3940

Логические элементы. Диодно-транзисторная логика

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Логические элементы Введение В настоящее время при разработке цифровых схем следующие типы логических элементов (ЛЭ): - диодно-транзисторные ЛЭ (ДТЛ) транзисторно-транзисторные ЛЭ (ТТЛ) эмиттерно-связанные ЛЭ (ЭСЛ) ЛЭ на М...

Русский

2012-11-10

913.5 KB

281 чел.

Логические элементы

Введение

В настоящее время при разработке цифровых схем следующие типы логических элементов (ЛЭ):

- диодно-транзисторные ЛЭ (ДТЛ);

  •  транзисторно-транзисторные ЛЭ  (ТТЛ);
  •  эмиттерно-связанные ЛЭ (ЭСЛ);
  •  ЛЭ на МДП- и КМДП-транзисторах;
  •  ЛЭ с инжекционным питанием (интегральная инжекционная логика - И2Л).

Самым распространёнными на сегодняшний день являются ИС, реализующие ТТЛ и её разновидности. Интегральные схемы данного типа обладают средним быстродействием () и средней потребляемой мощностью.

На рисунках   2.1 – 2.8 представлены графические обозначения разных типов ЛЭ и выполняемые ими функции :

 

Рис. 2.1 Инвертор . Рис. 2.2. Повторитель .

 

Рис. 2.3. .  Рис. 2.4. .

 

Рис. 2.5. .  Рис. 2.6. .

  

Рис. 2.7. Сумматор по mod2         Рис. 2.8..

2.1. Диодно-транзисторная логика

Теоретические сведения

 Диодно-транзисторные логические элементы (ДТЛ) имеют следующие достоинства: простоту схем, гибкость расширения функциональных возможностей (объединение выходов в монтажное ИЛИ, увеличение количества входов подключением внешних диодов и т. д.).

В элементах ДТЛ функции И, ИЛИ, И-ИЛИ реализуются с помощью дизъюнкторов и конъюнкторов на диодах, а функция НЕ выполняется транзисторными схемами. Благодаря этому реализуются функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др.

На рис. 2.1.1.а показана концептуальная схема m-входового элемента ДТЛ, который состоит из диодного ключа (диоды VD11, … , VD1m, резистор R1) и последовательно с ним связанного транзисторного ключа (VD2, VD3, R2, R3, транзистор VT). Диодный ключ в положительной логике реализует логическую функцию И, а транзисторный ключ помимо усиления сигнала с выхода диодного ключа по мощности и формированию требуемых уровней логического «0» и «1», выполняет также логическую функцию инверсии НЕ. Как видно из таблицы истинности для случая m=2 (рис. 2.1.1,б), такой элемент реализует логическую функцию

И-НЕ = х1 & x2.

 Аналогично для произвольного m:

  1.  

Рис. 2.1.1

Условное графическое обозначение  ДТЛ-элемента, реализующего функцию (1), показано на рис. 2.1.1(в), где вход p обеспечивает возможность подключения внешних диодов и расширения функций элемента по И.

Особенностью электрической схемы рис.2.1.1,а является использование в базовой цепи транзистора диодов VD2, VD3, которые предназначены для увеличения порогового напряжения транзисторного ключа и предотвращения срабатывания его от помех входных сигналов на уровне логического «0». Резистор R2 включается между базой и общей шиной (либо подключается к источнику запирающего смещения) и обеспечивает протекание обратного тока коллекторного перехода Iк0 в режиме отсечки транзистора. Отсюда вытекает ограничение на величину сопротивления R2<U/Iк0 max, где U, Iк0max – пороговое напряжение транзистора VT и обратный ток коллектора при максимальной температуре окружающей среды.

Если хотя бы на одном из входов элемента установился низкий уровень входного сигнала , соответствующий входной диод VD1i открыт и через него протекает ток от источника питания Uи.п., ограниченный резистором R1. Напряжение на выходе диодного ключа UR1 определяется доминирующим (минимальным) входным сигналом  и превышает его на величину падения напряжения на открытом диоде UД1 = U0Д1 + IДrД:

Если напряжение UR1 удовлетворяет условию UR1<U0Д2+U0Д3+Uили =min{U1i}<U0Д2+U0Д3+U-U0Д1~U+U=Uпор, где U0Д2, U0Д3, U – пороговые напряжения соответственно диодов VD2, VD3 и транзистора  VT, то транзистор заперт и на его коллекторе  поддерживается высокий потенциал Uк== Uи.п.- Iк0R3. В случае, когда ни на один из входов не подаётся низкий уровень  (т.е. либо на входы подаётся высокий уровень, либо входы не подключены), ток резистора R1 переключается через диоды VD2, VD3 в базу транзистора, который открывается. Сопротивление R1 выбирается так, чтобы транзистор был насыщен в наихудших условиях (при β=βmin и максимальном токе нагрузки І2=І2max):

,

где S – коэффициент насыщения транзистора.

Резисторы R1 и R3 в значительной мере определяют потребляемую элементом энергию Pпот от источника питания. Они влияют и на быстродействие схемы, так как коэффициент насыщения транзистора  равен

,

  а).       б).

в).

Рис. 2.1.2

а от него зависят время включения tвкл транзистора и время рассасывания tр неосновных носителей в соответствии с соотношениями:

(S= Iб1/Iб.н – коэффициент насыщения транзистора)

.

(Iб2/Iб.н=Sзап – коэффициент запирания)

Диоды VD2, VD3 помимо увеличения порогового напряжения должны обеспечить быструю рекомбинацию заряда в базе транзистора VT под воздействием входного сигнала. Для этого заряд диодов VD2, VD3 должен рассасываться дольше, чем заряд в базе транзистора, т.е. большое обратное сопротивление диодов rобр должно восстановиться после запирания транзистора.

На рисунке 2.1.2 показаны статические вольт-амперные характеристики элемента ДТЛ: а - входные, б - передаточные, в - выходные.

Входная характеристика ЛЭ обычно снимается при отключённых остальных входах. На рис. 2.1.2,а показана зависимость от входного напряжения U1i на i-том входе тока данного входа i1i и тока iД диодов VD2, VD3, который приближённо равен току базы транзистора. На входной характеристике можно выделить следующие области:

  1.  U1i <Uпор – входной диод открыт, через него замыкается ток резистора R1, между входным напряжением и током имеет место линейная связь i1i =+ U1i /(R1+rД), где =(U-Uи.п)/(R1+rД) – справочный параметр ЛЭ стандартных серий. Ток iД соответствует обратному току закрытых диодов, поэтому весьма мал.
  2.  U1iUпор – происходят запирание входного диода и одновременно отпирание транзистора, поэтому входной ток резко уменьшается с ростом U1i, а ток iД соответственно нарастает за счёт перераспределения тока резистора R1.
  3.  U1i >Uпор – входной диод заперт, поэтому входной ток «логической 1» =I весьма мал, ток диодов VD2, VD3 максимален и не зависит от величины напряжения на входе.

