Методические указания по выполнению лаборыторной работы №4 по дисциплине Электроника и микроэлектроника (Методические указания по выполнению лаборыторной работы №4 по дисциплине "Электроника и микроэлектроника ")

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТимени Н.Э. БАУМАНАМетодические указанияпо выполнению лабораторных работпо единому комплексному заданию по блоку дисциплины«Электроника и микроэлектроника»МГТУ имени Н.Э. БауманаМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТимени Н.Э. БАУМАНАМетодические указанияпо выполнению лабораторных работпо курсу«Электроника и микроэлектроника»МоскваМГТУ имени Н.Э. Баумана2012УДК 681.3.06(075.8)ББК 32.973-018И201Методические указания по выполнению лабораторных работ по единомукомплексному заданию по блоку дисциплины «Электроника имикроэлектроника» / Коллектив авторов –М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 16 с.: ил.В методических указаниях рассмотрены основные этапы, их последовательность и содержаниепо выполнению лабораторных работ по единому комплексному заданию по блоку дисциплин«Электроника и микроэлектроника».Ил.

39. Табл. 5. Библиогр. 7 назв.УДК 681.3.06(075.8)© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012АННОТАЦИЯВ данной лабораторной работе представлены к проработки следующие темы: работапринципиальных электрических схем, в составе которых присутствуют ключи, изучениярежимов работы последовательно включенных схем с ключами и параллельно включенныхсхем с ключами, изучение переходного процесса схемы с ключом и анализ мощностныххарактеристик схемы.ANNOTATIONThis paper presents a laboratory to study the following topics: the work of schematic diagrams,which are present in the keys, the study of modes of series-connected circuits with keys and circuitsconnected in parallel with the keys, the study of transient circuit analysis with the key and powercharacteristics of the circuit.СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ………………………………………….………………………………...……….……….....….…..61 ИЗУЧЕНИЕ ВИДОВ ПОДКЛЮЧЕНИЯ СХЕМ С КЛЮЧАМИ………….…..…………………...…….….71.1 Анализ работы схем с ключом……………………………..…………...………..……...….………71.2 Измерение потребляемой мощности схемой..……………………....…………………..………..12ВЫВОДЫ…………………………………………………………………………….…………….….......……..15СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКО…….………………….………………………....................16ВВЕДЕНИЕЦель работы – получение и исследование основных электрических характеристик ипараметров транзисторно-транзисторного ключа.Обычно во входной цепи таких ключей применяются многоэмиттерные транзисторы, чтопозволяет иметь у микросхемы несколько равноценных входов (до восьми) и реализовать на еёоснове логическую функцию И-НЕ.

Закон функционирования элемента с двумя входами х1 , х2 иодним инверсным выходом y отображается уравнением y = x1 x 2 .По этой причине рассматриваемые ключи называются транзисторно-транзисторнымилогическими элементами (ТТЛ-элементами). В свою очередь, более сложные логические элементысерии строятся на основе простейших ТТЛ-ключей.На рис.

19 показана принципиальная схема ТТЛ-ключа с двумя входами. Логическая операцияИ реализуется с помощью двухэмиттерного транзистора VT1 и резистора R1, а операция НЕ – наоставшихся транзисторах VT2-VT5, диоде VD1 и резисторах R2…R5, на которых построен сложныйинвертор.Рассмотрим особенности работы такого ключа. Если хотя бы на одном из входов схемы имеетсянизкий уровень напряжения (логический нуль) , то соответствующий эмиттерный переходмногоэмиттерного транзистора VT1 откроется.

Поскольку в этой ситуации втекающий в коллектортранзистора VT1 ток ограничен на уровне Iко транзистора VT2, то многоэмиттерный транзистор VT1насыщается и его остаточное напряжение Uк.э.н1составляет при этом не более 0,3В. Потенциал базы VT2, равный Uºвх +Uк.э.н1 , недостаточендля 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 черезрезистор R2 к положительному полюсу источника питания.

При этом на выходе схемы возникаетвысокий уровень напряжения Vвых=Еn-Iб4R2-Uбэ4-Uак1, достигающий значения 3,6…4,2 В (наоткрытом эмиттерном переходе транзистора падает напряжение от 0,65 до 0,75 В, а ток в цепи базыVT4 незначителен).Рисунок - 1 Принципиальная электрическая схема ТТЛ-ключаЕсли на всех входах ключа одновременно присутствует высокий уровень напряжения(логическая единица), то эмиттерные переходы транзистора VT1 заперты, его коллекторный переходотпирается и связывает последовательно включенные эмиттерные переходы транзисторов VT2 и VT5через резистор R1 с источником питания схемы. В результате этого транзисторы VT2 и VT5отпираются до насыщения и выходное напряжение, равное Uк.э.5 , падает до несколько десятыхдолей вольта (имеем низкий уровень напряжения на выходе схемы, соответствующий логическомунулю).

