С О Д Е Р Ж А Н И Е
1. Техническое задание...................................2
1.1 Исходные данные.......................................3
2. Основные принципы работы элементов серии 500..........4
2.1.Отличительные особенности элементов ЭСЛ типа..........4
2.2.Описание базового элемента............................4
2.3.Принцип работы базового элемента......................4
3. Расчет статических и динамических параметров..........6
3.1.Расчет статических параметров ........................6
3.2.Расчет динамических параметров ......................12
4. Разработка функциональной схемы сумматора (по модулю
2) на 13 входов
4.1.Реализация функциональной схемы на элементах
серии 500.............................................A
4.2.Определение и расчет параметров схемы................
4.2.1. Определение задержки переключения на отрицатель-
ном и положительном фронтах.......................
4.2.2. Определение длительности сигнала..................
4.2.3. Определение средней задержки распростронения
входного сигнала..................................
4.2.4. Определение работы переключения...................
4.2.5. Таблица динамических параметров...................22
5. Выводы................................................22
Приложение 1.............................................
Приложение 2.............................................
- 2 -
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:
1.Разработать функцианальную схему и определить её быстродей-
ствие.
2.Выполнить проектирование и провести расчет статического и пе-
реходного режима работы базового элемента ЭСЛ типа. Описать принцип
работы элемента в статическом и переходном режимах, переключения и их
особенностях.
3.Выбрать и расчитать параметры схемы базового элементав стати-
ческом режиме Rо, Rнагр, Rк1, Rк2, уровни и амплитуды выходного сиг-
нала, суммарную мощность на ЭСЛ схеме.
4.Расчитать и построить входную характеристику I =f(Uвх), пере-
даточную характеристику Uвых =f(Uвх) для прямого и инверсного выхода.
5.Рассчитать и построить переходную характеристику при включении
двух значений емкости нагрузки 1-Сн=0 и Сн = пФ (Uвых=f(t)) для по-
ложительного и отрицательного фронтов сигнала на прямом и инверсном
выходе.
6.Определить по переходным характеристикам и расчитать параметры
схемы задержка переключения на отрицательном и положительном фронтах,
длительность сигнала, среднюю задержку распространения входного сиг-
нала, работу переключения (энергию).Все значения свести в таблицу.
- 3 -
1.1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.
1. Мощность токового переключателя:Р0= мВт.
2. Еп1=-5.0 В ; Еп2=-2.0 В ; Еп0= 0 В.
Нестабильность Еп1 и Еп2 : +-10%
Еоп=-1,2 В
3. Амплитуда выходного сигнала : 0,8 В
Uв=-0,8 В
Uн=-1,6 В
4. Сопротивление нагрузки :
Rн= 100 Ом
Rн= 1000 Ом
5. Емкость нагрузки :
Сн1= 0 пФ
Сн2= пФ
6. Параметры транзистора :
Bo = 100
7. Предельная частота транзистора :
fт= 1,6 ГГц
tпр = 0,1 нс
8. Емкость коллектора:
Ск= 0,5 пФ
9. Падение напряжения :
Uбэо= 0,8 В
- 4 -
2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ СЕРИИ 500.
Серия 500 является системой быстродействующих логических запоми-
нающих и специальных элементов ЭСЛ-типа.
Интегральные микросхемы серии 500 предназначены для применения в
технических средствах и используются для построения быстродействующих
устройств (процессоры,каналы,устройства управления оперативными и
внешними ЗУ и т.п.) Единой Системой ЭВМ.
2.1. ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭСЛ ТИПА.
ИМС серии 500 обладают рядом положительных качеств, которые
обеспечивают их оптимальное использование в быстродействующей цифро-
вой аппаратуре:
1) высоким быстродействием;
2) широкими логическими возможностями;
3) постоянством потребления мощности при повышении частоты;
4) большой нагрузочной способностью;
5) постоянством тока потребления от источника основного
напряжения;
6) малой критичностью динамических параметров к технологии
производства;
7) хорошим соотношением фронта сигнала к его задержке;
8) высокой стабильностью динамических параметров в диапазоне
рабочих температур и при изменении напряжения электропитания;
2.2 ОПИСАНИЕ БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА
На рисунке 1.1 приведена принципиальная электрическая схема ба-
зового элемента ЭСЛ-типа с напряжением питания Еп1=-5.0 В, с источни-
ком опорного напряжения Еоп =-1,2 В и вспомогательным Еп2 =-2.0 В. По
выходу У1 реализуется функция "И-НЕ" (инверсный выход), по выходу У2
реализуется функция "И" (прямой выход). Схема элемента состоит из то-
кового переключателя,содержащего две ветви: первая ветвь на транзис-
торах Т1,Т2; вторая - на транзисторе Т3. Мощность токового переключа-
теля равняется 10 мВт.
Логические уровни "0" и "1" - 0,8 и 1,6 В соответственно.