Передаточная характеристика элемента – зависимость выходного напряжения U2 от доминирующего входного сигнала  (рис. 2.1.2,б). Вид передаточной характеристики зависит от типа и параметров нагрузки. Пусть нагрузкой ДТЛ-элемента являются входные цепи аналогичных элементов и количественно характеризуются коэффициентом разветвления Краз. Соответственно входным на передаточной характеристике также можно выделить три области. В области 1, где <Uпор, транзистор остаётся запертым и на его выходе поддерживается постоянное напряжение

,

где  – входной ток «логической 1» каждой из нагрузок,

      Краз – коэффициент разветвления по выходу, т.е. количество подключенных нагрузок.

В области 2 , транзистор находится в активном режиме и схема обладает довольно большим коэффициентом усиления по напряжению. Коэффициент усиления оконечного каскада зависит от параметров нагрузки. В случае  при достижении на выходе области 2 входных характеристик нагрузочных элементов дифференциальное сопротивление нагрузки резко уменьшается, что обусловливает уменьшение коэффициента усиления и на передаточной характеристике наблюдается соответствующий излом.

В области 3 транзистор насыщен и выходное напряжение «логического 0» не зависит от , но зависит от параметров нагрузки:

.

Выходные характеристики ДТЛ-элемента – зависимость выходного тока (тока нагрузки) I2 от выходного напряжения U2 при =const. На рис. 2.1.2,в семейство выходных характеристик представлено двумя граничными характеристиками для<<Uпор и >>Uпор. При <<Uпор транзистор заперт и выходная характеристика по существу описывает ВАХ резистора R3, подключенного к источнику питания Uи.п. При >>Uпор транзистор насыщен и выходное сопротивление ДТЛ-элемента определяется как . С ростом тока (втекающего) нагрузки уменьшается коэффициент насыщения и при достижении значения =β(Uи.пU0д2-U0д3-U)/R1- Uи.п /R3 транзистор из насыщения переходит в активный режим и его выходное сопротивление возрастает:

Рис. 2.1.3

где rкэ – выходное сопротивление транзистора в активном режиме при включении ОЭ. Как видно из выходных характеристик, нагрузочная способность ДТЛ-элемента в статическом режиме зависит от сопротивления R3 и коэффициента усиления транзистора по току β. Чем меньше сопротивление R3, тем больше  и Краз, но тем выше энергопотребление элемента. Сопротивление R3 определяет скорость перезаряда нагрузочной ёмкости Сн и длительность фронта  .

Схемные реализации элемента ИЛИ-НЕ показаны на рисунке 2.1.3. Схема на рисунке 2.1.3,а проще, но обладает существенным недостатком: степень насыщения транзистора S, а следовательно, и быстродействие элемента зависит от уровня «логической 1»  на входе, который может изменяться по многим причинам. Такую зависимость можно устранить усложнением схемы (рис. 2.1.3,б). На рис. 2.1.3,в показано условное графическое обозначение элемента ИЛИ-НЕ.

Нагрузочная способность ДТЛ-элемента увеличивается при использовании на его выходе двухтактного усилителя мощности. На рис.2.1.4,а,б на примере ДТЛ-элемента двухступенчатой логики И-ИЛИ-НЕ показана схема усилителя мощности, часто используемого в ЛЭ на биполярных транзисторах. Здесь первый каскад (VT1) имеет два фазоинверсных выхода, которые управляют режимом транзисторов оконечного каскада на составном транзисторе VT2, VT3 и транзисторе VT4. Если доминирующий входной сигнал

,

       б             а

Рис. 2.1.4

то транзисторы VT1 и VT4 заперты, а VT2, VT3 открыты и на выходе формируется высокий уровень:

.

Если же , транзисторы VT1 и VT4 насыщены, а VT2, VT3 – в режиме отсечки. На выходе устанавливается низкий уровень . В обоих состояниях сквозной ток через транзисторы VT2, VT3 и VT4 не протекает, так как в этой цепи всегда один транзистор заперт. Благодаря этому выходное сопротивление ДТЛ-элемента в обоих логических состояниях мало, а энергопотребление схемы не возрастает. Сквозной ток через оконечный каскад может протекать в переходном режиме «логического 0» в «логическую 1» на выходе. Для его ограничения в схему включен резистор R5. Нагрузочная способность таких элементов достигает Краз=10 и выше.

2.1.1.  Исследование ЛЭ И-НЕ

Цель работы – исследование статических и динамических параметров и характеристик диодно-транзисторных логических элементов типа И-НЕ.

Рабочее задание

     1. Собрать исследуемую  схему рис. 2.1.5. Проверить логику работы ЛЭ при разных положениях переключателя  К.

2. Исследовать статические параметры и характеристики схемы. Определить параметры , , , ,  а также передаточную характеристику  U2=f(U1).

  1.  Исследовать переходные процессы  в ЛЭ.   Определить по осциллограммам входного и выходного сигналов параметры , , , ,  а также .
  2.  Сформулировать в отчете по выполненной работе выводы по результатам исследований и подготовить ответы на контрольные вопросы.

Методические указания

  1.  В схеме на рис. 2.1.5 в качестве диодов и транзисторов использовать компоненты из библиотеки Workbench, указанные преподавателем. Параметры нагрузки  Rн,  Cн также определяет преподаватель. (По умолчанию  Rн = 3.6 кОм,  Cн = 20 pF).

   

Рис. 2.1.5

  1.  При исследовании статических параметров и характеристик подать на вход схемы от функционального генератора сигнал треугольной формы с параметрами:

  Amplitude= 0.5UИП;

  Offset = 0.5UИП;

  Frequency=1кHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры U01max, U1 1min, U20, U21.

Передаточная характеристика  U2=f(U1) отображается в режиме В/А осциллоскопа.

3. При исследовании динамических параметров на вход схемы от функционального генератора подать сигнал прямоугольной формы с параметрами:

  Amplitude = 0.5UИП;

  Offset = 0.5UИП;

  Frequency = 1…10MHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры tзд.р.01, tзд.р.10, tф.01, tф.10 . Частота  определяется для выходного сигнала с четко выраженными уровнями U20, U21.

Контрольные вопросы:

  1.  Каковы достоинства и недостатки диодно-транзисторных логических элементов?
  2.  Как реализуется логическая функция И-НЕ с помощью простейшего типичного элемента ДТЛ?
  3.  Для чего в базовой цепи транзистора используют диоды  VD2?
  4.  Как выходной сигнал зависят от комбинации входных?
  5.  В каком случае потребляемая от источника питания энергия максимальна?
  6.  Какие области можно выделить на входной вольт-амперной характеристике элемента ДТЛ(И-НЕ)?
  7.  Что такое передаточная характеристика и от чего она зависит?
  8.  Чем определяются  выходные характеристики элемента И-НЕ?
  9.  Объясните назначение каждого компонента схемы.

2.1.2. Исследование ЛЭ И-ИЛИ-НЕ

Цель работы – исследование статических и динамических параметров и характеристик диодно-транзисторных логических элементов типа И-ИЛИ-НЕ.

Рабочее задание

  1.  Собрать исследуемую  схему рис. 2.1.6. Проверить логику работы ЛЭ при разных положениях переключателей  К1, К2.
  2.  Исследовать статические параметры и характеристики схемы. Определить параметры , , , ,  а также передаточную характеристику  U2=f(U1).
  3.  Исследовать переходные процессы  в ЛЭ.   Определить по осциллограммам входного и выходного сигналов параметры , , , ,  а также .
  4.  Сформулировать в отчете по выполненной работе выводы по результатам исследований и подготовить ответы на контрольные вопросы.

