По полярности логики инверторы бывают положительной и отрицательной логики. По физической реализации наибольшее распространение получили инверторы на транзисторах. На рис.2.1.(в) показана принципиальная схема инвертора на транзисторе типа n-p-n положительной логики с положительным питанием .
2.2. Методика получения основных статических характеристик
Основным статическим характеристикам относятся характеристики: входная, передаточная и выходная.
2.3. Входная характеристика.
Входная характеристика представляет собой зависимость входного тока от изменения входного напряжения , т.е.
Iвх=f (Uвх)
На рис.2.2, (а) приведена схема для снятия входной характеристики, где Rк=1 кОм; R1=3 кОм; R2=4,3к Ом; UИП1=12 В; UИСМ=-3 В; bmin=30; Кнас=1,5; Uкэнас =0,3 В; Iэ*=1 мА; при U*БЭ=0,7 В; UЗ =-0,3 В;
На рис.2.2.(б) показана входная характеристика.
Характерная точка 1. Транзистор Т в режиме отсечки. Считаем, что Uвх1=Uкэ=0,3 В. Определим напряжение Uз на переходе база -эмиттер, пренебрегая током Iк0 из коллектора в базу закрытого транзистора:
UКЭНАС /R1+UИСМ/R2
U3 = ----------------------------- = - 1, 07 В
1/R1+1/R2
`Тогда IВХ1=(UВХ1- U3) / = 0,43 мА .
Характерная точка 2 . Транзистор Т на границе отсечки, когда U3=UОТС=jтln (1+bmin=0,089 В
Напряжение на входе, обеспечивающее этот режим, определим из соотношения
UВХ2/R1+UИСМ/R2
----------------------------- = UОТС ,
1/R1+1/R2
откуда UВХ =2, 17 В .
Тогда IВХ2 = (UВХ2 - UОТС )/R1=0,753 мА .
Характерная точка 3. Ток коллектора IКЗ транзистора Т составляет 0, 1 IК НАС :
IКЗ=01 IК НАС =0,1[(UК- UК Э НАС )]=1,17 мА ;
а ток базы
IБЗ = IКЗ/bmin = 39 мкА ; I*Б = IЭ/(1+bmin) = 32 ,2 мкА
Тогда UБ Э З =U*БЭ - jтln (IБЗ/IБ) = 0,695 В
Напряжение на входе, обеспечивающее UБЭЗ, найдем из соотношения
UВХ3/R1+UИСМ/R2 - IБЗ
---- ------------------------ = UБЭЗ ,
1/R1+1/R2
откуда UВХ3 = 3,73 В .
Тогда IВХ3= (UВХ3 - UБЭЗ)/ R1 = 1.01 мА
Характерная точка 4. Ток коллектора транзистора Т составляет 0,9 IКНАС :
IК4 = 0,9 IКНАС = 10,52 мА,
а ток базы
IБ4 = IК4/bmin = 351 мкА
Тогда UБЭ4 = U*БЭ - jтln (I*Б/IБ4) = 0,762 В
Напряжение на входе, обеспечивающее UБЭ4, определим из соотношения
UВХ4/R1+UИСМ/R2 - IБ4
---------------------------------------------- = UБЭ4,
1/R1+1/R2
откуда UБЭ4 = 4, 92 В
Тогда IВХ4 = (UВХ4 - UБЭ4) = /R1 = 1,38 мА
Характерная точка 5. Транзистор на границе насыщения, поэтому
IБНАС = IКНАС/bmin = 390 мА
I*Б
Тогда UБНАС = U*БЭ - jт ln ---------- = 0,765 В
IБНАС
Напряжение на входе, обеспечивающее границу насыщения транзистора, определим из соотношения
UВХ5/R1+UИСМ/R2 - IБНАС
---------------------------------- = UБЭНАС
1/R1+1/R2
откуда UВХ5 = 5, 06 В
Тогда IВХ5 = (UВХ5 - UБЭНАС)/R1 = 1,43 мА
Характерная точка 6. Транзистор в режиме насыщения. Считаем, что на входе напряжение U1ВХ1, при Краз=3
Uип1/Rк+ КразUБЭнас /R1
UВХ6 = ------------------------------- = 6, 39 В
Rк+Краз/R1
Тогда Iвх6 = (Uвх6 - UБЭнас)/R1 = 1,87 мА
2.4. Передаточная характеристика
Передаточная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения от входного напряжения, т.е. Uвых = f (Uвх) .Для снятия передаточной характеристики используем схему , изображенную на рис. 2.1 (а) . На рис 2.1 (в) приведена передаточная характеристика (краз=3), методику построения которой рассмотрим по характерным точкам .
Характерная точка 1. Транзистор находится на границе режима отсечки :
U = Uотс . В этом случае (Uвх)1 = Uвх2 = 2,17 В; (Uвых)1 = Uвх6 = 6,38 В; (здесь и дальше в скобках обозначены параметры входной характеристики, а без скобок -параметры передаточной характеристики).
