Xreferat.com » Рефераты по коммуникации и связи » Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

ЗНАКОМСТВО С ПРОГРАММОЙ MICRO-CAP. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ


1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ


Ознакомиться с программой схемотехнического моделирования и проектирования MC8DEMO из семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) фирмы Spectrum Software. Изучить характеристики ключевых схем на биполярных транзисторах и базовых схем логических элементов ТТЛ, используя возможности программы MC8DEMO.


2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ MC8DEMO


Программа MC8DEMO является студенческой или демонстрационной версией, которая предназначена для моделирования простых электронных схем, содержащих не более 50 компонентов или 100 связей, что вполне достаточно для изучения базовых схем цифровой техники и их характеристик. Эта программа свободно доступна на сайте spectrum-soft.

Программа позволяет создавать проектируемые аналоговые, цифровые и смешанные аналого-цифровые электрические схемы, выполнять их ввод для моделирования и получения характеристик, изменять параметры схем для получения требуемых характеристик.

Программа позволяет выполнять анализ нелинейных электронных схем по постоянному току, выполнять расчет переходных процессов, рассчитывать частотные характеристики. Есть средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров. Программа может строить графики результатов моделирования.

Спроектированные и отработанные схемы, а также графики, отображающие их характеристики, могут выводиться в графическом виде для документирования.

Для освоения студенческой или профессиональной версии программы Micro-Cap следует обратиться к источнику [ 1 ].


3. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ КЛЮЧЕЙ


3.1. СТАТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ


Роль коммутирующего ключевого элемента в ключах рис.1,2 играет выходной транзистор, который в статических состояниях находится либо в режиме отсечки (пропускает минимальный остаточный ток, близкий к нулевому), либо в режиме насыщения (на нем падает минимальное остаточное напряжение, близкое к нулевому), и только при смене состояний он в течение некоторого времени находится в активной области.


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)


Остаточный ток и остаточное напряжение являются главными статическими параметрами ключа.

В запертом состоянии ключа рис.1, строго говоря, должно выполняться условие Uвх < 0. В этом случае эмиттерный и коллекторный p-n переходы транзистора смещены в обратном направлении. Однако кремниевый p-n переход остается запертым и при положительном напряжении, если Uвх < U0 (U0Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)0,7В – напряжение на открытом p-n переходе, которое считают напряжением отпирания p-n перехода). При этом токи всех трех выводов транзистора обычно не превышают долей микроампера. Простейшей моделью (схемой замещения) запертого кремниевого транзистора является разрыв всех его выводов (рис.3,а).

Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)


В данной лабораторной работе исследуются ключи на кремниевых транзисторах, поэтому токи запертого транзистора в последующем изложении считаются нулевыми.

В режиме насыщения транзистора оба p-n перехода смещены в прямом направлении. В таком случае напряжение UбэЗнакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)U0, а остаточное напряжение между коллектором и эмиттером Uкн = Uр + Iкн rк , где Uр – разность напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах; Iкн - ток коллектора; rк - сопротивление коллекторного слоя. Обычно полное остаточное напряжение Uкн составляет 50-100 мВ, что много меньше напряжения Eк, поэтому в последующем изложении остаточное напряжение Uкн считается нулевым. В таком случае простейшей моделью (схемой замещения) насыщенного кремниевого транзистора является схема рис.3,б. Резистор rб учитывает сопротивление открытого эмиттерного p-n перехода.

В состоянии нормального активного усиления эмиттерный p-n переход открыт, а коллектрный – смещен в обратном направлении (в состоянии инверсного усиления – наоборот). Простейшая модель транзистора в режиме усиления представлена на рис.3.в. Усилительные свойства транзистора учитываются включением между коллектором и эмиттером зависимого генератора тока BIб . Напряжение на открытом эмиттерном переходе учитывается включением между базой и эмиттером транзистора генератора эдс U0.

Для определения статических токов и напряжений в ключах рис.1,2 можно использовать простейшие модели транзисторов, приведенные на рис.3, в соответствии с рабочими режимами транзисторов.


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)


Для схемы рис.1 при использовании соответствующей схемы замещения имеем:


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 1 )


Минимальный базовый ток, который требуется для насыщения (граничный режим между насыщенным и активным), находится по известному значению коллекторного тока Iкн:


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 2 )

Глубина насыщения транзистора (коэффициент насыщения s) характеризуется отношением реального тока Iб к минимальному току базы, который требуется для насыщения:


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 3 )


Из (1) и (2) можно определить минимальное напряжение Uвх , которое требуется для насыщения, положив Iб = Iбн :


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 4 )


При подключении нагрузки к выходу ключа статические уровни выходного напряжения изменяются. В цифровых схемах ключ, как правило, нагружает входная цепь другого ключа такого же типа (или несколько одинаковых ключей), как показано на рис. 4. Такая нагрузка практически не влияет на режим насыщенного транзистора, так как входы внешних ключей при этом имеют потенциал, практически равный нулевому, транзисторы внешних ключей закрыты, входной ток в них отсутствует, составляющая тока нагрузки в анализируемом ключе тоже отсутствует.

Нагрузка, подключаемая по схеме рис.4, влияет на режим закрытого транзистора. В этом случае на выходе анализируемого ключа высокий уровень напряжения – внешние ключи открыты. Внешнюю цепь нагрузки можно заменить эквивалентным резистором нагрузки Rн, включенным между коллектором и эмиттером закрытого транзистора. Ток нагрузки (вытекающий из ключа), который протекает через резистор Rк, понижает уровень выходного напряжения в анализируемом ключе. Он теперь равен


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 5 )

Для интегральных логических элементов, в которых используются биполярные насыщенные транзисторы, характерна схема ключа (инвертора) с управляющим (коммутирующим) входным транзистором (рис.2). В элементах ТТЛ для расширения логических возможностей входной транзистор Т1 делается многоэмиттерным (в таком случае схема реализует логическую операцию И-НЕ).

