Реферат: Разработки функциональной схемы и определение ее быстродействия

Реферат: Разработки функциональной схемы и определение ее быстродействия

          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"

     для прямого и из "0" в "1" инверсного выходов ; 3 -  область  устано-

     вившегося значения "0" для прямого и "1" для инверсного выходов  (  в

     этой области характеристика имеет некоторый наклон, вследствие неиде-

     альности генератора тока ТП ) ; 4 - область насыщения  для  инверснго

     плеча ТП.

          Передаточная характеристика основного элемента  может  быть  ис-

     пользована для анализа выходных уровней напряжения в различных  режи-

     мах работы , оценки формирующих средств и помехозащищенности  элемен-

     тов , определения их совместной работы с другими логическими  элемен-

     тами или специальными элементами.

                                - 7 -

          Для всех расчетов статических и динамических параметров базового

     элемента принят вариант его работы:

          Вариант работы: Ро=    Сн=    M= 6

     ┌───────────────────────────────────────────────────────────────────┐

     │     Расчёт статического режима работы ЛЭ ЭСЛ                      │

     │                                                                   │

     ├───────────────────────────────────────────────────────────────────┤

     │                                                                   │

     │ Rн=  100 Ом  E1= -4.5 В                                           │

     ╞═══════════════════════════════════════════════════════════════════╡

     │                                                                   │

     ├───────────────────────────  E2= -1.8 В  ──────────────────────────┤

     │                                                                   │

     │ Ro( 0) = 400.00 Ом   RK1( 0) = 111.56 Ом   RK2( 0) = 129.64 Ом    │

     │ Io     =   6.25 мА   Io*B    =   7.25 мА   Io*H    =   5.25 мА    │

     │ Iвбэп  =  99.01 мкА  Iнбэп   =  19.80 мкА                         │

     │ Iвэп   =  10.00 мА   Iнэп    =   2.00 мА                          │

     │ Pвэп   =  10.00 мВт  Pнэп    =   2.00 мВт                         │

     │ Pсум   =  37.00 мВт  Po      =  25.00 мВт                         │

     │                                                                   │

     ├───────────────────────────  E2= -2.0 В  ──────────────────────────┤

     │                                                                   │

     │ Ro( 1) = 400.00 Ом   RK1( 1) = 111.56 Ом   RK2( 1) = 129.64 Ом    │

     │ Io     =   6.25 мА   Io*B    =   7.25 мА   Io*H    =   5.25 мА    │

     │ Iвбэп  = 118.81 мкА  Iнбэп   =  39.60 мкА                         │

     │ Iвэп   =  12.00 мА   Iнэп    =   4.00 мА                          │

     │ Pвэп   =  24.00 мВт  Pнэп    =   8.00 мВт                         │

     │ Pсум   =  57.00 мВт  Po      =  25.00 мВт                         │

     │                                                                   │

     ├───────────────────────────  E2= -2.2 В  ──────────────────────────┤

     │                                                                   │

     │ Ro( 2) = 400.00 Ом   RK1( 2) = 111.56 Ом   RK2( 2) = 129.64 Ом    │

     │ Io     =   6.25 мА   Io*B    =   7.25 мА   Io*H    =   5.25 мА    │

     │ Iвбэп  = 138.61 мкА  Iнбэп   =  59.41 мкА                         │

     │ Iвэп   =  14.00 мА   Iнэп    =   6.00 мА                          │

     │ Pвэп   =  28.00 мВт  Pнэп    =  12.00 мВт                         │

     │ Pсум   =  65.00 мВт  Po      =  25.00 мВт                         │

     ├───────────────────────────────────────────────────────────────────┤

     │                                                                   │

     │ Rн=  100 Ом  E1= -5.0 В                                           │

     ╞═══════════════════════════════════════════════════════════════════╡

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6