Материал: Цифровые элементы и узлы. лабораторный практикум. Тюрин С.В

Рис.2.4. Передаточная характеристика инвертора

∆U — ширина зоны неопределенности: ∆U=U⁰_пор-U¹_пор - в которой состояние логического элемента не может быть однозначно определено. При U_вх=U¹_пор…U⁰_пор логический элемент можно использовать в качестве усилителя напряжения. Границы зоны неопределенности определяются точками 1, 2 единичного усиления, в которых du_вых/du_вх=1

U^-_макс — максимальная амплитуда динамической помехи (в виде импульса отрицательной полярности), при которой логический элемент не выходит из состояния логи­ческой 1 и не попадает в зону неопределенности: U^-_макс = U¹_мин — U⁰_пор;

U⁺_макс— максимальная амплитуда динамической помехи (в виде импульса положительной полярности), при которой логический элемент не попадает в зону неопределенности из состояния логической 1: U⁺_макс=U¹_пор - U⁰_макс;

U_пор — средний пороговый уровень напряжения переключения логического элемента: U_пор = (U⁰_пор+ U¹_пор)/2;

Входная характеристика I_вх= f(U_вх)— это зависимость входного тока I_вх от напряжения U_вх на одном из входов логического элемента при постоянных напряжениях на остальных. На рис.2.5а изображена входная характеристика логического элемента транзисторно-транзисторной логики.

По входным характеристикам определяют входные токи логических элементов для состояния логического 0 (I⁰_вх≈I⁰_пор) и логической 1 (I¹_вх≈I¹_пор)_.

Выходная характеристика U_вых=f(I_вых) - это зависимость выходного напряжения U_вых от выходного тока I_вых при заданных постоянных напряжениях на входах.

Существует две разновидности выходных характеристик:

U⁰_вых=f(I⁰_вых)— для состояния логического 0;

U¹_вых=f(I¹_вых)— для состояния логической 1, где ток I⁰_вых втекает в логический элемент, а ток I⁰_вых вытекает из него.

Типичный вид выходных характеристик показан на рис. 2.5б. С их помощью определяются максимально допустимые значения выходных токов: I⁰_{вых макс}; I¹_{вых макс}.

Если нагрузкой служат идентичные логические элементы с входными токами I¹_вх, I⁰_вх, то максимальное число подключенных к выходу логических элементов не должно превышать N⁰ < I⁰_{вых мак}/I⁰_вх; N¹ < I¹_{вых мак}/I¹_вх.

Наименьшее из полученных чисел называют коэффициентом разветвления на выходе: N = min(N⁰,N¹),который характеризует нагрузочную способность логического элемента.

Наклон выходной характеристики определяет выходное сопротивление логи­ческого элемента.

Важным параметром логических элементов является также коэффициент объединения по входу (М), определяющий число его входов. Данная величина может достигать значения 6…8.

Мощность и ток, потребляемые логическим элементом от источника питания Е, зависят от его состояния. Обычно пользуются значением средней статической потребляемой мощности Р_ср=E(I⁰_Е + I¹_Е)/2, где I⁰_Е,I¹_Е — токи в состоянии логического 0 и логической 1.

Рис. 2.5. Входная (а) и выходная (б) характеристики

логического элемента

Динамические параметры. Время задержки переключения при прохождении сигналов че­рез логические элементы, характеризующее их быстродействие, можно опреде­лить с помощью переходных характеристик (рис.2.6) по смещению среднего уровня U_ср входного и выходного напряжений. Для оценки быстродействия часто пользуются средним временем задержки

_{tср = (t}¹⁰_+t⁰¹ _)/2

где t¹⁰,t⁰¹ — время задержки переключения при переходе напряжения на выходе логического элемента от U¹ к U⁰ и от U⁰ к U¹. Оно определяет среднее время выполнения одной логической операции или инерционность логического элемента.

Рис. 2.6. Переходная характеристика инвертора

Важными динамическими параметрами логических элементов являются также длительности фронта t^ф и среза t^с формируемых выходных сигналов. Величины этих параметров измеряются на уровнях 0.1 U¹_вых и 0.9 U¹_вых.

Другой способ определения t_ср основан на измерении периода колебаний, возбуждаемых в кольцевом генераторе. Кольцевой генератор представляет со­бой замкнутую цепь с нечетным числом К инверторов (рис.2.7). Если на вход первого инвертора воздействует напряжение U⁰ логического нуля, то на выходе К-го инвертора через некоторое время появляется напряжение U¹ логической единицы и первый инвертор переключается в другое состояние. За один период Т колебаний инвертор переключается дважды, поэтому среднее время задержки t_{ср = Т/2К}

Для получения колебаний в виде прямоугольных импульсов число инверторов выбирают равным 5-9. Этот способ определения t_ср часто используют на практике.

Рис. 2.7. Схема кольцевого генератора

Задержка переключений логических элементов обусловлена паразитными емкостями (С) транзисторных структур. Уменьшение времени задержки связано с уве­личением зарядных токов и, следовательно, потребляемой мощности. Поэтому для оценки качества схемотехнической и конструкторско-технологической реализации логических элементов используют параметр, называемый работой пере­ключения: А=Р_срt_ср. При этом в среднюю мощность включают динамическую со­ставляющую, обусловленную процессами переключений логического элемента. Известно, что при резком изменении напряжения на конденсаторе через него протекает большой ток. Во время переключения логического элемента токи пара­зитных емкостей создают дополнительные потери мощности. Динамическая со­ставляющая средней мощности зависит от частоты переключений и может в не­сколько раз превышать среднюю мощность статического режима.

