Задания для самостоятельной работы

1. Рассчитать схемы составных ключей (рис. 2, 3) в соответствии с заданием преподавателя, обосновать выбор транзисторов.

2. Промоделировать средствами системы схемотехнического моделирования Electronic Workbench рассчитанные схемы, убедиться в их работоспособности.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные характеристики биполярных транзисторов.

2. Изобразите перемещение рабочей точки по выходным ВАХ схемы с общим эмиттером при переключении ключа.

3. Приведите расчет ключа (рис. 1) на базе p-n-p транзистора с =150. Как при этом изменится полярность источника питания и управляющего сигнала? При расчете возьмите напряжение питания ­– 12 В, сопротивление нагрузки – 100 Ом, управляющее напряжение ­– 5 В.

4. Используя справочные данные, рассчитайте схему (рис. 2) на базе транзисторов КТ315, КТ815 с любыми буквенными обозначениями. При расчете возьмите напряжение питания ­– 15 В, сопротивление нагрузки – 10 Ом, управляющее напряжение ­– 5 В.

Практическое занятие 2 Подключение нестандартной нагрузки к цифровым логическим элементам

Стандартной нагрузкой для логических элементов является типовая нагрузка входов других логических элементов. При этом необходимо чтобы общее число подключенных к выходу данного элемента входов других цифровых микросхем не превышало предельный коэффициент разветвления для данной серии [k].

При работе логического элемента на элементы других серий можно оценить предельный коэффициент разветвления:

,

где I_{вых.мах.г} – предельный выходной ток элемента-генератора (для низкого и высокого уровня);

– предельный входной ток элемента-нагрузки (для низкого и высокого уровня).

Любая нагрузка, отличная от цифровых интегральных схем, для конкретной цифровой схемы является нестандартной нагрузкой. Так, нестандартной нагрузкой являются: светодиоды, элементы индикации, управляющие обмотки реле, схемы управления приводами.

В стандартном логическом элементе ТТЛ (рис. 4) формируются активные логические уровни.

Рис. 4. Базовый элемент ТТЛ (И-НЕ)

Низкий уровень соответствует насыщенному (открытому) транзистору VT4, при этом транзистор VT3 находится в отсечке (закрыт), и схема формирует выходное напряжение низкого уровня, соответствующее напряжению насыщения транзистора VT4 (U_вых = U_кэнас ≈ 0,2 В). Высокий уровень на выходе схемы формируется напротив при открытом транзисторе VT3 и закрытом VT4, в данном случае выходное напряжение соответствует

U_вых ≈ E_п – I_НR₄ – U_до – U_{кэ нас},

где E_п – напряжение питания (+5 В);

I_Н – ток нагрузки, зависящий от суммарного входного сопротивления подключаемых элементов;

U_до – напряжение на прямосмещенном диоде VD3 (можно считать, что оно не зависит от тока и приблизительно составляет 0,7 В для кремневых диодов);

U_{кэ насс} – напряжение на транзисторе VT3 в режиме насыщения, примерно соответствует 0,2 В. Напряжение высокого уровня для элементов ТТЛ находится в пределах 4 .. 2,4 В и снижается по мере увеличения тока нагрузки.

На рис. 5 приводится простейшая схема элементов типа «открытый коллектор». Как видно из схемы, здесь отсутствует верхний транзистор составного инвертора, подключенного к питанию (VT3 на рис. 4). Выходной вывод схемы идет непосредственно от неподключенного к другим элементам коллектора VT3 (здесь и далее имеется в виду рис. 5), т. е. открытого коллектора, отсюда и название типа выхода. Выходной каскад схемы, состоящий из одного транзистора VT3, может находиться в двух состояниях: транзистор VT3 открыт (на выходе формируется низкий уровень, также как при активном выходе); транзистор закрыт, выход находится в состоянии отключения (обрыва). Выходы типа «открытый коллектор» также называют пассивными, поскольку они не формируют активного напряжения высокого уровня. Цифровые микросхемы, имеющие подобные выходы, помечаются специальным значком – ромбом, подчеркнутым снизу (рис. 5).

Рис. 5. Логический элемент типа «открытый коллектор»

Выходы типа «открытый коллектор» могут иметь наряду с логическими элементами регистры, дешифраторы, ПЗУ. Основное назначение таких микросхем: реализация монтажных (проводных) функций и подключение нестандартной нагрузки. При желании использовать выход типа «открытый коллектор» как активный необходимо подключить внешний резистор между данным выходом и напряжением питания, обеспечив формирование активного уровня. (рис. 6).

Рис. 6. Использование пассивного выхода как активного

Здесь следует учитывать, что такой элемент будет проигрывать обычному активному элементу в быстродействии, поскольку будет иметь большую по сравнению с ним величину фронта перехода с низкого уровня к высокому (t⁰¹) из-за того, что суммарная емкость нагрузки будет заряжаться через достаточно большое внешнее сопротивление R.

Монтажные функции реализуются непосредственным соединением проводников, идущих от различных элементов. На рис. 7 приводится схема, реализующая функцию «монтажного И», выходы нескольких элементов соединены в одной точке (точка A), данная точка подключается к плюсу источника питания через сопротивление R. Следует напомнить, что непосредственное соединение обычных (активных) выходов недопустимо.

