Типовые расчёты - тип логики ТТЛ (КурсачКоретников - ТТЛ)

Посмотреть архив целиком

Московский Энергетический Институт

(ТУ)

Кафедра: Полупроводниковая Электроника










Курсовой проект

по курсу “Электронные цепи и микросхемотехника”









Выполнил : Ле Ван Ван

Группа : ЭР-05-01

Проверил: Каретников .И.А





Москва 2004


Оглавление.























































Задание курсового проекта


Спроектировать генератор линейно-изменяющегося напряжения, обеспечивающий в нагрузке (Rн) амплитуду рабочих импульсов, регулируемую в пределах от 0 Uвых m. Длительность импульса должна регулироваться и находится в пределах Tи min Tи max. Период следования импульсов регулируется и находится в пределах Tmin Tmax. Обеспечить длительность переднего и заднего фронтов импульса не более tф.

Форма напряжения рабочего импульса и его амплитуда могут быть согласованы с консультантом .

Генератор выполняется с использованием стандартных логических элементов (ЛЭ) ТТЛ ,либо КМОП однотипных для всего генератора ,либо таймеров (формирователей) на основе ТТЛ и ЛЭ ТТЛ (Т-ТТЛ) или таймеров на основе КМОП и ЛЭ КМОП (Т-КМОП) .Для ГЛИНа также допускается использование операционных усилителей (ОУ).

Спроектировать стабилизатор напряжения, обеспечивающий питание генератора импульсов, используя интегральный стабилизатор напряжения. Нестабильность выходного напряжения стабилизатора не хуже 7вD 0%. Eпит при нестабильности напряжения сети 20%.


Данные к курсовому проекту



Параметры

Значение

Uвых-max , В

15

Ти-min, мкс

50

Ти-max, мкс

350

tф, мкс

15

Rн, кОм

2

Сн, пф

300

Т-min, мкс

3500

T-max, мкс

17500

Тип логики

ТТЛ

ε

-

ΔЕпит, %

3*10-1

Вид импульса



































Блок-схема генератора.







ЗГ – задающий генератор (мультивибратор),

ДЦ – дифференцирующая цепь,

ЖМВ– ждущий мультивибратор,

УМ– усилитель мощности,

Rн, Cн – нагрузка генератора,

Рис 2.

На Рис 1 представлены осциллограммы в характерных точках генератора.

Задающий генератор (мультивибратор автоколебаний) формирует на выходе (точка 1) импульсы прямоугольной формы. Эти импульсы подаются на дифференцирующей цепи (ДЦ). Их назначение: создать на своих выходах (точка 2) короткие импульсы, которыми затем будут запускаться ждущие мультивибраторы (ЖМВ). ЖМВ формирует на своём выходе основной импульс, длительность которого меняется от Tи min до Tи max (точка 3), Т.к. Л.Э. не в состоянии обеспечить в нагрузке необходимую мощность, то к выходам ЖМВ подключены усилители мощности (УМ). Они усиливают амплитуду выходного сигнала до нужной величины.


Транзисторно-транзисторный логический элемент (ТТЛ)


Принципальная схема ТТЛ –элемента являются основой ряда полупровониковых интегральных микросхемах средного и быстродействия для цифровых устройств.

Для данных генератора используем ТТЛ элемент со сложным инветором типа И-НЕ схеме (рис 2) два основных каскада: входной – на многоэмиттерном транзисторе VTм(осуществляет функцию И), сложный инвертор – на транзисторах VT1, VT2 и VT3(осуществляет функцию НЕ). Благодаря сложному инвертору повышается нагрузочная способность и быстродействие логического элемента.

При подаче на вход сложного инвертора высокого уровня напряжение отпирается и насыщается транзистор VT1, отпирается транзистор VT2, а транзистор VT3 запирается. Его запирание обеспечивает диод VD. При этом на выходе логического элемента будет низкий уровень напряжения (логический 0).

Когда на вход инвертора подан низкий уровень напряжения транзисторы VT1 и VT2 закрываются, а транзистор VT3 открывается и на выходе логического элемента будет высокий уровень напряжения (логический ноль).

В
обоих состояниях сложный инвертор обладает малым выходным сопротивлением и обеспечивает высокие нагрузочные способности и быстродействие элемента.

Рис3.


