КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

1. Белов Л.А. Синтезаторы частот и сигналов. –М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. – 80 с

2. Компоненты и технологии, 2001, №7

3. Компоненты и технологии, 2005, №1;

4. Компоненты и технологии, 2006, №4;

5. Компоненты и технологии, 2006, №8;

6. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учеб. пособие для вузов/Уткин Г. М., Благовещенский М. В., Жуховицкая В. П. и др.;Под ред. Г. М. Уткина. - М.: Сов. радио, 1979 – 320 с

7. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2007, №2;

Краснодар, 2008

Цель работы

Изучение основных свойств и характеристик логических элементов. Исследование статических характеристик логических элементов (ТТЛ-логика) с помощью пакета Microcap.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Логическими элементами(ЛЭ) называются устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции. Они обычно используются для построения сложных преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа. В комбинационных устройствах отсутствует внутренняя память. Сигналы на их выходах в любой момент однозначно определяются сочетаниями сигналов на входах и не зависят от предыдущих состояний схемы. Характерной особенностью комбинационных устройств является отсутствие цепей обратной связи.

Понятие ЛЭ может использоваться по крайней мере в двух смыслах:

1) ЛЭ – как «черный ящик», на входы которого подается Х ={x₁x_{2 . . .}x_n}– вектор значений независимых переменных, а на выходе Y = F(X) = {y₁ y₂ …. y_m },

где - F – функциональная модель ЛЭ – булева функция, заданная одним из известных способов;

- x_i_,y_i - булевы переменные, которые могут принимать значения «логический нуль» или «логическая единица»; далее в тексте будем эти значения обозначать 0 или 1.

2) ЛЭ – техническое устройство, на входы которого подаются напряжения (или токи) , на выходах так же присутствуют напряжения или токи, определенные значения которых соответствуют «логическому нулю» или «логической единице». ЛЭ являются «кирпичиками», из которых строятся ИМС (интегральные микросхемы). В ИМС «логическому нулю» или «логической единице» чаще всего соответствуют низкий уровень напряжения – U⁰или высокий – U¹.

ЛЭ в виде «черного ящика» рассматриваются на этапах структурного и функционального проектирования технических устройств. На этапе технического проектирования осуществляется переход от «ЛЭ-черного ящика» к ЛЭ – техническому устройству (конкретной ИМС). В курсе «Схемотехника» ЛЭ рассматриваются как технические устройства, которые кроме функции Y = F(X) характеризуются целым рядом электрических, временных и других параметров.

Для эффективного использования логических элементов ЭВМ при построении на них различных устройств необходимо знать характеристики этих элементов и уметь правильно их интерпретировать.

Различают статические и динамические характеристики ЛЭ. Первые снимаются в установившемся режиме, вторые – в переходном. С помощью снятых характеристик определяют следующие основные параметры элементов: нагрузочную способность, помехоустойчивость, быстродействие, величины U⁰и U¹, потребляемую мощность и т.п.

Нагрузочная способность или коэффициент разветвления по выходу показывает максимальное количество аналогичных элементов, которые могут подключаться своими входами к выходу исследуемого при сохранении его работоспособности. Иногда критерием работоспособности может быть сохранение требуемого быстродействия.

Помехоустойчивость есть невосприимчивость ЛЭ к действию наложенных на входной сигнал отклонений (помех), величина которых лежит в заданных пределах. Если отклонения наложены на нулевой входной сигнал, то это будет помеха нуля. Если же отклонения наложены на единичный сигнал, то это будет помеха единицы.

Величина допустимой амплитуды помехи зависит от длительности этой помехи. При уменьшении длительности допустимая амплитуда помехи возрастает. В связи с этим различают статическую и динамическую помехоустойчивость. Если длительность помехи больше некоторого значения, при котором допустимая амплитуда помехи уже не зависит от её длительности, то такая амплитуда характеризует статическую помехоустойчивость. Динамическая же помехоустойчивость характеризуется зависимостью допустимой амплитуды помехи от её длительности в области малых времён.

Быстродействие ЛЭ характеризуется скоростью перехода из одного состояния в другое. В общем случае скорость перехода элемента из состояния «0» в состояние «1» не равна скорости перехода в обратное состояние. Длительность задержек и фронтов выходных сигналов зависит от быстродействия ЛЭ. Более быстродействующие элементы имеют меньшую длительность задержек и фронтов.

Потребляемая от источника питания мощность Р зависит в общем случае от состояния элемента и частоты его переключения. Средняя мощность, потребляемая схемой в статическом режиме, определяется выражением:

Р _ст= 0.5 Е _п ( I _п ⁰ + I _п ¹ ) .

Здесь I _п ⁰ I _п ¹ – токи, потребляемые схемой в состоянии “0” и “1”; Е _п – напряжение питания исследуемой схемы.

При большой частоте переключения схемы мощность, потребляемая от источника питания, возрастает вследствие перезаряда паразитных ёмкостей и сквозных токов пропорционально частоте переключения. Это возрастание характеризуется динамической мощностью Р _дин . Таким образом, полная мощность равна сумме статической и динамической мощностей.

К статическим характеристикам ЛЭ относятся так же: передаточная, входная, выходная.Передаточная характеристика определяет зависимость выходного напряжения ЛЭ от входного напряжения.

Для снятия этой характеристики многовходовые ЛЭ преобразуют в одновходовые двумя различными способами. Первый способ заклю-чается в объединении всех входов в один вход, тогда элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ превращаются в простые инверторы. Схемы, реализующие эти преобразования, изображены на рис. 1. Знак ^ означает операцию инверсии логической переменной Х. Недостатком такого способа является увеличение входной ёмкости, что уменьшает быстродействие схемы.