2.3. ПРИНЦИП РАБОТЫ БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА
Случай 1: На все входы элемента одновременно подаются сигналы
соответствующие логической единице, транзисторы Т1 и Т2 закрываются,
а транзистор Т3 открывается, так как напряжение на его базе выше, чем
на базах транзисторов Т1,Т2, и через него проходит ток, задаваемый
сопротивлением Rо. Этот ток, уменьшенный на значение тока базы тран-
зистора Т3, создает на сопротивлении Rк2 падение напряжения,равное
-0,8 В. С учетом падения напряжения на переходе база-эмитер транзис-
торов эмитерных повторителей Uбэо=-0,8 В получим на прямом выходе
-1.6 В, а на инверсном выходе - 0,8 В .
Случай 2: На один вход элемента, например вход 1, подается сиг-
нал, соответствующий логическому нулю, транзистор Т1 открывается, а
транзистор Т3 закрывается. В этом случае на прямом выходе У2 уровень
напряжения будет -0,8 В, а на инверсном -1,6 В.
- 5 -
ОПИСАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Транзисторы элемента работают в диапазоне от -1,3В до -0,3В. В
активной области меньше -1,3 В транзисторы работают в отсечке, выше
-0,3 В входят в режим насыщения.Транзисторы работают в ненасыщенном
режиме, благодаря чему из задержек переключения исключается рассасы-
вание заряда в транзисторе, увеличивается скорость переключения из
одного логического состояния в другое. Порог переключения элемента
составляет -1,2 В. Выходные эмиттерные повторители обеспечивают малое
выходное сопротивление микросхемы, что удобно при согласовании эле-
ментов в процессе построения многокаскадных схем. Сопротивление Rк1 =
365 Ом выбрано меньше сопротивления Rк2 = 416 Ом из-за разницы напря-
жений на базах в токовом переключателе, так на базах транзисторов
Т1,Т2 напряжение -0,8 В а на базе Т3 постоянно -1,2 В. Если допустить
изменение сопротивления Rк1 в большую сторону, то увеличится напряже-
ние на базе соответствующего эмиттерного повторителя и он призакроет-
ся,и если транзистор Т1 или Т2 открыты,то увеличится напряжение на
инверсном выходе. (В этом и последнем предложении напряжение рассмат-
ривается как разность потенциалов).
В случае изменения сопротивления Rк2 - ситуация аналогична, из-
менение сопротивления Rо в большую сторону приводит к уменьшению то-
ка,протекающего по открытому транзистору,и уменьшению напряжения на
базе эмиттерного повторителя, соответственно уменьшается выходное
напряжение.
ОПИСАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Динамические параметры базового элемента зависят от сопротивле-
ния и емкости нагрузки. При емкости нагрузки, равной нулю, и увеличе-
нии сопротивления нагрузки,время фронта нарастания и спада сигнала, а
также время переключения элемента - уменьшается. Это происходит из-за
того, что уменьшается входная емкость и вместе с ней время переходно-
го процесса. Но при емкости нагрузки, отличной от нуля, характер пе-
реходных процессов изменяется. Время фронта Uвых(t+) при увеличении
сопротивления нагрузки продолжает немного уменьшаться, а время фронта
и время переключения Uвых(t-) начинает рости, и колебательный процесс
на выходе Uвых(t+) становится более выраженным. Для уравнивания вре-
мени переключения с "1" в "0" и с "0" в "1", а также для уменьшения
бросков напряжения на Uвых(t+) при переходных процессах выбирается
Rн=100 Ом.
- 6 -
3. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
3.1. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА
Важнейшими характеристиками ИМС серии 500 являются входная,пере-
даточная и выходная характеристики.
ВХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Входная характеристика используется для определения нагрузочной
способности элементов при работе на аналогичные элементы или при под-
ключении их в качестве нагрузки к специальным элементам , а также для
оценки помехозащищенности элементов. Входная характеристика представ-
ляет собой зависимость входного тока от входного напряжения.
На входной характеристике ЭСЛ элемента можно выделить четыре об-
ласти, соответствующие четырем возможным режимам работы входной цепи
ИС: 1 - входной транзистор закрыт ; входной ток определяется сопро-
тивлением базового резистора,подключенного ко входу; 2 - происходит
отпирание входного транзистора; нелинейный участок определяется воз-
растающим базовым током входного транзистора; 3 - входной транзистор
открыт; входной ток незначительно увеличивается из-за увеличения
эмиттерного тока ТП и увеличения тока через базовый резистор; 4 -
входной транзистор открыт до насыщения; базовый ток транзистора зна-
чительно увеличивается при повышении входного напряжения (режим нера-
бочий).
ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Передаточная характеристика представляет собой зависимость вы-
ходного напряжения микросхем от входного напряжения при переключении
схемы из одного состояния в другое. На передаточной хапрактеристике
можно выделить четыре области : 1 - область установившгося значения
низкого выходного напряжения лог."1" для прямого и высокого напряже-
ния лог."0" для инверсного выходов; 2-зона переключения из "1" в "0"