В том случае когда в схеме необходимо показать цепи подключения напржений питания и общей шины.(“Корпус”)-условное изображение элемента приобретает вид:










Рассмотрим характеристики элемента:

  1. Передаточная характеристика: 2) Входная характеристика






  1. Выходная характеристика


П
о выходной характеристики найдём выходное сопротивление ЛЭ.



В генераторе используются микросхемы серии K155ЛА3.




Мультивибратор автоколебаний

Мультивибратор является релаксационным автогенератором, обычно имеющим дваквазиравновесных состояния.Он может быть использованы в качестве задающих различных импульных усройств.Основным требованием к таким генератораявляется высокая стабильность частоты авторкалебания.

Мультивибратор наиболее часто строят на основе двух или трех инверторов для чего у логических элементов (ЛЭ) И‑НЕ или ИЛИ‑НЕ все входы объединяют. Входы, оставшиеся свободными, могут быть использованы для управления автогенератором для включения или выключения его.

В данном случае MB как на ТТЛ элементах серии K155(Рис4)

















Рис 4

Мультивибратор собран на двух логических элементах И-НЕ (D1.1 и D1.2) с двумя времязадающими конденсаторами С1 и С2 (Рис 4). Время T1(см. рис 5) определяется временем заряда конденсатора С1 по пути: U1R1 – C1 – выход D1.2 в состоянии логического нуля, а время T2 будет определяться временем заряда конденсатора С2: U1 – (R2+R3) – C2 – выход D1.1 в состоянии логического нуля. Очевидно, что формулы для расчёта Т1 и Т2 будут аналогичными друг другу, только при расчёте Т2 в формуле для Т1 конденсатор С1 надо заменить на С2, а резистор R1 на (R2+R3).


























Время T1 будет постоянным, а время Т2 можно менять изменяя резистор R3 (Таким образом можно менять период следования импульсов от Tmin до Tmax)

Возьмём Т1 = Tmin/2 = 1750 мкс. Тогда Т2 должно изменяться в пределах от

Т2 = Tmin/2 (TmaxTmin/2) = (1750 15750) мкс.

Рассмотрим процесс заряда конденсатора С1:

В момент начала заряда С1 напряжение на входе D1.1 равно логическому нулю, значит ток, текущий через конденсатор будет складываться из тока, текущего через R1 и входного тока D1.1. В соответствии с этим начертим эквивалентную схему(Рис 5):












Рис 5






Где 1 = С1Rэкв, Rэкв = R1 ||Rб + r0вых D1.2

При t = T1 Uвх D1.1 = U* U* = Eэкв(1exp(-T1/1))+U0exp(-T1/1)

T
1= 1 ln((U0- Eэкв)/(U*- Eэкв))


Найдём максимально и минимально допустимую величину R1(аналогично для (R2+R3)):

Если взять R1 очень большим, то может получиться так, что будет невозможно обеспечить состояние логической единицы на входе D1.1. Из-за этого мультивибратор работать не будет. Напряжение на входе (в состоянии логической единицы) не должно быть меньше, чем U*+1




Е
сли взять
R1очень маленьким, то ток, протекающий через него, может превысить максимально допустимый выходной ток Л.Э. D1.2 и он выйдет из строя.


Итак,


Возьмём R1 = 1.3 кОм С1 при котором T = Tmin/2 будет равен 3881 нФ.

По таблице номиналов (5%) выбираем С1 = 3,9 мкФ.

Обозначим R2+R3 = Rобщ

Время T2 можно найти по формуле для T1 только R1 надо заменить на Rобщ, а С1 на С2.



Возьмём С2 = 7500 нФ, тогда Rобщ = 483 Ом. При этом T2 = T1 = Tmin/2 = 1750 мкс.

Подставив в выражения для T2 C2 = 7500 нФ и Т2 = 8750 мкс найдём Rобщ, при котором период следования импульсов будет максимальным Rобщ = 13,647 кОм


R2 = 483 Ом.

R3 = RобщR2 = 13,647 – 0.483 = 13,16 кОм.


По таблице номиналов (5%) выбираем R2 = 470 Ом, R3 = 15 кОм.


Мультивибратор при включении питания может не начать генерировать на выходе импульсы, т.к. при относительно медленном изменении напряжения питания кондесаторы С1 и С2 могут успеть зарядится (при этом на входах D1.1 и D1.2 будут логические единицы) и колебаний не наступит. Поэтому необходимо обеспечить схему запуска мультивибратора. Эта схема выполнена на Л.Э. D2.1, D2.2, D2.3.