Методические указания

  1.  В схеме на рис. 2.1.6 в качестве диодов и транзисторов использовать компоненты из библиотеки Workbench, указанные преподавателем. Параметры нагрузки  Rн,  Cн также определяет преподаватель. (По умолчанию  Rн = 3.6 кОм,  Cн = 20 pF).

Рис. 2.1.6

  1.  Для исследования статических характеристик подать на вход схемы от функционального генератора сигнал треугольной формы с параметрами:

Amplitude= 0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=1кHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры U01max, U1 1min, U20, U21.

Передаточная характеристика  U2=f(U1) отображается в режиме В/А осциллоскопа.

3. При исследовании динамических параметров на вход схемы от функционального генератора подать сигнал прямоугольной формы с параметрами:

Amplitude=0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=1…10MHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры tзд.р.01, tзд.р.10, tф.01, tф.10 . Частота  определяется для выходного сигнала с четко выраженными уровнями U20, U21.

Контрольные вопросы

1. Объясните поведение логического элемента И-ИЛИ-НЕ при разных положениях переключателей К1, К2.

2. Чем обусловлено увеличение нагрузочной способности элемента двухступенчатой логики ДТЛ И-ИЛИ-НЕ?

3. Как ведут себя транзисторы при изменении доминирующего входного сигнала (меньше или больше Uпор)?

4. Какой сигнал устанавливается на выходе при изменении входного сигнала?

5. Объясните назначение каждого компонента схемы.

Транзисторно-транзисторная логика

Теоретические сведения

Простейший  элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) получают из ДТЛ-элемента заменой группы входных диодов VD1, а также диодов смещения VD2, VD3 (рис. 2.2.1, а) многоэмиттерным биполярным транзистором (МЭТ) c числом эмиттеров, соответствующим числу входов т (рис. 2.2.1,б).   Статические   характеристики   схемы   (рис. 2.2.1, в)

Рис. 2.2.1

подобны характеристикам ДТЛ-элемента.   Отличие  состоит  в  изменении   порогового   напряжения:

Uпор = Uк.н1 + U0т2 + (Uи.п. – U0т2 ) · rб /(),

где Uк.н1 — напряжение коллектор — эмиттер насыщенного МЭТ, (U0т2 — пороговое напряжение транзистора VТ2. Уменьшение порогового напряжения влечет за собой снижение помехоустойчивости. Кроме того, входной ток  I1ВХ при высоком уровне входного сигнала U1ВХ заметно больше, чем в ДТЛ-элементе, так как представляет собой ток транзистора VТ1 в инверсном активном режиме.

      Схема базового ТТЛ-элемента промышленных серий, реализующая логическую функцию И-НЕ приведена на рис. 2.2.2. В системе положительной логики МЭТ VТ1 с резистором R1 в цепи базы реализуют логическую операцию И, а двухтактный усилитель мощности на транзисторах VТ2, VТЗ, VТ5 (VТ4 используется как диод) выполняет функцию НЕ, обеспечивает формирование стандартных логических уровней выходного сигнала  и  согласование  ТТЛ-элемента  с заданной  нагрузкой.

     Режим работы МЭТ определяется доминирующим входным сигналом

U*1 = min {U1i },  i=1,m,     

а также   входным  сопротивлением транзистора VТ2.  Если потенциал базы транзистора VТ2 Uб2 меньше порогового напряжения U02 (для кремниевых транзисторов USI0 ≈ 0,7 В), транзистор VТ2 находится в режиме отсечки, на его коллекторе поддерживается высокий потенциал UК2 ≈ Uи.п., а на эмиттере - низкий потенциал Uэ2 = Uб5  0. Поэтому транзистор VТ5 также заперт, а транзисторы VТЗ, VТ4 могут быть открыты или заперты в зависимости от способа подключения внешней нагрузки.. При отключенной нагрузке ток через VТЗ, VТ4 определяется обратным током коллекторного перехода транзистора VТ5 Iк0. Входное сопротивление транзистора VТ2 велико и входной ток мал Iб2 = -Iко2 . С увеличением потенциала Uб2 > U02 транзистор VТ2 переходит в активный режим, токи Iк2 и Iэ2 увеличиваются, растет потенциал   эмиттера  Uэ2  и  падает потенциал коллектора  Uк2.

Пока потенциал  Uэ2 недостаточен для отпирания транзистора VТ2, его входное сопротивление

RВХ2 = rб2 + (β2 + 1)(φТ /Iэ2 + R3 ) ≈ R3 β2 T / (Uб2 – U02) + 1]

остается большим и входной ток Iб2 = -Iк1 незначительно возрастает. В момент отпирания транзистора VТ5 полное эмиттерное сопротивление RВХ5 = [rб5 + (β5 + 1)φТ /Iэ5 ] ║ R3  и, следовательно, входное сопротивление транзистора VT2,

RВХ2 =  rб2 + (β2 + 1)( R3 ║ RВХ5 )  ≈  rб2  + rб5 ( β2 + 1 )

резко уменьшается и соответственно увеличивается ток  Iб2 = Iк1 . Резкое падение входного сопротивления, таким образом, происходит при                Uб2 = Uпор ≈ U02 + U05 ≈ 1,4 В. Поэтому при любой комбинации входных сигналов, если U*1 < Uпор. ток базы МЭТ

I0б1 = (Uи.п. – U*1 – U01) / R1

замыкается через один или несколько прямосмещенных эмиттерных переходов МЭТ и поддерживает его в режиме насыщения.

Рис. 2.2.2

         Поскольку напряжение коллектор — открытый эмиттер в режиме насыщения транзистора  UК.Н. ≈ 0 , можно считать, что Uб2 = U*1 + UК.Н. ≈ U*1, т.е. входное напряжение   усилителя  Uб2  равно наименьшему из входных напряжений.

Если U*1 > Uпор  то все эмиттеры МЭТ смещены в обратном направлении, а коллектор — в прямом и МЭТ работает в инверсном активном режиме. В цепи базы протекает ток

I1б1 ≈ ( Uи.п. – Uпор – U0k1) / R1 ,

( U0к1 – напряжение на открытом коллекторе МЭТ), который определяет входные токи I11i логической «1»  . Сумма входных токов

,

где аI , βI  — коэффициенты передачи тока МЭТ в инверсном активном режиме. Ток I1k1 обеспечивает состояние насыщения транзистора VТ2 с коэффициентом насыщения.

 .

    На коллекторе насыщенного транзистора VТ2 и базе VТЗ имеем низкий потенциал, слагающийся из напряжения на открытом эмиттерном   переходе   транзистора  VТ5 и остаточного напряжения насыщения транзистора VТ2 U0k2 = U0б3 = Uб5 + UK.H2 ≈ Uб5 .

Выходное напряжение U2 определяется напряжением  коллектор — эмиттер транзистора VT5 и в его насыщенном состоянии и пропорционально току нагрузки I2:

U02 = rк.н.5 I2 ,

где rк.н.5 сопротивление промежутка коллектор – эмиттер насыщенного транзистора VТ5.

