Расчёт элементов эмиттерно-связанной логике

Министерство образования Украины

Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По курсу: «Аналоговая и цифровая электроника»

На тему: «Расчёт элемента эмиттерно-связанной логики»

Выполнил: Руководитель проекта:

ст. гр. БТМАС 97-1 Борзенков Б.И.

Нагайченко М.В.

Харьков

1999

РЕФЕРАТ

Курсовой проект о расчёте ЭСЛ: 18 с., 5 рис., 1 приложение, 4 источника.

Объект разработки – элемент эмиттерно-связанной логики.

Цель работы – научиться применять полученные знания на практике.

Данный элемент эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) применяется в аппаратуре собранной на интегральных микросхемах, а также во всей области аппаратуры, которая использует для обработки сигналов двоичный код – логический «0» и «1».

Данный элемент ЭСЛ потребляет намного меньше энергии, чем аналогичные элементы других типов.

Логический элемент ЭСЛ становиться всё более популярней, так как имеет высокую скорость обработки информации.

ЭМИТТЕРНО-СВЯЗАННАЯ ЛОГИКА, ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА, ЭМИТТЕРНО-ЭМИТТЕРНАЯ -СВЯЗАННАЯ ЛОГИКА,ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЦИФРОВАЯ СХЕМА, ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

СОДЕРЖАНИЕ

Задание на курсовое проектирование 2

Реферат 3

Введение 5

1. Выбор схемы логического элемента ЭСЛ 6

2. Расчетная часть 9

Выводы 16

Список используемых источников 17

Приложение А 18

ВВЕДЕНИЕ

Схемы первых интегральных элементов были такие же, как при использовании дискретных компонентов. Однако очень скоро были обнаружены новые возможности интегральной техники, позволяющие создавать схемы с очень выгодными параметрами на совершенно новых принципах. Появились разнообразные ряды интегральных цифровых схем, из которых в настоящее время наиболее распространён ряд ТТЛ (транзисторно-транзисторные логические схемы), а для систем с большим быстродействием наиболее перспективен ряд ЭСЛ (логические схемы с эмиттерной связью).

Наиболее интенсивно развивались не только базовые интегральные схемы. Самые распространённые серии ЦИС дополнены в настоящее время различными интегральными субсистемами, например счётчиками, регистрами, дешифраторами, выпускаются интегральные полупроводниковые запоминающие устройства ёмкостью в несколько миллиардов бит и т.д.

В схемах ЭСЛ транзисторы работают вне области насыщения, поэтому автоматически исключается задержка, вызванная избыточными зарядами. Основным свойством и достоинством схем ЭСЛ является небольшая задержка, величина которой у самых последних типов составляет около 0.01 нс. Принцип действия схем ЭСЛ – логических схем с эмиттерной связью – заключается в переключении точно определённого тока малыми изменениями управляющего напряжения, порядка десятых вольта. Поэтому первоначально их называли переключателями тока и обозначали CML и CSL. Эти схемы были хорошо известны в системах на дискретных элементах, но в связи с большим числом необходимых транзисторов они нашли широкое применение только после внедрения интегральной техники. Последовательно были созданы серии: ЭСЛІ, ЭСЛІІ, ЭСЛІІІ и Э²СЛ (ЭЭСЛ).

С появлением транзистора в 1948 г. началась эпоха полупроводниковой цифровой техник, которая обусловила развитие самых разнообразных систем и устройств обработки информации. Где-то до 70-х годов в этих системах применялись полупроводниковые цифровые схемы на дискретных и пассивных элементах. Однако при использовании этих схем в больших и сложных системах возникли большие проблемы, касающиеся надёжности, экономичности и максимального быстродействия. Решить эти проблемы позволили новые открытия и производственные процессы в полупроводниковой технике, результатом которых явилась реализация интегральных схем.

ВЫБОР СХЕМЫ ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ЭСЛ

Модификацию базового логического элемента ЭСЛ условно можно отнести к следующим группам:

1. С улучшенными эксплуатационными характеристиками;

2. С увеличенными логическими возможностями;

3. Используемые в схемах средней и большой степени интеграции.

1. На рисунке 1.1 приведена схема с повышенным напряжением статической помехоустойчивости . Это достигается за счет увеличения логического перепада. Реализация последнего осуществляется включением эмиттерных повторителей на входе и выходе схемы ЭСЛ. В результате логический перепад в схеме увеличивается и становится равным , в то время как в схеме базового логического элемента ЭСЛ он составит . В этой же схеме величина , а в схеме базового логического элемента .