Разберём как она работает. Обозначим функцию, которая получается на выходе D2.3 через F. При любом сигнале на выходах Uвых1 и Uвых2(кроме случая: на обоих выходах логические нули) функция F должна быть равна единице


Uвых1, Uвых2

00

10

11

01


0

1

1

1




Если Uвых1 = лог. 0, а Uвых2 = лог. 1, то на выходе D2.1 будет лог. 1, а на выходе D2.2 будет лог. 0, тогда на выходе D2.3 будет логическая единица. Если наоборот, Uвых1 = лог 1, а Uвых2 = лог 0, то на выходе D2.3 также будет логическая единица. Состояние Uвых1 = лог 1 и Uвых2 = лог 1 невозможно, а при Uвых1 = 0 и Uвых2 = 0 на выходе D2.3 будет логический нуль, мультивибратор запустится и переведёт D2.3 по выходу в состояние логической единицы.


И
так:



Дифференцирующая цепь .













Рис8 (а, б)


К точке 2(см рис 8а) подключается вход ЖМВ1. Для того, чтобы одновибратор стабильно генерировал на выходе импульсы необходимо, чтобы запускающий импульс был не больше половины генерируемого импульса. ЖМВ1 переключится, когда на его входе напряжение будет U*. Поэтому при T = Tи min / 2 U2 должно быть равно U*(см рис 8б).


Ограничения на R7:

К
огда напряжение в точке 2 равно лог. 1, конденсатор ток не пропускает и весь ток, текущий через резистор течёт через входной Л.Э. ЖМВ1. Если взять
R7 очень большой, то на нём будет большое падение напряжения и в точке 2 напряжение будет меньше напряжения логической единицы. Из-за этого ЖМВ1 работать небудет

Когда же напряжение в точке 1 меняется от лог. 1 до лог. 0 конденсатор представляет собой короткое замыкание и выход ЦЗ1 подключен к R7. Если R7 будет маленьким, то ток, текущий через него может превысить максимально допустимый выходной ток Л.Э,

с
тоящего на выходе ЦЗ1


Н
апишем закон изменения напряжения в точке 2 и найдём значения
R7 и С5

При t = Tи min / 2 U2 = U*


Возьмём R7 = 20 кОм С5 = 2,875 нФ.

По таблице номиналов (5%) берём C5 = 3 нФ.


Ждущий мультивибратор 1.




Рис9 (а, б)


ЖДМ1 запускается перепадом напряжения в точке 2 (см рис 9а) от U1 до U0. Этот запускающий импульс приходит с выхода ДЦ1. При этом конденсатор начинает заряжаться и когда напряжение в точке 1 достигнет значения U* оба Л.Э. окажутся в области активных характеристик, в схеме возникнет глубокая положительно обратная связь, приводящая к скачку токов и напряжений (см рис 9б). Произойдёт «опрокидование» ЖМВ1 и снова наступит ждущий режим. Длительность времени Tи характеризуется временем заряда конденсатора. Т.к. в момент заряда конденсатора в точке 1 логический нуль, то конденсатор будет заряжаться не только током текущем через резистор, но и входным током Л.Э. D1.4. Начертим эквивалентную схему заряда конденсатора и найдём время Tи (обозначим Rобщ = R9 + R10):











При t = Tи U1 = U*



Найдём ограничения на Rобщ:

В состоянии логического нуля в точке 1 входной ток Л.Э. D3.2 и ток, текущий через резистор Rобщ текут через выходное сопротивление Л.Э. D3.1. Если взять Rобщ очень маленьким, то ток может превысить максимально допустимый




В
состоянии логической единицы в точке 1 ток через С
5 не течёт и весь ток, текущий через Rобщ втекает в Л.Э. D3.2. Если взять Rобщ очень большим, то на нём будет большое падение напряжение и в точке 1 напряжение будет меньше, чем логическая единица


Возьмём Rобщ = 330 Ом, С5, при котором Tи = Ти min будет равен 404 нФ.

Тогда Rобщ при котором Ти = Ти max и С7 = 404 нФ будет равен 33 кОм.

R9 = 330 Ом, R10 = 33 – 0.33 = 32.67 кОм.

По таблице номиналов (5%) берём С7 = 62 нФ, R9 = 330 Ом, R10 = 33 кОм


Усилитель мощности.


