ЛР 12 ТТЛ
.pdfусиления напряжения сложного инвертора достигает максимального значения.
В этом режиме между шиной питания и шиной “земля” по цепи резистор R3 - транзистор VT3 – диод VD – транзистор VT4 замыкается сквозной ток I . Для его ограничения и снижения потребляемой мощности служит резистор R3.
Когда входное напряжение достигает значения
Uвх= U3= Uбэ2 + Uбэн4 – Uкн1
(точка 4 рис. 5,а), транзистор VT4 войдет в насыщение, и выходное напряжение установится равным Uкн4, что соответствует уровню логического нуля U0. При последующем увеличении Uвх транзистор VT2 входит в насыщение, а многоэмиттерный транзистор VT1 переходит в инверсный активный режим.
Передаточная характеристика позволяет рассчитать статическую помехоустойчивость ТТЛ инвертора. Принимая уровни входных напряжений в характерных точках 3 и 4 за пороговые напряжения U0п и U1п, выражения для определения напряжений отпирающей U0пом и запирающей U1пом статических помех можно записать в виде
U0пом = U0п - U0макс; U1пом = U1мин - U1п ,
где U 0макс – максимально допустимое значение напряжения логического 0; U 1мин - минимально допустимое значение напряжения логической 1. Повышенная помехоустойчивость ТТЛ элемента со сложным инвертором создается за счет последовательного соединения эмиттерных
переходов транзисторов VT2 и VT4.
U0пом = Uотп.Т4 + Uбэ2 - Uкн1 - U0макс
Помехоустойчивость ТТЛ инвертора зависит от параметров схемы, числа нагрузок, напряжения питания, температуры.
Передаточная характеристика рассмотренного ТТЛ элемента (рис. 5,а) имеет наклонный участок 2 – 3, что снижает напряжение логической 1 (Uвых3 = U1мин), и следовательно, снижает помехоустойчивость. В
современных схемах ТТЛ инверторов этот недостаток устранен за счет введения в эмиттерную цепь транзистора VT2 дополнительного транзистора VT5 (рис. 6). Это приводит к коррекции передаточной характеристики на участке 2 – 3 (см. штриховую линию на рис. 5,а).
Рис. 6. ТТЛ элемент с повышенной помехоустойчивостью
По передаточной характеристике логического элемента можно определить следующие статические параметры:
−Напряжение логического нуля на выходе элемента U0вых определяется в точке ПХ, соответствующей Uвх= U1вх.мин = U1вых.мин - U1пом = 2,4-0,4 =2,0 В.
−Напряжение логической 1 на выходе U1вых определяется в точке с
абсциссой Uвх= U0вх.макс = U0вых.макс + U0пом = 0,4 +0,4 =0,8 В.
−Напряжение переключения Uпер логического элемента по ПХ точно измерить весьма сложно. Однако приближенно это можно сделать просто в точке пересечения ПХ с линией равной передачи Uвых = Uвх. Такой способ дает достаточную для инженерной практики точность в определении Uпер.
Входная характеристика Iвх(Uвх).
При входном сигнале Uвх=0 входной ток логического нуля I 0вх проходит через открытый эмиттерный переход транзистора VT1 и имеет , таким образом, вытекающее, отрицательное для входного тока направление (рис.5,б). Увеличение входного напряжения Uвх вызовет уменьшение входного тока, и наклон вольтамперной характеристики на участке I пойдет под углом, определяемым величиной 1/R1, где R1 – сопротивление в цепи базы VT1 (рис.4).
На этом участке ток базы Iб1 транзистора VT1 замыкается через открытый эмиттерный переход. Когда входное напряжение достигнет уровня
Uвх ≥ U1п |
(участок IV), |
произойдет переключение тока |
базы |
многоэмиттерного транзистора |
VT1 в базовую цепь транзистора |
VT2, и |
транзистор VT1 перейдет в инверсный активный режим. Входной ток при этом изменит направление на “втекающее”, положительное для входного тока, и станет равным:
Iвх = I 1вх = βi Iб1, где I б1 = (Еп – Uбк1 – Uбэн2 – Uбэн3 )/R1,
βi – инверсный коэффициент передачи тока базы.