Основные характеристики логических элементов 155 серии представлены ниже.

2.2. Основные электрические характеристики

2.3. Условия эксплуатации

2.4. Предельно-допустимые эксплуатационные условия и режимы

2.5. Указания по применению и эксплуатации микросхем

1. Исходными данными для выбора типа микросхем, режимов и условий их эксплуатации при проектировании РЭА являются:

– норма электрических параметров;

• величины наработки и срок сохраняемости;

• предельные значения допустимых условий эксплуатации;

• типовые характеристики, определяющие зависимости электрических параметров от режимов и условий эксплуатации.

2. При применении, монтаже и эксплуатации микросхем следует руководствоваться указаниями, приведёнными в разделе 5 ГОСТ 18725-73.

3. Режим работы микросхем в составе аппаратуры не должен превышать режимов и условий эксплуатации, приведённых в справочных данных.

4. Запрещается подведение каких-либо электрических сигналов (в том числе шин “питание”, “земля”) к выводам микросхем, не используемых согласно принципиальной схеме микросхемы.

5. При ремонте аппаратуры замену микросхем необходимо производить при отключенных источниках питания.

6. Микросхемы используются в облегченных условиях и режимах работы по сравнению с номинальными. Работа микросхем в предельно-допустимых условиях и режимах должна быть исключена как в процессе изготовления, настройки, испытаниях аппаратуры, так и в процессе её эксплуатации.

7. При эксплуатация микросхем рекомендуется принимать меры, обеспе­чивающие минимальную температуру нагрева и защиту от воздействия климатических факторов. Такими мерами являются: улучшение венти­ляции, рациональное размещение микросхем в блоках, применение теплоотводящих панелей и экранов, залива компаундами.

8. Не допускается воздействие на микросхемы электростатических разрядов.

9. Свободные входы могут быть подключены к источнику постоянного напряжения 5В±5% через резистор 1ком или к источнику постоянного напряжения 4,5В ±5%. К одному резистору допускается подключение до 20 свободных входов.

3. Лабораторная работа №3

ТЕМА: Схемотехника времязадающих (хронирующих) схем

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получение практических навыков по реализации вспомогательных элементов и узлов цифровых устройств.

ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ: с помощью лабораторной установки «Схемотехника ЭВМ» практически реализовать и исследовать схемы «укорачивания» импульсов, «задержки» импульсов, одновибраторов, автоколебательных и ждущих генераторов, схему подавления дребезга механических контактов.

Схемы, подлежащие реализации и исследованию представлены на рис. 3.1; 3.2; 3.3; 3.5; 3.7; 3.10; 3.11; 3.13. В качестве входного сигнала использовать сигнал ТИ1.

3.1. Краткие теоретические сведения

При построении цифровых схем наряду с решением задач формаль­ного проектирования логических схем различного назначения возникают проблемы реализации функций, не описы­ваемых логическими операциями [3,4]. К ним относятся проблемы построения раз­личных формирователей импульсов (расширение, сужение, задержка), разнооб­разных генераторов прямоугольных импульсов (управляемых и неуправляе­мых), одновибраторов (ждущих мультивибраторов), вспомогательных схем (формирователей сигналов от ме­ханических контактов, формирователей стартовых сигналов включении пи­тания и т. д.). В настоящее время существуют специальные (функциональные) микросхемы, предназначенные для реализации таких функций. Однако в прак­тике инженера нередко приходится строить их и из логических элементов. Ча­ще всего схемной основой таких функциональных узлов являются хронирующие (времязадающие) схемы.

Тер­мин «хронирующая схема» здесь означает электрическую схему (цепь), обеспечиваю­щую заданную временную задержку формирования некоторого уровня напряжения относительно порогового уровня.

3.2. Хронирующие схемы

В простейшем случае в качестве хронирующей может выступать ин­тегрирующая или дифференцирующая RC - цепь. Рис. 3.1 иллюстрирует основную идею такой цепи. Здесь при низком потенциале на входе емкость С разряжена, а на выходе инвертора высокий потенциал. Скачкообразное изменение входно­го потенциала (высокий уровень) вызывает заряд емкости и рост потенциала на входе инвертора. Если пренебречь его входными токами, то при напряже­нии на конденсаторе, большем порогового напряжения инвертора, произойдет переключение его выходного напряжения. Время задержки связано с постоян­ной времени . Аналогичные процессы происходят и в интегрирующей цепи (рис. 3.2).

Реальное воплощение этих схем не может быть получено без учета техни­ческих характеристик используемых элементов.

При этом должны учитываться:

• зависимость времени задержки и/или значений величин емкостей и со­противлений используемых элементов от входных/выходных характери­стик ЛЭ;

• зависимость времени задержки от технологических разбросов параметров элементов схем и температуры;

• конкретные значения амплитуд и знаков токов и напряжений в схемах с реактивными и пассивными элементами.

Учет первого обстоятельства чаше всего связан с конкретной величиной входного тока логического элемента. Так, использование МДП (КМДП) логики позволяет полностью пренебречь входными токами и выбирать значение RC исходя из допустимого выходного тока каскада источника входного сигнала. Напомним, что величина этого тока в десятки — сотни раз больше величины входных токов.

Применение логических элементов с токовым управлением (например ТТЛ) накладывает более жесткие ограничения на максимально допустимую ве­личину резистора RC цепи, исходя из величины входного тока.

Здесь и реально ограничивается величиной несколько кОм.