Н
аходит применение также элемент Э²СЛ (эмиттерно-эмиттерно-связанная логика), являющаяся частью элемент, показанного на рисунке 1.1 с выходами y4 и y3 (без выходных эмиттерных повторителей на транзисторах VT7, VT8). Указанная схема элемента имеет определённые преимущества по сравнению со схемой базового логического элемента: более высокое входное сопротивление и, следовательно, Краз; эквивалентная входная ёмкость почти в 2 раза меньше; меньше суммарная ёмкость коллекторного узла и за счёт этого выше быстродействие.

Рисунок 1.1 – Элемент Э²СЛ

2. Для увеличения логических возможностей элемента ЭСЛ используют различные схемотехнические приёмы. На рисунке 1.2 выходы двух элементов (допускается больше двух выходов) объединены по прямым и инверсным выходам соответственно на нагрузочных резисторах. Для получения логической функции И-ИЛИ применяют схему с коллекторным объединением, рисунок 1.3. В этом случае прямые выходы двух элементов ЭСЛ объединяют на одной коллекторной нагрузке. Чтобы при этом из-за двойного тока не возросла вдвое амплитуда напряжения и, как следствие, транзисторы прямого плеча не оказались в режиме насыщения, предусмотрена специальная цепочка, отводящая избыточный ток и ограничивающая амплитуду напряжения.

Рисунок 1.2 - Схему с коллекторным объединением

Рисунок 1.3 - И-ИЛИ элемент

3. Специфические требования схемотехники средней и большей степени интеграции ЭСЛ – повышение быстродействия и снижение мощности потребления для составляющих элементов. Эти требования достаточно хорошо выполняются элементами МЭСЛ (малосигнальной эмиттерно-связанной логики). На рисунке 1.4 приведена схема элемента МЭСЛ. В такой схеме напряжение питания U_ип=2..3 В. Напряжение логического перепада U_л=0.3..0.4 В; уровни напряжений U⁰=-I_кR_к; U¹=-R_к (I_к – ток нагрузки).

Благодаря снижению напряжения питания и исключению эмиттерных повторителей мощность потребления этой схемой в 3..5 раз меньше, чем в базовом элементе ЭСЛ. Типовое значение средней задержки распространения составляет ; при мощности Р= мВт работа переключения А_пер=5..10 пДж.

Недостатком элемента МЭСЛ – снижение помехоустойчивости и уменьшение коэффициента разветвления до Краз=4..5. Однако, несмотря на указанные недостатки, элемент МЭСЛ перспективен для использования в схемах БИС.

Рисунок 1.4 - схема элемента МЭСЛ

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Для расчёта ЭСЛ воспользуемся параметрами, взятыми из части курсового проекта «ЗАДАНИЕ». Логика построения ЭСЛ – положительная. Рисунок схемы ЭСЛ приведен в приложении А, эпюры напряжения входного сигнала приведены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Эпюра напряжения входного сигнала.

Принимаем падение напряжения на открытом p-n переходе транзисторов (в том числе транзистора нагрузки) диодов одинаковой, т.е. U_бэТ=U_бэТн=U_д=U^*=0.7 В.

Расчет статических параметров.

1. При разработке схем ЭСЛ следует принимать:

(R_к/R_эп)_опт=0.20.4, (2.1)

где R_к – сопротивление коллектора,

R_эп – сопротивление эмиттерного повторителя.

Выбираем из (2.1) 0,3 и преобразуя найдём:

R_эп=R_к/0,3 (2.2)

2. Для определения сопротивления резисторов источника опорного напряжения принимаем следующие отношения:

R₄=(24)R_к; R₅=R_к; R₈=R₃=R₆=R₇;

и получим;

R₃=R_эп; R₄=3R_к; R₅=R_к; R₆=R₇=R_эп; R₈=R_эп. (2.3)

3. Подставим (2.2) и (2.3) в формулу:

, (2.4)

где К_раз – коэффициент разделения по входу;

U_оп – среднее значение между уровнями «1» и «0», равный –1.2 В

и по известным значениям определяем R_к:

подставляем в (2.2) и получим:

4. Из (2.1), (2.3) определяем значение сопротивлений резисторов:

R₁=708 Ом R₃=2360 Ом R₅=708 Ом R₇=2360 Ом

R₂=708 Ом R₄=2124 Ом R₆=2360 Ом R₈=2360 Ом R_б=50 кОм

5. Из формулы:

, (2.5)

определяем входной ток логической единицы (через каждый открытый эмиттерный переход):

6. Из формулы:

, (2.6)

Определить ток логического «0» определяемый сопротивлением R_б в цепи базы закрытого транзистора.

7. Из формулы:

, (2.7)

определяем напряжение порога переключения:

8. Из формулы:

, (2.8)

определяем ширину активной зоны:

9. Из формулы:

,