Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

ЗНАКОМСТВО С ПРОГРАММОЙ MICRO-CAP. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с программой схемотехнического моделирования и проектирования MC8DEMO из семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) фирмы Spectrum Software. Изучить характеристики ключевых схем на биполярных транзисторах и базовых схем логических элементов ТТЛ, используя возможности программы MC8DEMO.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ MC8DEMO

Программа MC8DEMO является студенческой или демонстрационной версией, которая предназначена для моделирования простых электронных схем, содержащих не более 50 компонентов или 100 связей, что вполне достаточно для изучения базовых схем цифровой техники и их характеристик. Эта программа свободно доступна на сайте http://www.spectrum-soft.com.

Программа позволяет создавать проектируемые аналоговые, цифровые и смешанные аналого-цифровые электрические схемы, выполнять их ввод для моделирования и получения характеристик, изменять параметры схем для получения требуемых характеристик.

Программа позволяет выполнять анализ нелинейных электронных схем по постоянному току, выполнять расчет переходных процессов, рассчитывать частотные характеристики. Есть средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров. Программа может строить графики результатов моделирования.

Спроектированные и отработанные схемы, а также графики, отображающие их характеристики, могут выводиться в графическом виде для документирования.

Для освоения студенческой или профессиональной версии программы Micro-Cap следует обратиться к источнику [ 1 ].

3. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ КЛЮЧЕЙ

 

3.1. СТАТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Роль коммутирующего ключевого элемента в ключах рис.1,2 играет выходной транзистор, который в статических состояниях находится либо в режиме отсечки (пропускает минимальный остаточный ток, близкий к нулевому), либо в режиме насыщения (на нем падает минимальное остаточное напряжение, близкое к нулевому), и только при смене состояний он в течение некоторого времени находится в активной области.

Остаточный ток и остаточное напряжение являются главными статическими параметрами ключа.

В запертом состоянии ключа рис.1, строго говоря, должно выполняться условие Uвх < 0. В этом случае эмиттерный и коллекторный p-n переходы транзистора смещены в обратном направлении. Однако кремниевый p-n переход остается запертым и при положительном напряжении, если Uвх < U0 (U00,7В – напряжение на открытом p-n переходе, которое считают напряжением отпирания p-n перехода). При этом токи всех трех выводов транзистора обычно не превышают долей микроампера. Простейшей моделью (схемой замещения) запертого кремниевого транзистора является разрыв всех его выводов (рис.3,а).

В данной лабораторной работе исследуются ключи на кремниевых транзисторах, поэтому токи запертого транзистора в последующем изложении считаются нулевыми.

В режиме насыщения транзистора оба p-n перехода смещены в прямом направлении. В таком случае напряжение UбэU0, а остаточное напряжение между коллектором и эмиттером Uкн = Uр + Iкн rк , где Uр – разность напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах; Iкн - ток коллектора; rк - сопротивление коллекторного слоя. Обычно полное остаточное напряжение Uкн составляет 50-100 мВ, что много меньше напряжения Eк, поэтому в последующем изложении остаточное напряжение Uкн считается нулевым. В таком случае простейшей моделью (схемой замещения) насыщенного кремниевого транзистора является схема рис.3,б. Резистор rб учитывает сопротивление открытого эмиттерного p-n перехода.

В состоянии нормального активного усиления эмиттерный p-n переход открыт, а коллектрный – смещен в обратном направлении (в состоянии инверсного усиления – наоборот). Простейшая модель транзистора в режиме усиления представлена на рис.3.в. Усилительные свойства транзистора учитываются включением между коллектором и эмиттером зависимого генератора тока BIб . Напряжение на открытом эмиттерном переходе учитывается включением между базой и эмиттером транзистора генератора эдс U0.

Для определения статических токов и напряжений в ключах рис.1,2 можно использовать простейшие модели транзисторов, приведенные на рис.3, в соответствии с рабочими режимами транзисторов.