Во многих реализациях ТТЛ-элементы содержат во входной цепи защитные диоды VD1, которые предотвращают пробой эмиттерного перехода транзистора VT2 входными сигналами и помехами отрицательной полярности. При напряжении на входе U01i < -0,7В открывается соответствующий диод VD1, шунтирует вход и напряжение Uб2 не падает   существенно ниже – 0,7В.

Статические входная (а), передаточная (б) и выходные (в) характеристики   ТТЛ-элемента   И-НЕ  показаны  на   рис. 2.2.3.

Область I входной и передаточной характеристики ограничена изменением доминирующего входного сигнала в диапазоне                              0 < U*1 < U0 ≈ 0,7В. При этом входное сопротивление линейно,  и   входной  ток  определяется  выражением

iIi = ( U1 + U01 – Uи.п.) / R1 .

Выходное напряжение  остается неизменным и определяется  выражением 

U12 = Uи.п. – R2 I21  / ( β3 + 1) – U03 – U04,

где I21  - абсолютное значение «вытекающего» из ЛЭ тока нагрузки. При  Uи.п.= 5В, I21 = 0 из выражения (2.2.3) получим типовое значение единичного выходного   уровня ТТЛ-элемента:

U12 =  5 – 2 * 0,7 = 3,6 В.

Излом входной характеристики в точке А появляется при наличии  в  ТТЛ-элементе   защитных диодов   VD1  на  входе.

Область II ограничена входными напряжениями U0 < U*1 < 2U0 . Так как транзистор VТ2 находится в активном режиме, входное сопротивление ЛЭ становится несколько меньше и определяется параллельно

 

   а).      б).

в).

Рис. 2.2.3

включенными сопротивлениями R1 и R>> R1. Поэтому на входной характеристике в точке B наблюдается   слабый  излом.

Изменение выходного напряжения в области II обусловлено коэффициентами передачи фазоинверсного каскада на транзисторе VТ2 – KU2 = – R2/R3 и эмиттерного повторителя на  транзисторе  VТЗ ( КU3  ≈ 1).

Наличие области II снижает помехоустойчивость ТТЛ-элемента на низких уровнях входного сигнала, так как необходимо, чтобы U*1 +U0пом.< U0. Эта область устраняется и помехоустойчивость возрастает, если резистор R3 заменить нелинейным двухполюсником на транзисторе VТ6 (рис. 2.2.2,6). В этом случае область уровней входных сигналов  расширяется до U01< 2U0 . На рис. 2.2.3, а, б соответствующие ВАХ показаны   штриховой   линией.

Область III входной и передаточной характеристик формируется при малых (десятки милливольт) приращениях U*1 в окрестности U*1 = Uпор.. На входной характеристике наблюдается переключение тока резистора R1 из входной цепи в цепь базы транзистора VT2. Крутизна передаточной характеристики в области III максимальна, так как все транзисторы ТТЛ-элемента находятся в активном режиме и коэффициент передачи напряжения максимален. В случае большой нагрузки элемента ( Краз = 10) на уровне U2 = Uпор. наблюдается излом передаточной характеристики, объясняемый той же причиной, что и в ДТЛ-элементе.

Длительность задержки выключения tзд.вык. определяется крутизной отрицательного фронта выходного сигнала t10ф1, а также процессом рассасывания избыточного  заряда  в базе транзистора VT5:

  ,

где τн5 - среднее время жизни неосновных носителей в базе насыщенного транзистора VТ5; Iэ3 = (Uи.п. – 2U0 )(β3 +1) / R2 - ток эмиттера  транзистора VТЗ на этапе рассасывания.

Длительность выключения ТТЛ-элемента t01ф2 определяется процессом заряда емкости нагрузки Сн. через открытые транзисторы VТЗ и VТ4:

t01ф2 ≈ 3τзар. = 3Сн.R1вых ,

где R1вых. = rб4 + ( R2 + rб3 ) / ( β3 + 1).

Подключение сопротивления нагрузки приводит к уменьшению длительности фронта t01ф2, так как Rн. образует дополнительную цепь заряда, одновременно увеличивается фронт t10 вследствие  увеличения перепада  выходного напряжения ΔUф22 .

Важнейшими классификационными параметрами промышленных серий ИМС является длительности задержки распространения t10зд.р. и t01зд.р.. В случае ТТЛ-элемента, нагруженного на Сн., они определяются соотношениями (по уровням Uпор. входного и выходного сигналов):

       (2.2.6)

        (2.2.7)

Как видно из соотношений (2.2.3) – (2.2.7), увеличение быстродействия ТТЛ-элементов связано с уменьшением сопротивлений внутренних резисторов, что приводит к росту потребляемой элементами энергии, причем произведение

Pпост.ср.tзд.с.ср. = 0,25 (P0пот. + P1пот.) · ( t01зд.р. + t10зд.р) ≈ const

характеризует в целом технологию ИМС.

2.2.1.  Исследование ЛЭ И-НЕ

Цель работы – исследование статических и динамических параметров и характеристик транзисторно-транзисторных логических элементов типа И-НЕ.

Рабочее задание

  1.  Собрать исследуемую  схему рис. 2.2.4. Проверить логику работы ЛЭ при разных положениях переключателя  К.

2. Исследовать статические параметры и характеристики схемы. Определить параметры , , , ,  а также передаточную характеристику  U2=f(U1).

  1.  Исследовать переходные процессы  в ЛЭ.   Определить по осциллограммам входного и выходного сигналов параметры , , , ,  а также .
  2.  Сформулировать в отчете по выполненной работе выводы по результатам исследований и подготовить ответы на контрольные вопросы.

Методические указания

  1.  Так как в библиотеке моделей пакета Workbench отсутствуют многоэмиттерные транзисторы, заменяем их одноэмитерными транзисторами, как это показано на рис.2.2.4. Собираем схему по этому рисунку. В схеме на рис. 2.2.4 в качестве диодов и транзисторов использовать компоненты из библиотеки Workbench, указанные преподавателем. Параметры нагрузки  Rн,  Cн также определяет преподаватель. (По умолчанию  Rн = 3.6 кОм,  Cн = 20 pF).

Рис. 2.2.4

2.  При исследовании статических параметров и характеристик подать на вход схемы от функционального генератора сигнал треугольной формы с параметрами:

Amplitude= 0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=1кHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры U01max, U1 1min, U20, U21.

Передаточная характеристика  U2=f(U1) отображается в режиме В/А осциллоскопа

3. При исследовании динамических параметров на вход схемы от функционального генератора подать сигнал прямоугольной формы с параметрами:

Amplitude=0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=1…10MHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры tзд.р.01, tзд.р.10, tф.01, tф.10 . Частота  определяется для выходного сигнала с четко выраженными уровнями U20, U21.

Контрольные вопросы:

1. Какие достоинства имеют транзисторно-транзисторные логические элементы?

2. Из чего получают простейший элемент транзисторно-транзисторной логики?

3. Чем отличаются характеристики ТТЛ-элемента от характеристик ДТЛ-элемента?

4. Какими элементами, базовой схемы ТТЛ реализуется логическая функция И-НЕ?

5.  Чем определяется длительность задержки выходного сигнала?

6.  Объясните назначение каждого компонента схемы.

