Студентам > Курсовые > Расчёт элементов эмиттерно-связанной логике
Расчёт элементов эмиттерно-связанной логикеСтраница: 1/2
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.
1 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 .
Находит 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 Uип=2..3 В. Напряжение логического перепада Uл=0.3..0.4
В; уровни напряжений U0=-IкRк; U1=- Rк (Iк
– 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 Апер=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
2 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. UбэТ=UбэТн=Uд=U*=0.7
В.
Расчет статических параметров.
2.1 При разработке схем ЭСЛ следует принимать:
(Rк/Rэп)опт=0.2¸0.4,
(2.1)
где Rк – сопротивление коллектора,
Rэп – сопротивление эмиттерного
повторителя.
Выбираем из (2.1) 0,3 и преобразуя найдём:
Rэп=Rк/0,3
(2.2)
2.2 Для определения сопротивления резисторов источника опорного
напряжения принимаем следующие отношения:
R4=(2¸4)Rк; R5=Rк; R8=R3=R6=R7;
и получим;
R3=Rэп; R4=3Rк; R5=Rк; R6=R7=Rэп; R8=Rэп.
(2.3)
2.3 Подставим (2.2) и (2.3) в формулу:
,
(2.4)
где Краз –
коэффициент разделения по входу;
Uоп –
среднее значение между уровнями «1» и «0», равный –1.2 В
и по известным значениям
определяем Rк:
 
подставляем в (2.2) и
получим:

2.4 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 Rб=50
кОм
2.5 Из формулы:
, (2.5)
определяем входной ток
логической единицы (через каждый открытый эмиттерный переход): 
2.6 Из формулы:
,
(2.6)
Определить ток логического
«0» определяемый сопротивлением Rб в цепи
базы закрытого транзистора.

2.7 Из формулы:
,
(2.7)
определяем напряжение порога
переключения:

2.8 Из формулы:
,
(2.8)
определяем
ширину активной зоны:

2.9 Из формулы:
,
(2.9)
определяем логический
перепад:

2.10 Из формулы:
 ,
(2.10)
определяем
напряжение статической помехоустойчивости по уровню “0” и “1”.

2.11 Из формулы:
,
(2.11)
определяем ток логической
части элемента :
2.12 Из формулы:
(2.12)
и
, (2.13)
определяем
точки эмиттерных повторителей:


2.13 Из формулы:
(2.14)
и
,
(2.15)
определяем ток
источника опорного напряжения:


2.14 Из формулы:
,
(2.16)
определяем общий ток,
потребляемый элементом в состоянии “0” и (“1”):

2.15 Из формулы:
, (2.17)
определяем мощность
потребляемым логической частью элемента:
 
2.16 Из формулы:
,
(2.18)
определяем
мощность эмиттерных повторителей:

2.17 Из формулы:
,
(2.19)
определяем мощность потребляемую источником опорного напряжения:

2.18 Из
формулы (2.17), (2.18), (2.19) определяемм суммарную мощность потребляемая
элементом (одинаковая для состояния “0” и “1”):

2.19 Из формулы:
,
(2.20)
,
(2.21)
|