Рис 12 (а, б)


Возьмём Eпит ум = 20 В, = 50, rб = 200 Ом – сопротивление базы транзисторов.


Когда в точке 1 (см рис 12а) напряжение логического нуля транзистор VT1 закрыт (т.к. напряжение между базой и эмиттером меньше чем 0.7 В). Потенциал базы VT3 больше, чем эмиттера VT3 тоже закрыт. Конденсатор Cн заряжается через открытый транзистор VT2. Перечертим схему, приведённую на рис 12 и найдём сопротивления R13 и R14: рассмотрим статический режим работы схемы (рис 13)

U3 = 15В Iэ = Iн = 15 В/ 2 кОм = 7,5 мА.

Iб = Iэ / ( + 1) = 7,5 / 51 = 147 мкА.

Для того, чтобы изменение R14 заметно влияло на изменение базового тока VT2 (а значит и на изменение амплитуды выходного сигнала) надо, чтобы ток, текущий через него был порядка тока базы VT2.

Возьмём ток, текущий через R14 равный двум базовым токам VT2 I2 = 2*Iб = 2*147 = 294 мкА. Тогда ток I1 будет равен: I1 = I2 + Iб = 3* Iб = 3*147 = 441 мкА.

U2 = U3 + Uбэ = 15 + 0,7 = 15,7 В.


Рис 13


Н

айдём сопротивления
R13 и R14:

Когда напряжение в точке 1 (см рис 12а) равно напряжения логической единицы VT1 и VT3 открываются, а VT2 закрывается и конденсатор разряжается через открытый VT3.

Напряжение в точке 1 равно 2,4 В, при этом ток, текущий в базу VT1 будет равен 10 мА.

Найдём величину R12:


По таблице номиналов (5%) берём: R12 = 160 Ом, R13 = 10 кОм, R14 = 56 кОм.


Проверим, хватит ли выходного тока Л.Э., втекающего в базу VT1, для обеспечения коллекторного тока этого транзистора, который равен сумме токов, текущего через R13 и базового тока VT3. Базовый ток VT3 определяет эмиттерный ток VT3, а следовательно и ток разрядки конденсатора Cн. Если базовый ток VT1 будет недостаточный для обеспечения нужного коллекторного тока, то конденсатор будет разряжаться дольше и время фронта будет больше, чем нужно по условию курсового проекта.


Т
ок разрядки конденсатора равен:

Базовый ток VT3 равен:




Т
ранзистор
VT1 в насыщении Uкэ нас VT1 0,3 В.

Коллекторный ток VT1 будет равен: Iк VT1 = IR13 + Iб VT3 = 1,97 + 0,059 = 2,029 мА.

Тогда базовый ток VT1 будет равен: Iб VT1 = Iк VT1 / 2,029 / 50 = 40,6 мкА.

Это минимальный базовый ток VT1, который необходим, чтобы конденсатор успел полностью разрядится за время равное 15 мкс.

Т.к. выходной ток Л.Э. равен 10 мА > 40,6 мкА за необходимое время конденсатор успеет полностью разрядиться.


Найдем tф (см рис 12б):


t

ф 2,3 * , где = Сн*(Rн || rвых ок); rвых ок = h11 об + (R13 || R14)/(+1); h11 об = rэ + rб/(+1)




По условию курсового проекта tф = 3,5 мкс. Получаемая величина в 42 раз меньше, следовательно, данный усилитель в состоянии обеспечить нужные фронты.











При расчёте УМ мы пренебрегали инерционностью всех транзисторов, т.к. ёмкости p-n переходов и транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с емкостями нагрузок и временем фронтов соответственно.



Стабилизатор напряжения 1.



Рис 16


Стабилизатор собран на микросхеме КР142ЕН5А. Эта микросхема представляет собой компенсационный стабилизатор напряжения с фиксированным выходным напряжением с защитой от перегрузки по току и перегрева.

Справочные данные по КР142ЕН5А:






По условию курсового проекта стабилизатор должен обеспечить стабильность напряжения питания Eпит = 0.3% Eпит. Eпит. = 5В Eпит = 0.3*5/100 = 0.015 В.


Нестабильность напряжения питания может быть вызвано двумя причинами: измемением напряжения на входе стабилизатора (Uвх = Uвх 20% ) и пульсацией тока, связанной с переключением логических элементов из одного логического состояния в другое.


Н