  1.  Транзисторно-тразисторная логика на транзисторах Шоттки

Теоретические сведения

Особенность транзистора Шоттки в том, что во время работы в ключевом режиме  ограничения коллекторного тока сверху происходит без перехода в режим насыщения, т.е. без открывания коллекторного перехода и накопление избыточного заряда в базе. Поэтому нет необходимости принимать какие-нибудь дополнительные меры для ускорения вывода этого заряда из базы во время выключения транзистора.

Применение диодов и транзисторов Шоттки в ТТЛ-элементах позволяет повысить быстродействие работы этих ЛЭ без увеличения потребляемой мощности или снизить потребляемую мощность увеличением сопротивления вcеx резисторов без снижения быстродействия. ТТЛ-элементы с диодами и транзисторами Шоттки называют ТТЛШ-элементами. Принципиальная схема одного из вариантов ТТЛШ-элементов изображена на рис. 2.3.1.

Рис. 2.3.1

Построение и общий принцип работы ТТЛШ- и ТТЛ-элементов похожи. Особенностью ТТЛШ-элементов является то, что роль диода смещения в cxeме на  рис. 2.3.1 выполняет эмиттерный переход транзистора VT2. Кроме того, пара транзисторов VT2, VT4 образуют так называемый составленный транзистор (схема Дарлингтона). У него значение коэффициента передачи тока базы близко к произведению коэффициентов передачи В2В4 транзисторов VT2 и VT4. Это приводит к уменьшению выходного сопротивления эмиттерного повторителя на транзисторе VT2 при закрытом транзисторе VT3 и, как следствие, к ускорению процесса заряда емкости нагрузки во время перехода элемента из состояния логического «0» в состояние логической «1». ТТЛШ-элементы имеют время задержки tc,3.p около 2…5 нс.

Рабочее задание

  1.  Собрать исследуемую  схему рис. 2.2.. Проверить логику работы ЛЭ при разных положениях переключателя  К.

2. Исследовать статические параметры и характеристики схемы. Определить параметры , , , ,  а также передаточную характеристику  U2=f(U1).

  1.  Исследовать переходные процессы  в ЛЭ.   Определить по осциллограммам входного и выходного сигналов параметры , , , ,  а также .
  2.  Сформулировать в отчете по выполненной работе выводы по результатам исследований и подготовить ответы на контрольные вопросы.

Методические указания

  1.  Собираем схему рис. 2.3.2. По причине отсутствия в элементной базе данных Workbench, транзисторов Шоттки, заменяем их парой транзистор-диод. В схеме на рис. 2.3.2. в качестве диодов и транзисторов использовать компоненты из библиотеки Workbench, указанные преподавателем. Параметры нагрузки  Rн,  Cн также определяет преподаватель. (По умолчанию  Rн = 3.6 кОм,  Cн = 20 pF).

2. При исследовании статических параметров и характеристик подать на вход схемы от функционального генератора сигнал треугольной формы с параметрами:

Amplitude= 0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=1кHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры U01max, U1 1min, U20, U21.

Передаточная характеристика  U2=f(U1) отображается в режиме В/А осциллоскопа.

Рис.2.3.2

3. При исследовании динамических параметров на вход схемы от функционального генератора подать сигнал прямоугольной формы с параметрами:

Amplitude=0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=1…10MHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры tзд.р.01, tзд.р.10, tф.01, tф.10 . Частота  определяется для выходного сигнала с четко выраженными уровнями U20, U21.

Контрольные вопросы:

  1.  В чем состоит особенность транзистора Шоттки? Каковы его достоинства и недостатки?
  2.  В чем преимущества схемы Дарлингтона?
  3.  К чему приводит значение передачи коэффициента передачи тока?

4. Какими элементами, базовой схемы ТТЛШ реализуется логическая функция И-НЕ?

5.  Чем определяется длительность задержки выходного сигнала?

6.  Объясните назначение каждого компонента схемы.

2.4. Логические элементы на МДП-транзисторах

Промышленность выпускает достаточно много серий КМОП, таких как 176, 564, 561, КР1561, КР1554 и др. Популярные микросхемы серии К564 – цифровые маломощные КМОП ИС, содержат в своем составе 60 типов, различных по своему функциональному назначению: арифметические устройства, счетчики-делители, дешифраторы, триггеры, логические схемы, мультиплексоры, сдвиговые регистры и прочие. Характеристики К564: низкая мощность потребления (типовая мощность потребления на частоте 1МГц 0,0025 мВт/ЛЭ), широкие рабочие диапазоны напряжения питания (3…15 В) и температур, высокая помехоустойчивость, защита по входам, температурная стабильность и высокая нагрузочная способность. Такие характеристики создают предпосылки для широкого применения микросхем в радиоэлектронной аппаратуре.

Теоретические сведения

Энергетические характеристики. Одной из основных характеристик КМОП ИС является мощность потребления. Суммарная мощность потребления складывается из статической и динамической.

Статическая мощность потребления

PС=UИП* ІИП,

где UИП — напряжение питания схемы; ІИП — ток потребления в статическом режиме.

Динамическая составляющая мощности потребления PD присуща микросхемам при функционировании на рабочей частоте f0 и определяется тремя факторами: емкостью нагрузки СLі, внутренней емкостью схемы CС и токами переключения (сквозными токами):

PD=CPDU2ИПf+Σ(CLU2ИПf0).

Таким образом,

Ptot=UИПІИП+CPDU2ИПf0+ U2ИПΣ(CLіfі),

где Ptot — суммарная мощность потребления; PD — динамическая мощность потребления; CPD — средняя эффективная емкость (устанавливается для расчета мощности потребления суммарной нагрузки, обусловленной внутренними емкостями схемы и переходными токами переключения); f0 — рабочая частота входного сигнала; fі — частота для каждого выхода.

В статическом состоянии один из транзисторов КМОП-структуры, р- или n-МОП, закрыт, и теоретически существует непроводящий канал между питанием и «землей». Однако наблюдается тепловое движение неосновных носителей заряда через обратно смещенные переходы, которое создает очень малый ток утечки между шиной питания и землей. На статический ток потребления оказывают влияние три фактора: температура, сложность схемотехники, напряжение питания   (рис. 2.4.1).

Динамическая составляющая мощности потребления растет с увеличением частоты в основном в результате перезарядки суммарной емкости нагрузки. С ростом частоты увеличивается влияние внутренних паразитных емкостей схемы.

Токи переключения или сквозные токи возникают в период перехода микросхем из одного логического состояния в другое, когда оба транзистора выходного каскада открыты, т. е. во время нарастания и спада импульса. Среднее значение этих токов растет линейно с увеличением частоты переключения.

Рис. 2.4.1. Типовая зависимость статического тока потребления от напряжения питания и температуры для ИС К564ЛЕ5

Типовая зависимость динамической мощности потребления от частоты переключения при разных напряжениях питания и емкостях нагрузки для ИС К564ЛЕ5 приведена на рис. 2.4.2 (непрерывная линия CL=50 пф, штриховая CL= 15 пФ).

С увеличением тактовой частоты до предельных значений резко возрастает потребляемая мощность, что приводит к увеличению выделяемого тепла и ухудшению условий эксплуатации.

Рис. 2.4.2.  Типовая зависимость динамической мощности  потребления от частоты переключения для ИС К564ЛЕ5.

