Государственая служба гражданской авиации московский государственный

Лабораторная работа №4

Целью работы является освоение студентами методов моделирования основных типов базовых логических схем ТТЛ логики и МОП-, КМОП-транзисторах, в среде Micro-Cap Evaluation 9, а также расчетов этих схем.

1. 
   Расчет и исследование основных параметров базовых логических элементов ТТЛ и ЭСЛ логики.
   
2. 
   Исследование схемы ТТЛ логики.
   
3. 
   Исследование схем на МОП-, КМОП-транзисторах.
   

Инструменты:

• 
  Вольтметры;
  
• 
  Амперметры;
  
• 
  Источники постоянной ЭДС;
  
• 
  Биполярные транзисторы ВС107ВР;
  
• 
  Резисторы;
  
• 
  Диоды 1N4001.
  

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n переход.

При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами (рис. 1.) получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения (что соответствует нулю), то ток базы Т2 будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т2 будет высокий уровень напряжения (что соответствует единице). Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т2 транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе Т2 будет низкий уровень напряжения.

Расчет базового логического элемента ТТЛ логики используются следующие соотношения, для чего введем следующие обозначения:

I0вх – входной ток при подаче на вход сигнала низкого уровня;

I1вх - входной ток при подаче на вход сигнала высокого уровня;

IбТ1 – ток базы первого транзистора;

IбТ2 – ток базы второго транзистора;

IбТ4 – ток базы четвертого транзистора;

IкТ1 – ток коллектора первого транзистора;

IкТ2 – ток коллектора второго транзистора;

IэТ2 – ток эмиттера второго транзистора;

IR1 – ток протекающий по первому резистору;

IR2 – ток протекающий по второму резистору;

IR3 – ток протекающий по третьему резистору;

I0вых – выходной ток при подаче сигнала низкого уровня;

Uп – напряжение питания;

U0вх – напряжение на входе при подаче сигнала низкого уровня;

UбэТ1 – напряжение на базоэмиттере транзистора Т1;

UбэТ2 – напряжение на базоэмиттере транзистора Т2;

UбэТ4 – напряжение на базоэмиттере транзистора Т4;

UбкТ1 – напряжение на базоколлекторе транзистора Т1;

Р1 – мощность при подаче сигнала высокого уровня;

Р0 – мощность при подаче сигнала низкого уровня;

Р – средняя мощность логического элемента;

Расчет базового логического элемента ТТЛ логики:

Для токов:

1) входных:

- при подаче на вход нуля

I0вх=(Uп-U0вх-UбэТ1)/(R1*n0), где n0=1 (1,1)

- при подаче на вход единицы

I1вх=(Uп –Vб)/R1*n=(Uп-(Uвх1+UбэТ5+(UбэТ1-UкэТ1))); (1,2)

где n – кол-во входов многоэмиттерного транзистора

2) баз транзисторов:

- первого транзистора

IбТ1=(Uп-UбэТ4-UбэТ2-UбкТ1)/R1

- второго транзистора

IбТ2=IкТ1=IбТ1+n*I1вх

- четвертого транзистора

IбТ4=IэТ2-IR3

3) коллектора второго транзистора:

IкТ2=(Uп-UбэТ4-Uэ)/R2

4) эмиттера второго транзистора:

IэТ2=IбТ2-IкТ2

5) протекающих по:

- первому резистору

IR1=(Uп-UбэТ4-UбэТ2-UбкТ1)/R1

- третьему резистору

IR3=UбэТ4/R3

6) выходного при подаче нуля

I0вых=n*IбТ4=n*(IэТ2-IR3)=n[(IбТ2+IкТ2)-UбэТ4/R3], где n=30

Для мощностей:

- при подаче единицы

Р1=(IR1+IR2)*Uп (1,3)

- при подаче нуля

Р0=I0вх*Uп (1,4)

- средняя

Р=(Р0+Р1)/2 (1,5)

Базовый логический элемент ЭСЛ логики.

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа подобна схеме дифференциального усилителя (рис. 2.). Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением. На базу Т2 подано отрицательное опорное напряжение Uоп. Изменение входного напряжения Uвх1 приводит к перераспределению постоянного тока Iэ0, заданного сопротивлением Rэ, между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Р
Рис.а.

U0вх – входное напряжение при подаче на вход сигнала низкого уровня;

U1вх - входное напряжение при подаче на вход сигнала высокого уровня;

Uбэ – напряжение на базоэмиттере;

Uоп – опорное напряжение;

Uп – напряжение питания;

U0 – напряжение при подаче на вход сигнала низкого уровня;

U1 - напряжение при подаче на вход сигнала высокого уровня;

UR1 – напряжение протекающее по первому резистору;

UR2 – напряжение протекающее по второму резистору;

UR3 – напряжение протекающее по третьему резистору;

UR4 – напряжение протекающее по четвертому резистору;

UR5 – напряжение протекающее по пятому резистору;
IR10 – ток протекающий по первому резистору при подаче на вход сигнала низкого уровня;

IR20 – ток протекающий по второму резистору при подаче на вход сигнала низкого уровня;

IR40 – ток протекающий по четвертому резистору при подаче на вход сигнала низкого уровня;

IR50 – ток протекающий по второму резистору при подаче на вход сигнала низкого уровня;

Iк – ток коллектора;

Iэ – ток эмиттера;

Iп0 – ток питания при подаче на вход сигнала низкого уровня;

IR11 – ток протекающий по первому резистору при подаче на вход сигнала высокого уровня;

IR21 – ток протекающий по второму резистору при подаче на вход сигнала высокого уровня;

IR41 – ток протекающий по четвертому резистору при подаче на вход сигнала высокого уровня;