Характерная точка 2. Для транзистора Т ток Iк2 = 0,01 Iкнас. В этом случае транзисторы нагрузок насыщены и следовательно,
Uип/Rк+КразUБЭнас/R1 - Rк2
(Uвых)2 = ----------------------------------- = 6,324 В ;
1/Rк+Краз/R1
(IБЭ)2=0,01 Iкнас/bmin= 3,9 мкА ;
I*Б
(UБЭ)2=U*БЭ - jт ln --------- = 0,645 В
(IБ)2
Напряжение на входе, обеспечивающее (UБЭ)2 , найдем из соотношения
(Uвх)2/R1+Uисм/R2 - IБ2
---------------------------- = (UБЭ)2
1/R1+1/R2
откуда (Uвх)2 = 3, 55 В
Характерная точка 3. Транзистор Т в активном режиме , тогда ток коллектора транзисторов нагрузок Iкн = 0,9 Iкнас . В этом случае
(Uвых)3 = Uвх4 = 4,92 В ;
(Iн)3= 3Iвх4=4,608 мА ; (IRK)3=Uип=(Uвых)3/Rк=7,08 мА ;
(Iк)3 = (IRK)3 - (IH)3 = 2, 47 мА ;
I*Б =I*Э/(1+bmin) =32,3 мкА ; (IБ)3 = (Iк)3=(Iк)3/bmin = 82, 4 мкА ;
I*Б
(UБЭ)3 = U*БЭ - jт ln ------- = 0,724 В
(IБ)3
Из выражения
(Uвх)3/R1+Uисм/R2 - (IБ)3
------------------------------- = (UБЭ)3
1+/R1+1/R2
найдем (Uвх)3 = 3,9 В
Характерная точка 4. Транзистор Т в активном режиме, ток коллектора транзисторов нагрузок Iкн = 0,1 Iкнас . Тогда (Uвых)4 = Uвх3 =3,73 В ;
(Iн)4 =3Iвх3 = 3,495 мА; (IRK)4 =(Uип - (Uвых)4/Rк =8,27 мА
(Iк)4 = (IRK)4 -(IН)4 = 4,78 мА ;
(Iк)4 = (IRK)4 /bmin = 1,593 мА ;
(IБЭ)4 = U*БЭ - jт ln[I*Б/(IБ)4] = 0,74
Из выражения
(Uвх)4 = /R1+Uисм/R2
---------------------------------------------- = (UБЭ)4
1/R1+1/R2
найдем (Uвх)4 = 4,2 В
Характерная точка 5. Транзистор Т на границе насыщения . В этом случае (Uвх)5 = Uвх5 = 5,06 В; (Uвых)5 = UКЭнас = 0,3 В .
2.5.Выходная характеристика
Выходная характеристика представляет собой зависимость выходного тока от выходного напряжения, т.е. Iвых = f(Uвых). Для снятия выходной характеристики используем схемы, показанную на рис.2.1 (а). Выходная характеристика строится при отсутствии нагрузки, так как ток нагрузки и является выходным током для двух состояний схемы - открытого и закрытого.
В процессе снятия выходной характеристики подаем напряжение Uвых на выход инвертора , измеряя ток Iвых прибором, включенным между точкой а и выходом. За положительное направление тока Iвых принимаем такое направление, когда ток Iвых втекает в схему элемента. Характеристика снимается для двух состояний элемента : когда на входе «1» (напряжение U1вх) , на выходе «0» (напряжение U0вых) элемент открыт,«включен» и когда на входе «0» (напряжение U0вх), на выходе «1» (напряжение U1вых) , т.е. элемент включен
На рис.2.1.(г) приведена выходная характеристика . Рассмотрим методику её построения .
Элемент включен . При напряжениях Uвых> 0,5 В транзистор переходит из режима насыщения в активный режим работы которого справедливо выражение Iк = bIвх . В этом случае для выходной характеристики на участке 1.
Iвых =bIвх - (Uип - Uвых)/Rк.
Так как Iвх зависит от Краз управляющего элемента, выходную характеристику следует строить для различных значений Краз. Надо помнить, что одна нагрузка для управляющего элемента - рассматриваемый элемент . На участке 2 рис.2.2(г) выходной характеристики Iвых » Iвх .
2.6. Исследование основного элемента транзисторно-транзисторной логики
Логика работы ТТЛ.
На рис.2.6. (а) показано условное обозначение элемента Шеффера на функциональных схемах , где х1 , х2, х3...хn- входы ; у- выход .
Минимальное число входов равно двум. Логика работы элемента Шеффера на три входа представлена таблицей истинности или состояний (табл.2.6) .
Логическое уравнение работы элемента, составленное по табл.1, записывается в виде _____
у=-х1 х2 х3 ;
На рис.2.6 (б) приведена временная диаграмма работы элемента на три входа (здесь Uн ,Uв - нижний и верхний уровни напряжений, соответствующие состояниям «0» и «1» ).