Минимизацию потребляемой мощности устройств на микросхемах с КМОП-технологией можно осуществить снижением тактовой частоты, уменьшением емкости нагрузки, обеспечением крутых фронтов импульсов и уменьшением длины цепей постоянного тока. Потребление мощности можно снизить в результате переключения тактовой частоты на более низкую на период времени, когда нет необходимости в более высокой. Снижения емкости нагрузки можно добиться путем уменьшения монтажной емкости. При увеличении длительности фронта оба входных транзистора остаются открытыми продолжительное время, что приводит к дополнительному потреблению мощности. Эффективным способом снижения потребляемой мощности является отключение напряжения питания от части или от всей системы.

Передаточные характеристики. Особенность идеальных передаточных характеристик КМОП-структур – это симметричность относительно точки переключения схемы из одного логического состояния в другое. На рис. 2.4.3 изображены типовые передаточные характеристики одного ЛЭ ИС К564ЛА7 по напряжению и току при различных напряжениях питания и температуре. Характеристики показывают высокую помехозащищенность и температурную стабильность схемы, т. е. незначительные колебания точки переключения при изменении температуры. Кривая нарастания тока потребления описывает момент переключения схемы из одного логического состояния в другое. За первую половину фронта импульса происходит нарастание тока потребления в результате появления сквозного тока, за вторую половину ток падает до нуля.

      а).         б).

Рис. 2.4.3. Типовые передаточные характеристики одного ЛЭ Ис К564ЛА7 по напряжению (а) и току (б)

Помехоустойчивость. КМОП ИС характеризуются высокими статической и динамической помехоустойчивостями. Упрощенно помехоустойчивость можно выразить как способность микросхемы исключить передачу помехи со входа схемы на ее выход.

Статическая помехоустойчивость характеризует возможности схемы при длительном импульсе помехи, а динамическая  помехоустойчивость — при кратковременных помехах.

Граничное значение помехоустойчивости определяется максимальным входным напряжением для низкого уровня и минимальным входным напряжением для высокого уровня:

UП0=|U0ВЫХ- U0ВХ max| ,

UП1=|U1ВЫХ- U1ВХ min| ,

где U0ВЫХ — выходное напряжение низкого уровня при отсутствии помехи на входе; U1ВЫХ — выходное напряжение высокого уровня при отсутствии помехи на входе; UП0 — низкий уровень статической помехи; UП1 — высокий уровень статической помехи; U0ВХ max — максимальное входное напряжение низкого уровня, при котором выходной логический уровень не меняет своего состояния; U1ВХ min — минимальное входное напряжение высокого уровня, при котором логический уровень не меняет своего состояния.

Статическая помехоустойчивость микросхем увеличивается с ростом напряжения питания, а колебания помехоустойчивости в зависимости от температуры незначительны из-за высокой температурной стабильности передаточных характеристик.

Динамическая помехоустойчивость находится в прямой зависимости от уровня статической помехоустойчивости, скорости переключения микросхемы, входной и выходной емкостей, от длительности, амплитуды и формы сигнала помехи.

Быстродействие. Микросхемы КМОП характеризуются сравнительно невысоким по сравнению с ТТЛ ИС быстродействием. Динамические параметры КМОП ИС зависят от сложности схемы, напряжения питания, емкости нагрузки и температуры.

На рис. 2.4.4 приведены зависимости времени задержки распространения входного сигнала ИС К564ЛЕ5, К564ЛА7 от емкости нагрузки и напряжения питания при нормальной температуре.   Время  задержки   распространения сигнала, а также времена фронта и среза линейно возрастают с увеличением емкости нагрузки и температуры.

Изменение напряжения питания от 5 до 10 В увеличивает быстродействие микросхем почти в 2 раза из-за уменьшения сопротивления каналов проводимости.

Напряжение питания. Микросхемы КМОП работоспособны в диапазоне напряжений питания 3...15 В. Допустимое отклонение от номинального значения напряжения питания ±10 %. Однако с целью повышения надежности аппаратуры микросхемы следует применять в диапазоне 5... 10 В.

  а).          б).

  в).          г).

Рис. 2.4.4. Типовые зависимости времени задержки распространения входного сигнала  ИС К564ЛА7 (а,  б), К564ЛЕ5 (в, г) от емкости нагрузки и напряжения питания при  нормальной температуре.

Входные характеристики. МДП-транзисторы имеют высокое входное сопротивление, поэтому входные токи ИС КМОП малы (≤мкА). Зависимость входного тока ИС К564ЛЕ5 от напряжения питания при нормальной температуре изображена на рис. 2.4.5.

Рис. 2.4.5. Типовая зависимость входного тока низкого и высокого уровней ИС К564ЛЕ5 от напряжения питания при нормальной температуре.

Для защиты транзисторов от повреждения высоким напряжением (пробоя подзатворного диэлектрика статическим электричеством и от тиристорной защелки) каждый вход КМОП ИС снабжают диодно-резисторной защитной цепочкой.

Электрический разряд возникает, если электростатический заряд с высоким потенциалом относительно земли попадает на выводы ИС. Такой разряд уменьшает надежность микросхем. Первый разряд часто не вызывает катастрофического пробоя оксидной пленки в микросхеме, однако, он оставляет слабые точки на пленке. Со временем (при повторных разрядах) эти точки продолжают ослаблять пленку, пока пленка не пробивается. Кроме того, еще до полного пробоя пленки электростатические разряды увеличивают токи утечки микросхем. КМОП ИС, хотя бы однажды подвергнутая электростатическому разряду, становится менее надежной.

Уровень безопасного электростатического потенциала ИС К564, обеспечиваемого схемой защиты, составляет 100 В.

           Нагрузочная способность. Значения входных и выходных токов определяют коэффициент разветвления по выходу Kраз микросхем по постоянному току, значение его определяется как наименьшее из коэффициентов разветвления по выходу в режимах низкого и высокого уровней.

При эксплуатации аппаратуры рекомендуется применять микросхемы с СL<500 пФ, при этом мощность, рассеиваемая корпусом микросхемы, не должна превышать 200мВт.

Микросхемы, изготавливаемые по КМОП-технологии, имеют высокую нагрузочную способность, которая ограничивается предельно допустимым током нагрузки. Эффективное значение предельно допустимого тока на один вывод определяется максимальным током, не приводящим к пережогу шины металлизации, для ИС К564 он не должен превышать 10 мА.

2.4.1. Базовый логический элемент И-НЕ

Логический элемент И-НЕ на КМДП транзисторах приведен на рис. 2.4.6.

Рис. 2.4.6. Принципиальная схема

Логический элемент можно условно разбить на два модуля:

  •  Модуль, содержащий n-канальные МДП-транзисторы, соединённые последовательно;
  •  Модуль, содержащий p-канальные МДП-транзисторы, соединённые параллельно.

При этом каждому транзистору из одного модуля соответствует транзистор из другого модуля (транзисторы, имеющие общий затвор), эти транзисторы и образуют комплиментарную пару. Количество транзисторов определяется количеством входных сигналов, таким образом, что на каждый входной сигнал приходится одна комплиментарная пара.

Разберём принцип работы ЛЭ И-НЕ на примере элемента с двумя входными сигналами.