Управляющее напряжение Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)в ключе рис.2 однополярное (положительное). При условии, что напряжение Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)есть выходное напряжение другого ключа такого же типа, оно может изменяться от Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) до Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) В ключе рис.2 в отличие от ключа рис.1 токи выходного транзистора Т2 в статических состояниях от напряжения Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)практически не зависят.

При Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) транзистор Т1 находится в насыщенном состоянии, т.к. оба его перехода смещены в прямом направлении (потенциал базы транзистора Т1 выше потенциала его эмиттера и коллектора, т.к. Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), а Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)). Для насыщенного транзистора Т1 имеем Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), тогда Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)<Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), поэтому транзистор Т2 закрыт и Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)Ток базы транзистора Т2 при этом отсутствует. Вытекающий ток Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)замыкается через источник управляющего напряжения Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)и задается резистором Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ):


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 6 )


Если Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), транзистор Т1 находится в статическом состоянии инверсного усиления, т.к. его эмиттерный переход смещен в обратном направлении (потенциал эмиттера Т1 выше потенциала базы, т.к. Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), а Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)), а его коллекторный переход – в прямом (Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)>Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)). В режиме инверсного усиления “нормальный” коллектор Т1 фактически является эмиттером, “нормальный” эмиттер – коллектором, поэтому в данном случае Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)(ток Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)- вытекающий, а токи Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)и Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)- втекающие). Из-за существенной асимметрии структуры транзистора коэффициент передачи тока базы Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)в режиме инверсного усиления мал (Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)<<1), поэтому втекающий ток Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)тоже мал (Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)), а вытекающий ток Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)практически равен току Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ):


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) . ( 7 )


Для насыщения транзистора Т2 требуется, чтобы Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) (s > 1).

Влияние нагрузки на работу ключа рис.2 рассмотрим при условии, что нагружают анализируемый ключ один или несколько ключей такого же типа, рис.5. Анализ показывает, что на режим работы ключа, когда транзистор Т2 закрыт, нагрузка практически не влияет, т.к. все входные транзисторы внешних ключей нагрузки имеют на эмиттерах высокий потенциал и работают в режиме инверсного усиления с весьма малыми входными токами, которые практически не нагружают анализируемый ключ.

В состоянии, когда транзистор Т2 насыщен, входные транзисторы внешних ключей также насыщены, вытекающие эмиттерные токи внешних ключей в сумме образуют дополнительную составляющую коллекторного тока транзистора Т2, обусловленную нагрузкой. Внешнюю цепь нагрузки можно заменить эквивалентным резистором нагрузки Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), включенным параллельно резистору Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Коэффициент насыщения нагруженного ключа меньше, чем у не нагруженного (sн < s). Если сопротивление Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)слишком мало, открытый транзистор Т2 работает в активном режиме при соответствующем увеличении уровня выходного напряжения.


3.2 ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ


Быстродействие ключевого элемента определяется максимально допустимой частотой входных переключающих сигналов. Быстродействие зависит от общей длительности переходного процесса, обусловленной двумя факторами: собственной инерционностью ключевого транзистора (конечной скоростью изменения заряда в базе) и влиянием паразитных параметров (конечной скоростью изменения напряжения на барьерных и паразитных емкостях).

Переходный процесс переключения транзистора из запертого состояния в насыщенное содержит три стадии: задержки отпирания эмиттерного перехода, формирования фронта включения, накопление заряда в базе.

Задержка отпирания транзистора равна времени заряда барьерных емкостей до напряжения отпирания транзистора U0. Практически задержка проявляется в сдвиге фронта включения относительно фронта входного отпирающего сигнала (импульса). В большинстве практических случаев задержка отпирания невелика и существенно меньше длительности фронта включения.

Формирование фронта включения начинается с появления ступеньки базового тока Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) вследствие отпирания эмиттерного перехода. В насыщенных ключах ступенька тока Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) достаточна для последующего насыщения транзистора: Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)>Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Если пренебречь влиянием емкостей на переходный процесс, поведение ключа на стадии формирования фронта включения непосредственно обусловлено процессом изменения заряда неосновных носителей в базе транзистора, который описывается уравнением:


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 8 )


где Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)- время переноса заряда через базу в нормальном режиме (время жизни неосновных носителей в базе), которое проявляется как постоянная времени переходной характеристики транзистора.

Формирование фронта включения происходит при существовании активного режима работы пока выполняется условие Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)<Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Окончание фронта включения соответствует моменту, когда заряд Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)становится равным Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

В общем случае, когда нужно учитывать влияние емкости коллекторного перехода Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)и емкости нагрузки Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), при анализе вместо Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)следует пользоваться эквивалентной постоянной времени Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ):


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 9 )


Длительность фронта включения рассчитывается по формуле


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ( 10 )


Для схемы рис.1 ток Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)рассчитывается по (1), для схемы рис.2 Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)=Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и рассчитывается по (7).

Если условие насыщения не выполняется (Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)), для определения времени включения следует использовать формулу


Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) . ( 10а )


Накопление заряда в базе происходит уже в насыщенном транзисторе. Начиная с момента Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), все три внешних тока транзистора не меняются. Однако заряд в базе продолжает нарастать по экспоненциальному закону, и этот процесс заканчивается лишь через время Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), которое называют временем накопления. Значение Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)может существенно отличаться от величины Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) (

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: