Гевондян, Иванов, Радюкевич - Электронные ключи ([МиС] Лабораторная №1), страница 2

параметров ключа

Однако подчас затруднительно поставить этот эксперимент (особенно при высоком быстродействии элемента). Тогда прибегают к упрощенной оценке быстродействия исследуемого ключа, используя при этом параметр tзд.р.ср – среднее время задержки распространения сигнала; как интервал времени оно равно полусумме задержки распространения сигнала при выключении tº΄¹зд.р и включении t¹´ºзд.р ключа.

Для оценки tзд.р.ср. собирают цепочку из нечетного числа исследуемых инвертирующих схем и закольцовывают её (рис. 18).

В цепи начинают циркулировать перепады напряжения, период следования которых определяется общей задержкой цепи для положительного и отрицательного перепадов напряжения. Присоединяя осциллограф к выходу любого из закольцованных ключей и оценивая период колебаний в цепи Т , вычисляют среднюю задержку распространения сигнала для одного элемента tзд.р.ср.=0.5Т/n, где n – число элементов (ключей) в кольце.

Рис.18 Схема оценки средней задержки распространения

сигнала в ключе

Р а б о т а № 5. ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Цель работы – получение и исследование основных электрических характеристик и параметров транзисторно-транзисторного ключа.

Обычно во входной цепи таких ключей применяются многоэмиттерные транзисторы, что позволяет иметь у микросхемы несколько равноценных входов (до восьми) и реализовать на её основе логическую функцию И-НЕ. Закон функционирования элемента с двумя входами х1 , х2 и одним инверсным выходом y отображается уравнением y = .

По этой причине рассматриваемые ключи называются транзисторно-транзисторными логическими элементами (ТТЛ-элементами). В свою очередь, более сложные логические элементы серии строятся на основе простейших ТТЛ-ключей.

На рис. 19 показана принципиальная схема ТТЛ-ключа с двумя входами. Логическая операция И реализуется с помощью двухэмиттерного транзистора VT1 и резистора R1, а операция НЕ – на оставшихся транзисторах VT2-VT5, диоде VD1 и резисторах R2…R5, на которых построен сложный инвертор.

Рассмотрим особенности работы такого ключа. Если хотя бы на одном из входов схемы имеется низкий уровень напряжения (логический нуль) , то соответствующий эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора VT1 откроется. Поскольку в этой ситуации втекающий в коллектор транзистора VT1 ток ограничен на уровне Iко транзистора VT2, то многоэмиттерный транзистор VT1 насыщается и его остаточное напряжение Uк.э.н1

составляет при этом не более 0,3В. Потенциал базы VT2, равный Uºвх +Uк.э.н1 , недостаточен для открывания двух последовательно включенных эмиттерных переходов транзисторов VT2 и VT5 , а вместе с ними заперт и транзистор VT3.

В свою очередь, транзистор VT4 и диод VD1 открыты за счет подключения базы VT4 через резистор R2 к положительному полюсу источника питания. При этом на выходе схемы возникает высокий уровень напряжения Vвых=Еn-Iб4R2-Uбэ4-Uак1, достигающий значения 3,6…4,2 В (на открытом эмиттерном переходе транзистора падает напряжение от 0,65 до 0,75 В, а ток в цепи базы VT4 незначителен).

Рис. 19. Принципиальная электрическая схема ТТЛ-ключа.

Если на всех входах ключа одновременно присутствует высокий уровень напряжения (логическая единица), то эмиттерные переходы транзистора VT1 заперты, его коллекторный переход отпирается и связывает последовательно включенные эмиттерные переходы транзисторов VT2 и VT5 через резистор R1 с источником питания схемы. В результате этого транзисторы VT2 и VT5 отпираются до насыщения и выходное напряжение, равное Uк.э.5 , падает до несколько десятых долей вольта (имеем низкий уровень напряжения на выходе схемы, соответствующий логическому нулю). Понижению уровня выходного напряжения способствует запирание транзистора VT4 и диода VD1 , возникающее вследствие недостаточной разности потенциалов между базой VT4 и коллектором VT5 . Эта разность потенциалов образуется из Uк.э.н2~0.3В и Uб.к.н5~0.7В, т.е. приблизительно 1,0В, что недостаточно для отпирания последовательно соединенных эмиттерного перехода транзистора VT4 и диода VD1 .

Цепочка из VT3, R3 и R4 препятствует глубокому насыщению транзистора VT5 после его отпирания за счет отбора части базового тока VT5. Кроме того, транзистор VT3 при выключении транзистора VT5, оставаясь дольше него в насыщении, обеспечивает быстрое удаление избыточного заряда неосновных носителей из области базы. В схеме ТТЛ-ключа каскад на транзисторе VT2 – фазорасщепляющий усилитель, который обеспечивает получение парафазного сигнала для управления транзисторами VT4 и VT5 . Одновременно с этим эмиттерный переход транзистора VT2 выполняет роль “диода” смещения, увеличивая порог переключения схемы и повышая её помехоустойчивость.

Резистор R5 ограничивает ток в цепи транзисторов VT4 , VT5 и диода VD1 при выключении схемы, когда транзистор VT5 ещё не вышел из насыщения, а транзистор VT4 уже открылся.

При включении ключа коллекторный ток транзистора VT5 обеспечивает быстрый разряд емкости в выходной цепи ключа, благодаря чему отрицательный перепад напряжения на выходе имеет малую длительность. При выключении ключа транзистор VT5 запирается, а VT4 отпирается и работает в активном режиме. Эмиттерный ток транзистора VT4 обеспечивает быстрый заряд емкостей на выходе схемы, благодаря чему положительный перепад напряжения на выходе получается коротким. Таким образом, сложный выходной каскад обеспечивает малое время срабатывания ключа даже при значительных емкостных нагрузках.

Задание

1. Снять передаточную характеристику ТТЛ-ключа. Определить уровни выходного сигнала U¹вых и Uºвых, пороговые напряжения U¹вх.пор и Uºвх.пор. Оценит логический перепад ТТЛ-ключа и его статическую помехоустойчивость.

2. Снять входную характеристику ТТЛ-ключа и определить токи I¹вх и Iºвх, .

3. Снять выходные характеристики ТТЛ-ключа во включенном и выключенном состояниях. Определить нагрузочную способность исследуемого ключа в состояниях логической единицы I¹вых и нуля Iºвых .

4. Определить коэффициент разветвления по выходу в каждом из логических состояний.

5. Измерить потребляемую схемой мощность в состояниях логической единицы и нуля и оценить среднюю потребляемую ТТЛ-ключом мощность.

6. Экспериментально определить среднюю задержку распространения сигнала в ТТЛ-ключе.

7. Дать заключение о свойствах исследуемого объекта, сопоставив его параметры с аналогичными у других ключей.

МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТТЛ-КЛЮЧА

В EWB -5.12 pro.

С хему начинают создавать с транзистора , щелкнув мышкой по транзистору,

выбираем любой реальный транзистор из библиотеки ,входят в режим редактирования Edit и в соответствии со справочными данными изменяют

параметры ,далее кнопку Rename,OK-транзистор готов.

В библиотеке EWB -5.12 pro. многоэмиттерного транзистора нет ,его создают из нескольких n-p-n транзисторов ,объединяя их базы и коллекторы.(см. рис. )

С оздав схему ТТЛ ключа,

выделяем её. Далее нажи-

маем кнопку , в Subcircuit пишем название схемы ,

затем выбираем Copy from Circuit (см. рис. ) – вся схема

ограничилась рамкой. Следующий шаг –создаем входные

и выходные контакты , от края схемы протягиваем линию

до границы рамки- появился « пин », закрываем рамку .

Тот модуль , который был создан , будет храниться в нижней строке

меню в квадрате Нажав на и выдвинув на

рабочий стол мы получим модуль ТТЛ-ключа . (Исходную схему , которая осталась на рабочем столе –можно удалить ) Если дважды щелкнуть мышкой по

модулю –можно войти в режим редактирования схемы.Таким образом, можно

создавать свою библиотеку схем, не нагромождать рабочий стол и проводить

экспериметы на уровне функциональных или структурных схем.

Д ля данной работы потребуется создать еще несколько модулей : уровень

л огического нуля , логической единицы и нагрузку Во всех эксперементах будет использоваться седующая структурная схема:

Н а один из входов ТТЛ всегда подается уровень логической

логической единицы ,к выходу подключена нагрузка ,

меняем состояние только на втором входе , в зависимости от поставленной задачи .

Д ля построения передаточной характеристики используют схему (рис.)

Н а генераторе устанавливают пилообразные импульсы F=1 kHz, скважностью 30% , по осциллограммам на входе и выходе строят зависимость Uвых=F(Uвх) .

Эту зависимость можно получить значительно

быстрей ,если использовать анализ DC Sweep.

В этом анализе задается диапазон изменения

амплитуды входного сигнала, шаг и № узла на выходе схемы .

Д ля построения входной характеристики ТТЛ-ключа будет использоваться эта же схема с добавлением источника напряжения, управляемого током

А налогично в этом анализе задается диапазон изменения

а мплитуды входного сигнала, шаг и входной узел.

Выходная характеристика ТТЛ-ключа состоит из двух ветвей.В зависимости от положения кнопки в анализе DC Sweep задают диапазон

изменения источника выходного напряжения Uвых=0-0.1 с шагом =0.01,