Коллекторный ток VT1 установится равным Iк1 = Iб2 = (1+βi) Iб1, так как в инверсном включении коллектор выполняет роль эмиттера, поэтому связь между током базы VT1 и током коллектора выражается через коэффициент
1+βi. Степень насыщения транзистора VT2 равна:
Sбк = (Iб2 – Iкн2)/Iкн2.
По входной характеристике можно определить:
−напряжение U1п в точке изменения знака входного тока Iвх = 0.
−ток I 0вх определяется в точке с абсциссой Uвх = U0вх макс = 0,8 В,
−ток I1вх определяется в точке с абсциссой Uвх = U1вх мин = 2,0 В.
Характеристика тока цепи питания : Iп(Uвх)
Характеристика Iп(Uвх) приведена на рис. 5,в. Она имеет три характерные области: участки, соответствующие статическим режимам элемента, и участок резкого изменения (скачка) тока в режиме переключения.
По характеристике можно определить статические параметры элемента. Напряжение переключения Uпер измеряется как абсцисса “пика” тока питания Iп макс. Значения I0п и I1п измеряются в точках с абсциссами
U0вх макс и U1вх мин.
Мощности P0п и P1п, потребляемые в статических состояниях, и средняя статическая мощность Pп ср определяются по формулам:
P0п = Еп I 0п; |
P1п = Еп I 1п |
Pп ср = 0,5(P 0п + P 1п). |
При большой частоте |
переключения |
следует учитывать мощность, |
расходуемую на перезаряд паразитных емкостей и емкости нагрузки, а также учитывать сквозной ток в выходном каскаде. Эта мощность увеличивается с ростом частоты и на достаточно больших частотах сравнима со статической мощностью.
Выходные характеристики Uвых(Iн)
Выходная характеристика в состоянии логического нуля на выходе представляет собой зависимость напряжения U0вых от тока нагрузки (рис.7). Считая, что нагрузкой ТТЛ инвертора являются n входов аналогичных ТТЛ элементов, ток нагрузки будет равен Iкн3 = n I 0вх , где I 0вх – входной ток логического нуля нагрузочного инвертора, значение которого определяется по формуле:
I0вх = (Еп – Uбэн – U0)/R1.
Рис.7. Выходные характеристики схемы ТТЛ в выключенном
ивключенном состояниях
Сувеличением тока нагрузки Iн до значения Iн макс условие насыщения выходного транзистора VT4 Iб4 > Iкн4/β4 нарушается, и транзистор из насыщения переходит в активный режим. При этом уровень логического нуля возрастает:
U 0 = Uкн0 + n I 0вх rкп ,
где Uкн0 = Uкн4 при Iн = 0 , rкп – объемное сопротивление полупроводника коллектора VT4 , и может превысить максимальное значение U0макс.
Выходная характеристика в состоянии логической 1 на выходе (рис. 7) представляет собой зависимость выходного напряжения U1вых от тока нагрузки и аналитически описывается следующим выражением:
U1вых = Еп – Uбэн – Uд пр - Iн/(1+β3).
Если же транзистор VT3 входит в насыщение , то
U1вых = Еп - Iн(rд пр + (R2 R3).
Сочетание каскадов с общим эмиттером (VT4) и эмиттерного повторителя (VT3) позволяет получить малые выходные сопротивления как во включенном (состояние логического нуля) R0вых = rкн3 , так и в выключенном (логическая 1) состояниях : R1вых = rэ4 + rд пр + (R2 + rб4)/( 1+β3) , когда транзистор VT3 находится в активном режиме. В случае режима насыщения VT3 выходное сопротивление ТТЛ инвертора равно:
R1вых = rд пр + (R2 || R3).