Наличие низкого уровня на выходе хотя бы одного элемента приводит к формированию низкого уровня на выходе всей схемы. Возвращаясь к рис. 5, можно увидеть, что при таком включении выходные транзисторы VT3 всех схем оказываются включенными параллельно (между коллектором и эмиттером) и достаточно, чтобы открылся только один из них для формирования низкого уровня на выходе всей схемы.

Рис. 7. «Монтажное «И»

При наличии на выходах всех элементов пассивной единицы (все выходные ключи отключены) ток от источника питания через сопротивление R будет поступать в нагрузку, сформируется высокий уровень на выходе схемы. Таким образом в точке A реализуется конъюнкция, «монтажное И».

Здесь следует учитывать, что при работе схемы в разных режимах не должно превышаться значение предельно допустимого выходного тока нагрузки:

,

где – напряжение питания;

– предельно допустимый ток выхода при низком уровне;

– максимальный ток входа нуля элементов-нагрузок;

n­ – число элементов-нагрузок.

Превышение параметра может вывести из строя выходной транзистор элемента (VT3, рис. 5). В табл. 1 приводятся значения данного параметра для трех популярных серий ТТЛ. Элементы-нагрузки подключаются непосредственно к выходу схемы и на рис. 7 не показаны. Данное неравенство ограничивает снизу значение нагрузочного сопротивления R.

Таблица 1

	K155	K555	K531
	16mA	8mA	20mA

Кроме того, значение нагрузочного сопротивления R ограничено сверху необходимостью обеспечить рабочий входной ток для всех подключаемых элементов при формировании высокого уровня.

,

где – напряжение питания;

– максимальный ток входа единицы элементов-нагрузок;

n­ – число элементов-нагрузок.

Монтажные функции удобны при реализации, позволяют наращивать коэффициент объединения по входу комбинационных схем непосредственным (проводным) соединением, однако при этом несколько снижается быстродействие по сравнению с использованием активных логических элементов.

Основное назначение микросхем типа «открытый коллектор» – подключение нестандартной нагрузки. При подключении нагрузки необходимо, прежде всего, учитывать параметр , т. е. реальный ток нагрузки микросхемы не должен превышать это значение. При подключении маломощной нагрузки проблем не возникает. В качестве примера на рис. 8 приводится подключение светодиода.

Рис. 8. Подключение светодиода к элементу типа «открытый коллектор»

Сопротивление R ограничивает ток через светодиод и находится формулой

,

где Е_п – напряжение питания;

I_св – номинальный прямой ток через светодиод (ток свечения);

– прямое напряжение на светодиоде.

Следует иметь виду, что светодиоды изготовляются, как правило, из соединений галлия и имеют напряжение прямого смещения p-n переходов (≈ 1,5 В), значительно превышающее подобное напряжение для кремневых элементов.

Напряжение питания нагрузки может быть произвольным и отличаться от напряжения питания микросхемы.

Условием работоспособности схемы является I_св ≤ .

Обратите внимание, что светодиод загорается (нагрузка подключается) при наличии низкого уровня на выходе микросхемы.

Если значение тока нагрузки превышает предельно допустимый выходной ток микросхемы незначительно, можно использовать параллельное включение логических элементов (рис. 9).

Рис. 9. Параллельное включение пассивных элементов с целью повышения нагрузочной способности

Параллельное включение пассивных элементов позволяет повысить общую нагрузочную способность схемы. При этом рекомендуется использовать элементы, расположенные на одном кристалле и, соответственно имеющие близкие параметры временных задержек.

Условием работоспособности схемы (рис. 9), содержащей три элемента будет:

I_н = ≤ 3 .

Если значение тока нагрузки значительно превышает предельно допустимый выходной ток микросхемы, необходимо использовать усилительные элементы, проще всего – транзисторы (рис.10).

Рис. 10. Использование транзистора для согласования с нагрузкой

Условием функционирования схемы является

.

В данном случае базовое сопротивление транзистора R_Б задает ток базы транзистора и определяет ток нагрузки микросхемы. Ключ на транзисторе VT рассчитывается стандартным образом (см. практическое занятие 1). Транзистор подбирается с учетом ограничений по току( I_к.max ≥) и по напряжению (U_{кэ max} ≥E_п).

Обратите внимание, что нагрузка подключается при высоком уровне на выходе микросхемы. В данном случае ток от источника питания через R_Б подается в базу транзистора и вводит его в насыщение, нагрузка подключается.

При необходимости рассмотренный прием можно совместить с приемом, рассмотренным на рис. 9.

Если подключаемая нагрузка настолько мощная, что рассмотренные приемы не позволяют решить поставленную задачу, можно использовать согласующие схемы на нескольких транзисторах. На рис. 11 приводятся примеры подобных схем.

а) б)

Рис. 11. Сложные схемы согласования с нестандартной нагрузкой

Схема рис. 11, а использует составной транзистор с коэффициентом усиления β_Σ ≈ β₁·β₂, схема рассчитывается аналогично предыдущей, с учетом того, что напряжение смещения эмиттерного перехода составного транзистора будет в два раза выше, чем у обычного. На рис. 11, б показана схема на базе трех ключевых каскадов. Расчет схемы следует начинать с последнего каскада, содержащего нагрузку, ток управления последующего каскада является током нагрузки для предыдущего.

В табл. 2 приводятся примеры транзисторов, которые можно использовать при построении рассмотренных схем.

Таблица 2

	Iк.max	Uкэ.max	
КТ315А	100mA	25B	100
КТ608А	400mA	80B	80
КТ815А	1,5A	25B	70
КТ817А	3A	25B	30