Расчёт элементов эмиттерно-связанной логике

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)

1	2