Выходные характеристики позволяют определить уровни выходного напряжения при заданном значении выходного тока в состояниях логического нуля и логической единицы на входе инвертора. Значение U0вых определяется при I 0вых = 10I 0вх мин по выходной характеристике для состояния логического нуля на выходе. Значение U 1вых определяется при I 1вых макс = 10I 1вх макс по выходной характеристике для состояния логической единицы на выходе.
Значения I.0вх. мин и I.1вх. макс для элементов серии 155 не превышают соответственно 1,6 мА и 40 мкА.
Контрольные вопросы и задачи
1.Докажите, что для схемы ТТЛ (рис. 4) наклон передаточной характеристики на участке II (см. рис. 5,а) определяется отношением сопротивлений резисторов R2 /R4 .
2.Доказать, что диод VD в схеме ТТЛ со сложным инвертором (рис. 4 и 5) служит для запирания транзистора VT3 при включенном состоянии схемы.
3.Покажите, что максимальное значение логической единицы в схеме ТТЛ со сложным инвертором (рис. 4 и 5) примерно равно 3,6В.
4.Рассмотрите подробно характер изменения зависимости Iпит(Uвх) на участке I и II (рис.5,в) для схемы ТТЛ со сложным инвертором (рис. 4) и схемы с повышенной помехоустойчивостью (рис.6).
5.Что делать с “лишними” входами схемы ТТЛ? Почему неиспользуемые входы схемы ТТЛ нельзя оставлять в подвешенном состоянии?
6.Почему выходы схемы ТТЛ (рис. 6) нельзя подключать к общей линии? Какие схемы ТТЛ применяют для подключения к общей линии?
7.На практике на каждый корпус логической микросхемы ТТЛ типа навешивают керамический конденсатор С емкостью 100нФ, подключая его между выводами “питание” и “общий”. Зачем?
8.В схеме ТТЛ со сложным инвертором (рис. 6), нагруженной на 10 таких же схем, определить Рср - среднюю мощность потребления от источника питания. Параметры элементов ТТЛ схемы: R1=4кОм, R2=2.4кОм, R3=130Ом, R4=1.6кОм, R5=4кОм; параметры транзисторов: Uбн=0.7В,
Uкн=0.1В, Uбк1=0.6В, βi1=0.01.
9.ТТЛ элемент со сложным инвертором (рис. 6) нагружен на 10 аналогичных схем. Определить минимально допустимое значение коэффициента β для выходного транзистора VТ4. Параметры элементов ТТЛ схемы: R1=4кОм, R2=2.4кОм, R3=130Ом, R4=1.6кОм, R5=4кОм. Параметры транзисторов: Uбн=0.7В, Uкн=0.1В, Uбк1=0.6В.
10.В справочнике на интегральные микросхемы для ТТЛ ИМС разных серий указаны следующие параметры:
Параметр |
155 |
531 |
555 |
1531 |
1533 |
U0вых, В |
0.4 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
0.4 |
U1вых, В |
2.4 |
2.7 |
2.7 |
2.7 |
2.5 |
I0вх, мА |
-1.6 |
-2.0 |
-0.36 |
-0.6 |
-0.2 |
I1вх, мкА |
40 |
50 |
20 |
20 |
20 |
n |
10 |
10 |
20 |
10 |
20 |
Сколько схем 155 серии можно подключить к выходу ТТЛ элемента другой серии?
6. Литература
1.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для ВУЗов. / 2-ое изд. -М.: Лаборатория Базовых Знаний. 2001. -488с.
2.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. /Под ред. Якубовского С.В. -М.: Радио и связь. -1989.
3.Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. 2-ое изд., испр. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1111) -Челябинск: Металлургия. -1989.
4.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов /Под ред. О.П.Глудкина. –
М.: Горячая линия – Телеком, 2000. –768с.: ил. (О-60 УДК 621.396.6)
5.Кобяк А.Т., Новикова Н.Р., Паротькин В.И., Титов А.А. Применение системы Design Lab 8.0 в курсах ТОЭ и электроники: Метод. пособие.
−М.: Издательство МЭИ, 2001. −128с. (УДК 621.3 П−764)