IR51 – ток протекающий по второму резистору при подаче на вход сигнала высокого уровня;

Iп1 – ток питания при подаче на вход сигнала высокого уровня;

Р1 – мощность при подаче сигнала высокого уровня;

Р0 – мощность при подаче сигнала низкого уровня;

Рср – средняя мощность логического элемента;
Расчет базового логического элемента ЭСЛ логики:

На входе U0вх; Т1 – закрыт, Т2 – открыт;

UR2+Uбэ-Uоп+Uп=0

UR2=I0R2R2 => I0R2=UR2/R2

Uоп=0,5*(U1+U0)

I0R2=(Uоп-Uп-Uбэ)/R2

I0R4=UR4/R4; I0R5=UR5/R5

По Кирхгофу:

UR4+Uбэ-UR1+Uп=0; UR1=0,т.к.Т1 – закрыт

UR5+Uбэ-UR1*+Uп=0

I0R4=(-Uп-Uбэ)/R4

Iк=n*Iэ; n=0,98; Iк=I0R1*; Iэ=I0R2 =>

UR3=I0R2*n*R3

I0R5=(-Uп+UR3-Uбэ)/R5

I0п=I0R2+I0R4+I0R5 (по Кирхгофу);

Р0=I0п*Uп; (2,1)

На входе U1вх: Т1 – открыт, Т2 – закрыт:

UR2+Uбэ-U1вх+Uп=0; UR2=I1R2*R2

I1R2=(U1вх-Uп-Uбэ)/R2

I1R4=(-Uп+UR1-Uбэ)/R4

UR1=I1R1*R1=n*I1R2*R1 , где n=0.98 (2,2)

I1R5=(-Uп-Uбэ)/R5=I0R4

I1п=I1R2+I1R4+I1R5

Р1=I1п*Uп (2,3)

Рср=(Р0+Р1)/2 (2,4)

Разница выходных напряжений при подаче нуля и единицы

Uл=U1вых-U0вых

U1вых=UR1-Uбэт3=-Uбэт3 (Т1 – закрыт => UR1=0)

U0вых=UR1*-Uбэт4=UR1*+U1вых

U0вых-U0вых=UR3

Uл=UR3=IR3*R3=n*I0R2*R3 , где n=0.98 (2,5)
Порядок проведения работы:

В процессе выполнения работы необходимо выполнить следующие эксперименты:

1. 
   Соберите схему рис.3.
   
2. 
   Включите схему, измерьте входной и выходной токи при подаче на вход сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
3. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,1) входной ток при подаче на вход сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
4. 
   Измерьте входной и выходной токи при подаче на вход сигнала высокого уровня, запишите полученные значения.
   
5. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,2) входной ток при подаче на вход сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
6. 
   Измерьте токи, протекающие по первому и второму резисторам, при подаче на вход высокого уровня сигнала, запишите полученные значения.
   
7. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,3) значение мощности при подаче на вход высокого уровня сигнала, запишите полученные значения.
   
8. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,4) значение мощности при подаче на вход низкого уровня сигнала, запишите полученные значения.
   
9. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,5) значение средней мощности, запишите полученные значения.
   

Входной ток при подаче сигнала низкого уровня - I⁰_вх.

Входной ток при подаче сигнала высокого уровня – I¹_вх.

Выходной ток при подаче сигнала низкого уровня - I⁰_вых .

Выходной ток при подаче сигнала высокого уровня – I¹_вых.

Ток, протекающий по первому резистору – I_R1.

Ток, протекающий по второму резистору - I_R2.
Расчеты:

Входной ток при подаче сигнала низкого уровня (1.1).

Входной ток при подаче сигнала высокого уровня (1.2).

Мощность логического элемента при подаче на вход сигнала высокого уровня (1.3).

Мощность логического элемента при подаче на вход сигнала низкого уровня (1.4).

Среднюю мощность логического элемента (1.5).
2. Базовый элемент на МОП- и КМОП-транзисторах.

1. 
   Соберите схемы.
   

Рисунок 4 – Элемент И на МОП-транзисторах

Рисунок 5 – Логический элемент НЕ на КМОП-транзисторах.

Контрольные вопросы:

1. 
   Какова величина напряжения питания элемента ТТЛ логики?
   
2. 
   Какая характерная особенность ТТЛ логики?
   
3. 
   Чему равно напряжение логической единицы?
   
4. 
   Чему равно напряжение логического нуля?
   

Литература.

1. 
   Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. Ростов-на Дону, Феникс, 2000.
   
2. 
   Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций., С.-Перербург, “Корона принт” 1998.
   
3. 
   Перельман Б.Л. Справочник по полупроводниковым приборам, М. Микротех. 1996
   
4. 
   Шихин А.Я. Электротехника, М., Высшая школа, 2001
   
5. 
   Завадский В.А., Компьютерная электроника, ТОО ВЕК, Киев 1996.
   
6. 
   Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника, Горячая линия- Телеком, М. 1999.
   
7. 
   Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC (Electronic Workbench) М., Солон Р, 2000
   
8. 
   Резников Б.Л., Виртуальное исследование полупроводниковых приборов и аналоговых схем на IBM PC, МГТУ ГА, М. 2001.
   
9. 
   Резников Б.Л., Зотов А.Б., Компьютерное моделирование устройств электроники, М., МГТУ ГА, 2001.
   

10. Резников Б.Л., Журавлев А.А., Пособие к выполнению лабораторной работы №4. М., МГТУ ГА, 2002г.

Приложение А
Масштабные коэффициенты, применяемые в системе Micro-Cap Evaluation 9.

Суффикс	Масштабный коэффициент	Наименование
f		Фито
p		Пико
n		Нано
u		Микро
m		Мили
k		Кило
Meg		Мега
g		Гига
t		Тера