Другим способом преобразования элементов является подача на остальные n–1 входы константы «0» или «1». Для схемы ИЛИ-НЕ на эти входы нужно подавать логический «0», а для схемы И-НЕ на оставшиеся n -1 входы нужно подавать логическую «1». Схемы, реализующие второй способ снятия передаточной характеристики, изображены на рис. 2. Здесь для переменной входной величины, подаваемой на один вход ЛЭ, образуется ёмкостная нагрузка только одного входа. На остальные входы подаётся или «0», или «1». Поэтому быстродействие этих схем несколько выше.

Схема для снятия передаточной характеристики приведена на рис. 3. С помощью регулируемого источника напряжение на входе схемы плавно изменяют от нуля (U _вх ⁰) до максимального значения U _вх ¹, одновременно фиксируя изменяющееся выходное напряжение. Результаты измерений заносят в таблицу, строят график U_вых = f ( U _вх). Масштабы U _вх и U _вых при построении графика нужно выбирать одинаковыми.

Типовая передаточная характеристика инвертора изображена на рис. 4.

Рассмотрим два последовательно соединённых идентичных логических элемента (рис. 5). Эти элементы некоторым образом преобразуют входные сигналы: U _вых1= f (U_вх1) ; U_вых2= f (U _вых1). Если графики обеих функций нанести на одну систему координат, используя в качестве общей оси ординат координатную ось U_вых1, то получим, что одна из функций будет обращённой по отношению к другой. Графики этих функций располагаются симметрично относительно биссектрисы прямого угла.

На рис. 6 изображены передаточные характеристики двух ЛЭ, включённых по схеме рис. 5, в случае использования в качестве логических элементов инверторов. Пунктирная линия будет представлять из себя график обращённой передаточной характеристики. Если на вход схемы рис. 5 подать напряжение U₁, то выходное напряжение U₂ ( равное U_R по рис. 6) со второго элемента определится проекцией точки 2 на горизонтальную ось. Если мы имеем n последовательно включённых идентичных элементa, то выходное напряжение с каждого из них определится аналогично методом последовательного переноса точек с одной кривой на другую.

Величина U_п называется пороговым напряжением или напряжением переключения, так как она отделяет область логического нуля от области логической единицы. При прохождении сигнала через последовательно соединённые элементы сигнал должен затухать, если он соответствует логическому нулю; и возрастать до стандартного значения, если он соответствует логической единице. Это будет иметь место тогда, если обращённая передаточная характеристика на участке R-П будет ниже, а на участке П-S выше самой передаточной характеристики. Если это условие не выполняется, то в общем случае на таких элементах невозможно построить различные сложные устройства. Таким образом, передаточная характеристика позволяет определить пригодность элементов к образованию из них сложных узлов или систем.

Рассмотрим теперь входную характеристику – зависимость входного тока от величины входного напряжения I_вх = f _вх ( U_вх). Так как входы схемы идентичны, то можно исследовать только один вход, подавая на остальные нули или единицы в зависимости от типа логического элемента. Схема для снятия входной характе

ристики приведена на рис. 7. C помощью регулируемого источника входное напряжение плавно изменяют от нуля до U_вх ¹, одновременно фиксируя изменяющийся входной ток I_вх. Результаты измерений заносят в таблицу и строят график I_вх=f _вх( U_вх). Для различных типов схем эти характеристики могут иметь различный вид. На рис. 8 изображена типовая входная характеристика транзисторно-транзисторных схем ТТЛ.

Эта характеристика помимо своего прямого назначения позволяет определять входные токи, соответствующие входным напряжениям логического “0” и логической “1”, входное сопротивление и некоторые другие параметры. Кроме того, в совокупности с выходной характеристикой можно определить нагрузочную способность элемента.

Последней –выходной характеристикой ЛЭ называют зависимость выходного напряжения от величины тока нагрузки. Её ещё называют нагрузочной характеристикой. Снимают две выходные характеристики: выходную характеристику нуля и выходную характеристику единицы. Если выходное напряжение схемы соответствует логическому нулю, то снимаемая характеристика будет выходной характеристикой нуля; если же выходное напряжение схемы соответствует логической единице, то снимаемая характеристика будет выходной характеристикой единицы. Ввиду нелинейного режима работы электронных цепей логических элементов эти характеристики отличаются друг от друга.

Типовая выходная характеристика нуля (а) и схема для её снятия (б) изображены на рис. 9. Здесь показана схема для снятия выходной характеристики нуля инвертирующего элемента, поэтому на вход схемы подаётся «1». От этого же источника запитывается и цепь нагрузки, изменением сопротивления Rн которой плавно изменяется ток нагрузки и измеряется зависящее от него выходное напряжение. По этой характеристике можно определить выходное сопротивление схемы на рабочем участке и максимальный ток нагрузки I_н ⁰ _max. Выходное сопротивление R_вых ⁰ определяется как отношение приращения выходного напряжения к соответствующему приращению тока нагрузки: R_вых ⁰ = ΔU_вых⁰ / Δ I_н⁰ _max. Максимальный ток нагрузки определяется в той точке, где выходное напряжение U_вых⁰ начинает резко увеличиваться и может достичь уровня логической единицы ( точка А на рис. 9,а). По величине максимального тока нагрузки можно определить нагрузочную способность испытуемого элемента как отношение I_н⁰ _max к входному току логического нуля : N_max= I_н ⁰ _max / I_вх ⁰ .

Другой выходной характеристикой является выходная характеристика единицы, типовой вид которой (а) и схема для её снятия (б) приведены на рис. 10. В точке В характеристики рис. 10,а незначительное дальнейшее увеличение тока нагрузки приводит к резкому уменьшению выходного напряжения, поэтому ток I_н¹_max является максимальным током нагрузки логической единицы.