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Для рассмотрения принципа функционирования составим таблицу состояний:                                                                                                                                         

        

     Рис. 2.4.7. Условное обозначение

           Табл. 2.4.1

Таким образом, для того, чтобы показать, что схема, приведенная на рис. 2.4.7, представляет собой ЛЭ И-НЕ, необходимо показать, что её выход подключается к земле только при сигналах высокого уровня, поданных на все входы одновременно.

Для того, чтобы выход схемы был подключён к общей шине с нулевым потенциалом (земле) необходимо, чтобы все последовательно соединённые транзисторы были открыты. Таким образом, сигнал низкого уровня формируется на выходе только при одном единственном наборе входных сигналов. Покажем, что при всех остальных наборах на выходе формируется сигнал высокого уровня, т.е., что выход подключён к источнику питания. Действительно, если хотя бы на один вход подан сигнал низкого уровня, то соответствующий транзистор из «параллельной» группы будет открыт, а, следовательно, падение напряжения на нём будет мало и практически всё напряжение питания передастся на выход (группа последовательно соединённых транзисторов в данном случае имеет очень большое сопротивление).

Иными словами, работа ЛЭ И-НЕ в КМДП-технологоии базируется на том, что проводимость в группе последовательно соединённых транзисторов определяется элементом с наименьшей проводимостью, а в группе параллельно соединённых транзисторов — элементом с наибольшей проводимостью, и том, что в комплементарной паре МДП-транзисторов в статике транзисторы находятся в противоположных состояниях.

Таким образом, главное преимущество КМДП-элементов (в том числе и И-НЕ), состоит в том, что в обоих статических состояниях ток от источника питания не протекает, поэтому потребляемая мощность очень мала. Однако, во время переключения элемента ток протекает, заряжая паразитные ёмкости, поэтому динамическая потребляемая мощность пропорциональна частоте переключения и может на несколько порядков превышать статическую.

Влияние паразитных ёмкостей в КМДП-структурах гораздо меньше, чем в МДП, поскольку заряд и разряд выходной ёмкости происходит через открытые транзисторы VT и VT’, которые имеют одинаково малое сопротивление. КМДП-элементы принадлежат к классу элементов с низким быстродействием (частота их переключения не может превышать 5 МГц).

Кроме быстродействия паразитные ёмкости снижают и допустимое количество входов. Это обусловлено тем, что при увеличении количества входов возрастает и количество транзисторов в «параллельной» группе, что в свою очередь увеличивает паразитную ёмкость, а увеличение количества последовательно соединённых транзисторов увеличивает их общее сопротивление, через которое разряжается ёмкость. Кроме того, это ведёт к повышению уровня логического 0.

КМДП-элементы могут работать от  источника питания в диапазоне 3..15 В. От напряжения источника питания также зависти быстродействие и потребляемая мощность. Чаще всего используются источники питания с напряжением 5 В, что обеспечивает совместимость по уровню сигнала с ТТЛ-элементами.

Существенное преимущество КМДП-структур – их помехоустойчивость (для 564-ой серии допустимы статические помехи около 2,5 В).

Рабочее задание

  1.  Собрать исследуемую  схему рис. 2.4.8.

Установить параметры транзисторов:

     n-МДП:

  1.  Threshold (VTO)=2V;

Transconductance coefficient (KP)=5e-2;

Gate-bulk overlap capacitance (CGBO)=5e-12F;

Gate-drain overlap capacitance (CGDO)=5e-12F;

Gate-source overlap capacitance (CGSO)=5e-12F;

Zero-bias body-drain junction capacity (CBD)=5e-12F;

Zero-bias body-source junction capacity (CBS)=5e-12FF.

       р-МДП:

  1.  Threshold (VTO)=-2V;

Transconductance coefficient (KP)=5e-2;

Gate-bulk overlap capacitance (CGBO)=5e-12F;

Gate-drain overlap capacitance (CGDO)=5e-12F;

Gate-source overlap capacitance (CGSO)=5e-12F;

Zero-bias body-drain junction capacity (CBD)=5e-12F;

Zero-bias body-source junction capacity (CBS)=5e-12F.

  1.  Проверить работу ЛЭ для положений ключа К=(0,1).Исследовать статические характеристики схемы, определить, , , .  Исследовать влияние напряжения питания   на передаточную характеристику U2=f(U1).
  2.   Исследовать переходные процессы: по временным диаграммам входных и выходных сигналов определить , , , , .
  3.  Сформулировать в отчете по выполненной работе выводы по результатам исследований и подготовить ответы на контрольные вопросы.

Методические указания

  1.  Собрать схему рис. 2.4.8 и установить параметры компонентов схемы, заданные преподавателем.
  2.  Подать на вход схемы от функционального генератора сигнал треугольной формы с параметрами:

Amplitude= 0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=100Hz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры U01max, U1 1min, U20, U21.

Для снятия передаточной характеристики U2=f(U1) установить режим осциллоскопа В/А.

  1.  Для измерения переходных процессов подать на вход схемы от функционального генератора сигнал прямоугольной формы с параметрами

Amplitude= 0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=1…5МHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры tзд.р.01, tзд.р.10, tф.01, tф.10.

Рис. 2.4.8

Контрольные вопросы и задания

  1.  Нарисуйте схему электронного ключа на КМОП-транзистрах.
  2.  Объясните принцип работы электронного ключа на КМОП-транзистрах.
  3.  Нарисуйте схему ЛЭ И-НЕ на КМДП-тразисторах.
  4.  Объясните принцип работы ЛЭ И-НЕ на КМДП-тразисторах.
  5.  Назовите особенности КМДП-структур.
  6.  Какие факторы влияют на работу ЛЭ И-НЕ на КМОП-транзисторах?
  7.  Как зависит передаточная характеристика ЛЭ U2=f(U1)  от напряжения питания?
    1.  Базовый логический элемент ИЛИ-НЕ

Теоретические сведения

Логический элемент ИЛИ-НЕ реализуется с помощью КМДП-ключей путем параллельного включения n-канальних транзисторов и последовательного включения р-канальних транзисторов. На рис. 2.4.9 изображена электрическая схема двухвходового элемента ИЛИ-НЕ. Сопротивление группы параллельно соединенных транзисторов определяется наименьшим из параллельных звеньев, т. е. транзистором, на затвор которого подано наибольшее из входных напряжений.

С подачей логической 1 хотя бы на один из входов (например, х1=1) транзистор VT1 открывается, а транзистор VT1’ закрывается. Через открытые транзисторы от источника питания Uип не протекает ток. На выходе устанавливается низкий уровень сигнала U20, величина которого определяется соотношением сопротивления в цепи стока и сопротивления группы открытых транзисторов.

Только при одной комбинации входных сигналов, когда на все входы элемента поданы низкие уровни сигналов, т. е. х12=0, транзисторы VT1 и VT2 закрыты (ключи разомкнуты), а выход элемента через открытые транзисторы VT1', VT2' подключается к шине источника напряжения. На выходе формируется высокий уровень напряжения U21.

Рис. 2.4.9

Таблица истинности:

Х1

Х2

Y

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

Главное преимущество КМДП-элементов состоит в том, что в обоих статических состояниях ток от источника питания не протекает, поэтому потребляемая мощность очень мала. Однако во время работы элемента ток заряжает паразитные емкости, поэтому динамическая потребляемая мощность пропорциональна частоте переключения и может на несколько порядков преувышать статическую.