Понижению уровня выходного напряжения способствует запирание транзистора VT4 и диодаVD1 , возникающее вследствие недостаточной разности потенциалов между базой VT4 и коллекторомVT5 . 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 транзистораVT4 и диода VD1 .Цепочка из VT3, R3 и R4 препятствует глубокому насыщению транзистора VT5 после егоотпирания за счет отбора части базового тока VT5. Кроме того, транзистор VT3 при выключениитранзистора VT5, оставаясь дольше него в насыщении, обеспечивает быстрое удаление избыточногозаряда неосновных носителей из области базы.

В схеме ТТЛ-ключа каскад на транзисторе VT2 –фазорасщепляющий усилитель, который обеспечивает получение парафазного сигнала дляуправления транзисторами VT4 и VT5 . Одновременно с этим эмиттерный переход транзистора VT2выполняет роль “диода” смещения, увеличивая порог переключения схемы и повышая еёпомехоустойчивость.Резистор R5 ограничивает ток в цепи транзисторов VT4 , VT5 и диода VD1 при выключениисхемы, когда транзистор VT5 ещё не вышел из насыщения, а транзистор VT4 уже открылся.При включении ключа коллекторный ток транзистора VT5 обеспечивает быстрый разрядемкости в выходной цепи ключа, благодаря чему отрицательный перепад напряжения на выходеимеет малую длительность.

При выключении ключа транзистор VT5 запирается, а VT4 отпирается иработает в активном режиме. Эмиттерный ток транзистора VT4 обеспечивает быстрый заряд емкостейна выходе схемы, благодаря чему положительный перепад напряжения на выходе получаетсякоротким. Таким образом, сложный выходной каскад обеспечивает малое время срабатывания ключадаже при значительных емкостных нагрузках.1 ИЗУЧЕНИЕ ВИДОВ ПОДКЛЮЧЕНИЯ СХЕМ С КЛЮЧАМИ1.1 Анализ работы схем с ключомПередаточная характеристика ТТЛ ключа:Рисунок - 2 Структурная схема ключаОсциллограммы входного и выходного сигналов:Рисунок - 3 Входной и выходной сигнал на схемеСигнал пройдя выпрямительный элемент, роль которого может выполнить диодный мостстановится импульсным с верхним и нижним уровнями.Uвх1 = 4,3 В;Uвых1 = 4,3 В;Uвх0 = 0,72 В;Uвых0 = 0,72 В;=1,06 В;=1,4 В;Рисунок - 4 График зависимости выходного напряжения цепи от входного напряженияВходная характеристика ТТЛ ключа:Рисунок - 5 Структурная схема ключа с дополнительными элементамиНа структурной схеме видно, что к старой схеме с ключом добавлены новые элементы, которыеповлияют на работу цепи в целом=36,8 мкА;= -946,7 мкА.Рисунок - 6 График зависимости выходного напряжения цепи с дополнительными элементами отвходного напряженияВыходные характеристики ТТЛ ключа:Рисунок - 7 Структурная схема ключа с дополнительными элементами и с ключомНа структурной схеме видно, что к старой схеме с ключом добавлены новые элементы, которыеповлияют на работу цепи в целомВо включенном состоянии:Рисунок - 8 Осциллограмма цепи во включенном состоянииВ выключенном состоянии:Рисунок - 9 Осциллограмма цепи в выключенном состоянииВо включенном состоянии осциллограмма стремится к определенному экстремумы.1.2 Измерение потребляемой мощности схемойИзмерение потребляемой схемой мощности:0: I = 1,081 мА;1: I = 3,247 мА;P1 = 16,235 мВт;мВт.P2 = 5,405 мВт.

Pпотр. = 10,82Рисунок - 10 Принципиальная электрическая схема с каскадным усилением и с защитным диодомАвтогенератор прямоугольных импульсов:Рисунок - 11 Структурная схема последовательно включенных ключейНа структурной схеме изображены последовательно включенные ключиРисунок - 12 Осциллограмма выходного сигнала ключа, который не закрытОпределение средней задержки распространения сигнала в ТТЛ ключе.(нс)Рисунок - 13 Осциллограмма задержки в ключеТаблица истинности ТТЛ ключа:Рисунок - 14 Схема виртуальных индикаторовВиртуальные индикаторы показывают, что первый и второй ключ открыты, а третий закрытРисунок - 15 Осциллограмма виртуального тестового блокаНа основе осциллограммы можно сделать вывод что не все ячейки находятся в рабочемсостоянииRS-триггер:Рисунок - 11 Структурная схема паралельно включенных ключейТаблица 1 – Уровни сигналов до и после переходного процессаQ(t)00001111S00110011R01010101Q(t+1)001*101*Уровни сигналов до переходного процесса и после переходного процесса могут отличаться, амогут совпадатьВЫВОДЫПодключение форсирующего конденсатора увеличивает время быстродействия ключа.

Изза ёмкостной нагрузки быстродействие ключа значительно снижается.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Основы теории цепей: Учебник для вузов/ Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил,С.В. Страхов. – 5-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 2007. – 528 с.2. Теоретические основы электротехники. В 3-х ч. – Ч. I. Атабеков Г.И. Линейныеэлектрические цепи: Учебник для вузов. – 5-е изд., испр. и доп. – М.: Энергия, 2008. –592 с.3.

Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. В 2-х т.: Учебникдля вузов. Том 1. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоиздат, 2007. – 536 с..