п.п. а) и в), сравнить значения уровней ПХ с результатами расчета;

д) получить ПХ ключей при вариации сопротивления нагрузки R5 (DC > Stepping > Step It Yes > OK > F2); проследить за изменением формы ПХ, задокументировать и объяснить изменения;

е) выключить режим вариации сопротивления нагрузки и выйти из режима анализа (DC > Stepping > Step It No > OK > F3);

ж) выключить нагрузку R5;

з) получить переходные характеристики ключей (Analysis > Transient > Run), определить стадии переходных процессов при включении и выключении транзисторов, сравнить работу ключей и объяснить результаты;

и) получить переходные характеристики ключей при вариации амплитуды управляющих импульсов (Transient > Stepping > Step It Yes > OK > F2); получить и построить графики зависимостей длительности фронта включения, длительности стадии рассасывания, длительности фронта выключения от амплитуды входных импульсов, сравнить с расчетными зависимостями; проследить за изменением формы выходных импульсов, задокументировать изменения;

к) выключить режим вариации амплитуды управляющих импульсов и выйти из режима анализа (Transient > Stepping > Step It No > OK > F3);

л) закрыть Схему 1 (File > Сlose > No Save...).

2. Открыть (File > Open > DATA RUS > 1p-2.CIR) и исследовать

Схему 2:

а) получить статические характеристики выходного напряжения  и входного тока от значения статического напряжения на входе ключа (Analysis > DC... > Run) и объяснить поведение и параметры полученных характеристик;

б) подключить нагрузку R3 и повторить п.а), сравнить и объяснить различие характеристик нагруженного и ненагруженного ключа;

в) получить статические характеристики ключей при вариации сопротивления нагрузки R3 (DC > Stepping > Step It Yes > OK > F2); проследить за изменениями характеристик, задокументировать и объяснить изменения; определить минимальное допустимое сопротивление нагрузки, при котором выходное напряжение не превышает стандартное значение  для элементов ТТЛ;

г) выключить режим вариации сопротивления нагрузки и выйти из режима анализа (DC > Stepping > Step It No > OK > F3);

д) выключить нагрузку R3;

е) закрыть Схему 2 (File > Сlose > No Save...).

3. Открыть (File > Open > DATA RUS > 1p-3.CIR) и исследовать

Схему 3:

а) получить статические характеристики выходного напряжения , входного тока  и тока в резисторе выходного каскада от значения входного статического напряжения (Analysis > DC... > Run); объяснить поведение характеристик;

б) определить параметры характеристик входного тока и выходного напряжения и их соответствие стандартным значениям для элементов ТТЛ;

в) повторить п.п. а) и б) при вариации сопротивления нагрузки R5 (Stepping > Step It Yes > OK > F2); проследить за изменениями характеристик, задокументировать и объяснить изменения; определить минимальное допустимое сопротивление нагрузки, при котором выходное напряжение не ниже стандартного значения  для элементов ТТЛ;

г) выключить режим вариации сопротивления нагрузки и выйти из режима анализа (DC > Stepping > Step It No > OK > F3);

д) получить временную диаграмму выходного напряжения при воздействии на вход импульсного напряжения (Analysis >Transient > Run) ; измерить задержки фронтов выходного напряжения и их соответствие стандартным значениям базового элемента ТТЛ;

е) заземлить вход X2 и повторить п. д); сформулировать вывод о влиянии на работу элемента ТТЛ свободного (неподключенного) и заземленного входа; получить таблицу истинности для базовой схемы рис.3 как логического элемента;

ж) выйти из режима анализа (F3);

з) закрыть Схему 3 (File > Сlose > No Save...).

4. Открыть (File > Open > DATA RUS > 1p-4.CIR) и исследовать

Схему 4:

а) отключить внешние ЛЭ (нагрузку) от выхода Y исследуемой схемы;

б) определить статические и динамические параметры ЛЭ;

в) коммутируя линии подключения нагрузки, повторить п. б) для разного числа входов нагрузки;

в) сформулировать выводы о влиянии нагрузки на рабочие параметры ЛЭ;

г) выйти из режима анализа (F3);

д) закрыть Схему 4 (File > Сlose > No Save...).

5. Получить у преподавателя дополнительное задание по работе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 368 с.

2.Элементы импульсных и цифровых устройств: Руководство к лабораторным работам №1027 / Сост. Белкин А.П., Сальников Н.И., Соколов Ю.П. – Рязань. : РРТИ, 1985. - 44 с.

3.Сальников Н.И., Белкин А.П., Соколов Ю.П. Импульсные устройства на интегральных логических элементах: Учебное пособие. – Рязань: РРТИ, 1986. – 72 с.

4.Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника: Учеб пособие. - М.: Высш. шк., 1984. – 391 с.

5.Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие. – М.: Радио и связь, 1982. – 416 с.

6.Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие. СПб.: Политехника, 1996.

Страницы: 1, 2