ЗНАЙОМСТВО З ПРОГРАМОЮ MICRO - CAP . ВИВЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ТТЛ
1. МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з програмою схемотехнічного моделювання та проектування MC8DEMO з сімейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) фірми Spectrum Software. Вивчити характеристики ключових схем на біполярних транзисторах і базових схем логічних елементів ТТЛ, використовуючи можливості програми MC8DEMO.
2. КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО ПРОГРАМУ MC 8 DEMO
Програма MC8DEMO є студентської або демонстраційною версією, яка призначена для моделювання простих електронних схем, що містять не більше 50 компонентів або 100 зв'язків, що цілком достатньо для вивчення базових схем цифрової техніки та їх характеристик. Ця програма вільно доступна на сайті .spectrum-soft.com.
Програма дозволяє створювати проектовані аналогові, цифрові і змішані аналого-цифрові електричні схеми, виконувати їх введення для моделювання та отримання характеристик, змінювати параметри схем для отримання необхідних характеристик.
Програма дозволяє виконувати аналіз нелінійних електронних схем по постійному струму, виконувати розрахунок перехідних процесів, розраховувати частотні характеристики. Є засоби синтезу пасивних і активних аналогових фільтрів. Програма може будувати графіки результатів моделювання.
Спроектовані і відпрацьовані схеми, а також графіки, що відображають їх характеристики, можуть виводитися в графічному вигляді для документування.
Для освоєння студентської або професійної версії програми Micro-Cap слід звернутися до джерелу [1].
3. КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО РОБОТУ КЛЮЧІВ
3.1. Статичний режим КЛЮЧІВ на біполярних транзисторах
Роль комутуючого ключового елемента в ключах рис.1, 2 грає вихідний транзистор, який в статичних станах знаходиться або в режимі відсічки (пропускає мінімальний залишковий струм, близький до нульового), або в режимі насичення (на ньому падає мінімальне залишкове напруга, близьке до нульового), і тільки при зміні станів він протягом деякого часу перебуває в активній області.
Залишковий ток і залишкова напруга є головними статичними параметрами ключа.
У замкненому стані ключа рис.1, строго кажучи, повинна виконуватися умова Uвх <0. У цьому випадку емітерний та колекторний p - n переходи транзистора зміщені у зворотному напрямку. Однак кремнієвий p - n перехід залишається замкненим і при позитивному напрузі, якщо Uвх p - n переході, яке вважають напругою відмикання p - n переходу). При цьому струми всіх трьох висновків транзистора звичайно не перевищують часток мікроампера. Найпростішою моделлю (схемою заміщення) замкненого кремнієвого транзистора є розрив усіх його висновків (Рис.3, а).
У даній лабораторній роботі досліджуються ключі на кремнієвих транзисторах, тому струми замкненого транзистора в подальшому викладі вважаються нульовими.
У режимі насичення транзистора обидва p - n переходу зміщені в прямому напрямі. У такому випадку напруга UбеU0, а залишкове напруга між колектором і емітером Uкн = Uр + Iкн rк, де Uр - різниця напруг на емітерний і колекторному переходах; Iкн - струм колектора; rк - опір колекторного шару. Зазвичай повне залишкове напруга Uкн становить 50-100 мВ, що багато менше напруги Eк, тому в подальшому викладі залишкову напругу Uкн вважається нульовим. В такому випадку найпростішою моделлю (схемою заміщення) насиченого кремнієвого транзистора є схема рис.3, б. Резистор rб враховує опір відкритого емітерного p - n переходу.
У стані нормального активного посилення емітерний p - n перехід відкритий, а коллектрний - зміщений у зворотному напрямку (в стані інверсного посилення - навпаки). Найпростіша модель транзистора в режимі посилення представлена ​​на ріс.3.в. Підсилювальні властивості транзистора враховуються включенням між колектором і емітером залежного генератора струму BIб. Напруга на відкритому емітерний перехід враховується включенням між базою і емітером транзистора генератора ерс U0.
Для визначення статичних струмів і напруг в ключах рис.1, 2 можна використовувати найпростіші моделі транзисторів, наведені на рис.3, у відповідності з робочими режимами транзисторів.
Для схеми рис.1 при використанні відповідної схеми заміщення маємо:
(1)
Мінімальний базовий струм, який потрібно для насичення (граничний режим між насиченим і активним), знаходиться за відомим значенням колекторного струму Iкн:
(2)
Глибина насичення транзистора (коефіцієнт насичення s ) характеризується ставленням реального струму Iб до мінімального току бази, який потрібно для насичення:
(3)
З (1) та (2) можна визначити мінімальне напруга Uвх, яке потрібно для насичення, поклавши Iб = Iбн:
(4)
При підключенні навантаження до виходу ключа статичні рівні вихідної напруги змінюються. У цифрових схемах ключ, як правило, навантажує вхідні ланцюг іншого ключа такого ж типу (або кілька однакових ключів), як показано на рис. 4. Таке навантаження практично не впливає на режим насиченого транзистора, так як входи зовнішніх ключів при цьому мають потенціал, практично рівний нульового, транзистори зовнішніх ключів закриті, вхідний струм в них відсутня, складова струму навантаження в аналізованому ключі теж відсутня.
Навантаження, підключається по схемі рис.4, впливає на режим закритого транзистора. У цьому випадку на виході аналізованого ключа високий рівень напруги - зовнішні ключі відкриті. Зовнішню ланцюг навантаження можна замінити еквівалентним резистором навантаження Rн, включеним між колектором і емітером закритого транзистора. Струм навантаження (витікаючий з ключа), який протікає через резистор Rк, знижує рівень вихідної напруги в аналізованому ключі. Він тепер дорівнює
(5)
Для інтегральних логічних елементів, у яких використовуються біполярні насичені транзистори, характерна схема ключа (інвертора) з керуючим (комутуючим) вхідним транзистором (рис.2). В елементах ТТЛ для розширення логічних можливостей вхідний транзистор Т1 робиться многоеміттерним (в такому випадку схема реалізує логічну операцію І-НЕ).
Управляюче напруга в ключі рис.2 однополярної (позитивне). За умови, що напруга є вихідна напруга іншого ключа такого ж типу, воно може змінюватися від до У ключі рис.2 на відміну від ключа рис.1 струми вихідного транзистора Т2 в статичних станах від напруги практично не залежать.
При транзистор Т1 знаходиться в насиченому стані, тому обидва його переходу зміщені в прямому напрямку (потенціал бази транзистора Т1 вище потенціалу його емітера і колектора, тому , А). Для насиченого транзистора Т1 маємо, тоді <, тому транзистор Т2 закритий і Ток бази транзистора Т2 при цьому відсутня. Витікаючий струм замикається через джерело керуючої напруги і задається резистором:
(6)
Якщо, транзистор Т1 перебуває в статичному стані інверсного посилення, тому його емітерний перехід зміщений у зворотному напрямку (потенціал емітера Т1 вище потенціалу бази, тому , а), а його колекторний перехід - у прямому (>). У режимі інверсного посилення "Нормальний" колектор Т1 фактично є емітером, "нормальний" емітер - колектором, тому в даному випадку (струм - витікаючий, а струми і - втікає). Через істотної асиметрії структури транзистора коефіцієнт передачі струму бази в режимі інверсного посилення ма...