Для схемы рис.1 при использовании соответствующей схемы замещения имеем:

 ( 1 )

Минимальный базовый ток, который требуется для насыщения (граничный режим между насыщенным и активным), находится по известному значению коллекторного тока Iкн:

 ( 2 )

Глубина насыщения транзистора (коэффициент насыщения s) характеризуется отношением реального тока Iб к минимальному току базы, который требуется для насыщения:

 ( 3 )

Из (1) и (2) можно определить минимальное напряжение Uвх , которое требуется для насыщения, положив Iб = Iбн :

 ( 4 )

При подключении нагрузки к выходу ключа статические уровни выходного напряжения изменяются. В цифровых схемах ключ, как правило, нагружает входная цепь другого ключа такого же типа (или несколько одинаковых ключей), как показано на рис. 4. Такая нагрузка практически не влияет на режим насыщенного транзистора, так как входы внешних ключей при этом имеют потенциал, практически равный нулевому, транзисторы внешних ключей закрыты, входной ток в них отсутствует, составляющая тока нагрузки в анализируемом ключе тоже отсутствует.

Нагрузка, подключаемая по схеме рис.4, влияет на режим закрытого транзистора. В этом случае на выходе анализируемого ключа высокий уровень напряжения – внешние ключи открыты. Внешнюю цепь нагрузки можно заменить эквивалентным резистором нагрузки Rн, включенным между коллектором и эмиттером закрытого транзистора. Ток нагрузки (вытекающий из ключа), который протекает через резистор Rк, понижает уровень выходного напряжения в анализируемом ключе. Он теперь равен

 ( 5 )

Для интегральных логических элементов, в которых используются биполярные насыщенные транзисторы, характерна схема ключа (инвертора) с управляющим (коммутирующим) входным транзистором (рис.2). В элементах ТТЛ для расширения логических возможностей входной транзистор Т1 делается многоэмиттерным (в таком случае схема реализует логическую операцию И-НЕ).

Управляющее напряжение в ключе рис.2 однополярное (положительное). При условии, что напряжение есть выходное напряжение другого ключа такого же типа, оно может изменяться от  до  В ключе рис.2 в отличие от ключа рис.1 токи выходного транзистора Т2 в статических состояниях от напряжения практически не зависят.

При  транзистор Т1 находится в насыщенном состоянии, т.к. оба его перехода смещены в прямом направлении (потенциал базы транзистора Т1 выше потенциала его эмиттера и коллектора, т.к. , а ). Для насыщенного транзистора Т1 имеем , тогда <, поэтому транзистор Т2 закрыт и Ток базы транзистора Т2 при этом отсутствует. Вытекающий ток замыкается через источник управляющего напряжения и задается резистором :

 ( 6 )

Если , транзистор Т1 находится в статическом состоянии инверсного усиления, т.к. его эмиттерный переход смещен в обратном направлении (потенциал эмиттера Т1 выше потенциала базы, т.к. , а ), а его коллекторный переход – в прямом (>). В режиме инверсного усиления “нормальный” коллектор Т1 фактически является эмиттером, “нормальный” эмиттер – коллектором, поэтому в данном случае (ток - вытекающий, а токи и - втекающие). Из-за существенной асимметрии структуры транзистора коэффициент передачи тока базы в режиме инверсного усиления мал (<<1), поэтому втекающий ток тоже мал (), а вытекающий ток практически равен току :

 . ( 7 )

Для насыщения транзистора Т2 требуется, чтобы  (s > 1).

Влияние нагрузки на работу ключа рис.2 рассмотрим при условии, что нагружают анализируемый ключ один или несколько ключей такого же типа, рис.5. Анализ показывает, что на режим работы ключа, когда транзистор Т2 закрыт, нагрузка практически не влияет, т.к. все входные транзисторы внешних ключей нагрузки имеют на эмиттерах высокий потенциал и работают в режиме инверсного усиления с весьма малыми входными токами, которые практически не нагружают анализируемый ключ.

В состоянии, когда транзистор Т2 насыщен, входные транзисторы внешних ключей также насыщены, вытекающие эмиттерные токи внешних ключей в сумме образуют дополнительную составляющую коллекторного тока транзистора Т2, обусловленную нагрузкой. Внешнюю цепь нагрузки можно заменить эквивалентным резистором нагрузки , включенным параллельно резистору . Коэффициент насыщения нагруженного ключа меньше, чем у не нагруженного (sн < s). Если сопротивление слишком мало, открытый транзистор Т2 работает в активном режиме при соответствующем увеличении уровня выходного напряжения.