Быстродействие логических элементов на КМДП-структурах выше, чем на МДП-транзисторах с каналами одного типа, потому что тут и заряд, и разряд выходной емкости происходит через открытые транзисторы VT1 и VT2, которые имеют одинаково малое сопротивление. Но и первые, и вторые принадлежат к классу элементов низкого быстродействия, с частотой переключения не больше 5 МГц.

Количество входов и нагрузочная способность тут также ограничиваются в основном влиянием этих параметров на быстродействие. Транзисторы, подключенные параллельно, увеличивают паразитную емкость, а подключенные последовательно увеличивают сопротивление, из-за которого происходит заряд или разряд емкости нагрузки.

Рабочее задание

1. Собрать исследуемую  схему рис. 2.4.10.

Установить параметры транзисторов:

     n-МДП:

Threshold (VTO)=2V;

Transconductance coefficient (KP)=5e-2;

Gate-bulk overlap capacitance (CGBO)=5e-12F;

Gate-drain overlap capacitance (CGDO)=5e-12F;

Gate-source overlap capacitance (CGSO)=5e-12F;

Zero-bias body-drain junction capacity (CBD)=5e-12F;

Zero-bias body-source junction capacity (CBS)=5e-12F.

     р-МДП:

Threshold (VTO)=-2V;

Transconductance coefficient (KP)=5e-2;

Gate-bulk overlap capacitance (CGBO)=5e-12F;

Gate-drain overlap capacitance (CGDO)=5e-12F;

Gate-source overlap capacitance (CGSO)=5e-12F;

Zero-bias body-drain junction capacity (CBD)=5e-12F;

Zero-bias body-source junction capacity (CBS)=5e-12F.

Рис. 2.4.10

  1.  Проверить работу ЛЭ для положений ключа К=(0,1).Исследовать статические характеристики схемы, определить, , , .  Исследовать влияние напряжения питания   на передаточную характеристику U2=f(U1)   
  2.  Исследовать переходные процессы: по временным диаграммам входных и выходных сигналов определить , , , , .
  3.  Сформулировать в отчете по выполненной работе выводы по результатам исследований и подготовить ответы на контрольные вопросы.

Методические указания

  1.  Собрать схему рис. 2.4.10 и установить параметры компонентов и напряжений, заданные преподавателем.
  2.  Подать на вход схемы от функционального генератора сигнал треугольной формы с параметрами:

Amplitude= 0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=100Hz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры U01max, U1 1min, U20, U21.

Для снятия передаточной характеристики U2=f(U1) установить режим осциллоскопа В/А.

  1.  Для измерения переходных процессов подать на вход схемы от функционального генератора сигнал прямоугольной формы с параметрами

Amplitude= 0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=1…5МHz.

С помощью визиров 1 и 2 на экране осциллографа измерить параметры tзд.р.01, tзд.р.10, tф.01, tф.10.

Контрольные вопросы и задания

  1.  Нарисуйте схему электронного ключа на КМОП-транзистрах.
  2.  Объясните принцип работы электронного ключа на КМОП-транзистрах.
  3.  Нарисуйте схему ЛЭ ИЛИ-НЕ на КМДП-тразисторах.
  4.  Объясните принцип работы ЛЭ ИЛИ-НЕ на КМДП-тразисторах.
  5.  Назовите особенности КМДП-структур.
  6.  Какие факторы влияют на работу ЛЭ ИЛИ-НЕ на КМОП-транзисторах?
  7.  Как зависит передаточная характеристика ЛЭ U2=f(U1)  от напряжения питания?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

47417. Опыт развития малых городов как туристских центров 1.44 MB
  Для сравнения будут взяты следующие населенные пункты: города Светлогорск Калининградской области Торжок Тверской области и Углич Ярославской области. Это объясняется тем что в Липецкой области Постановлением администрации Липецкой области №195 от 29. была создана Особая экономическая зона регионального уровня туристскорекреационного типа ОЭЗ РУ и согласно этому постановлению туристскорекреационный вид деятельности является одним из стратегических направлений развития области в целом и перспективным видом хозяйственного освоения её...
47418. Особенности государственной поддержки малого бизнеса в Республике Мордовия 578.5 KB
  Место и роль малого предпринимательства в рыночной экономики 1.1 Правовое регулирование малого бизнеса в России.2 Проблемы развития малого бизнеса в России 1.3 Методы и инструменты государственного регулирования малого бизнеса 2 Формы государственной поддержки малого бизнеса в России.
47419. Измельчительное оборудование 475.5 KB
  Применение современного измельчительного оборудования позволяет повысить производительность труда, сократить затраты и облегчить труд работников предприятий массового питания, улучшить качество изделий и сократить время обслуживания клиентов.
47420. Разработка дидактических средств развития пространственных представлений младшего школьника 1.6 MB
  Однако несмотря на то что необходимость изучения геометрического материала в курсе математики начальных классов и формирования на его основе пространственных представлений и пространственного мышления младших школьников не представляется спорной ни в одной из сегодняшних методических систем обучения математике в начальных классах структурный анализ содержания наиболее популярных сегодня учебных пособий по математике показывает крайне недостаточную содержательную разработанность этого вопроса в курсе математики начальных классов. Проблемами...
47421. Особенности методики развития скоростно-силовых способностей у школьников 5-х классов в процессе занятий физическими упражнениями 359 KB
  Большой вклад в теорию игры внесли Е.Ушинский считал что значение игры в развитии и воспитании личности уникально так как игра позволяет каждому ребенку ощутить себя субъектом проявить и развить свою личность. Одна из причин тому – недостаточное внимание к разработке теории игры школьников. Сущность игры заключается в том что в ней важен не результат а сам процесс процесс переживаний связанных с игровыми действиями.
47422. Разработка системы приёмов организации и развития внимания детей 5 – 6 классов 367.5 KB
  Основные свойства внимания. Возрастные особенности внимания школьников. Организация внимания школьника. Наглядность как основной компонент развития внимания на уроках немецкого языка.
47423. Процесс формирования и развития организационной культуры предприятия «СТОМГРУПП» 777 KB
  Предложения по развитию и укреплению культуры организации СТОМГРУПП. Одним из важнейших мотивов для исследования организационной культуры является то что традиционные методы управления организациями построенные на функциональной специализации работников и подразделений разделении труда обособленности отдельных структур организации друг от друга основанные на линейности и равновесности процессов не отвечают сложившимся в настоящем условиям. Таким образом современным организациям требуется новая идеология...
47424. ОСОБЕННОСТИ КОРРЕКЦИОННОЙ РАБОТЫ ПО РАЗВИТИЮ РЕЧИ У ДЕТЕЙ С ОНР 1.32 MB
  Исследование состояния связной речи детей старшего дошкольного возраста с общим речевым недоразвитием. Формирование связной речи у детей Библиография Введение Проблемой нашего исследования является уровень связной речи детей с общим недоразвитием речи.
47425. Кассовые операции 53.88 KB
  Виды услуг предоставляемых в отделении почтовой связи. Учет кассовых операций в отделении почтовой связи. Порядок получения сумм подкреплений денежной наличности в отделении почтовой связи. Порядок высылки сверхлимитных остатков из кассы отделения почтовой связи.