Реферат: Расчёт элементов эмиттерно-связанной логике

Министерство образования УкраиныХарьковский государственный технический университет радиоэлектроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По курсу: «Аналоговаяи цифровая электроника»

На тему: «Расчётэлемента эмиттерно-связанной логики»

Выполнил:                                                                                  Руководитель проекта:

ст. гр. БТМАС97-1                                                                    Борзенков Б.И.

Нагайченко М.В. 

Харьков

1999

РЕФЕРАТ

Курсовой проект орасчёте ЭСЛ: 18 с., 5 рис., 1 приложение, 4 источника.

Объект разработки– элемент эмиттерно-связанной логики.

Цель работы –научиться применять полученные знания на практике.

Данный элементэмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) применяется в аппаратуре собранной наинтегральных микросхемах, а также во всей области аппаратуры, котораяиспользует для обработки сигналов двоичный код – логический «0» и «1».

Данный элементЭСЛ потребляет намного меньше энергии, чем аналогичные элементы других типов.

Логическийэлемент ЭСЛ становиться всё более популярней, так как имеет высокую скоростьобработки информации.

ЭМИТТЕРНО-СВЯЗАННАЯЛОГИКА, ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА, ЭМИТТЕРНО-ЭМИТТЕРНАЯ -СВЯЗАННАЯЛОГИКА, ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЦИФРОВАЯ СХЕМА, ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

СОДЕРЖАНИЕЗадание на курсовое проектирование                                                                      2Реферат                                                                                                              3Введение                                                                                                                             5

1   Выбор схемылогического элемента ЭСЛ                                                  6

2   Расчетная часть                                                                                                            9

Выводы                                                                                                            16

Список используемых источников                                                                              17

ПриложениеА                                                                                                 18

ВВЕДЕНИЕ

Схемы первых интегральных элементов были такие же,как при использовании дискретных компонентов. Однако очень скоро былиобнаружены новые возможности интегральной техники, позволяющие создавать схемыс очень выгодными параметрами на совершенно новых принципах. Появились разнообразныеряды интегральных цифровых схем, из которых в настоящее время наиболеераспространён ряд ТТЛ (транзисторно-транзисторные логические схемы), а длясистем с большим быстродействием наиболее перспективен ряд ЭСЛ (логическиесхемы с эмиттерной связью).

Наиболееинтенсивно развивались не только базовые интегральные схемы. Самыераспространённые серии ЦИС дополнены в настоящее время различными интегральнымисубсистемами, например счётчиками, регистрами, дешифраторами, выпускаютсяинтегральные полупроводниковые запоминающие устройства ёмкостью в несколькомиллиардов бит и т.д.

В схемах ЭСЛтранзисторы работают вне области насыщения, поэтому автоматически исключаетсязадержка, вызванная избыточными зарядами. Основным свойством и достоинствомсхем ЭСЛ является небольшая задержка, величина которой у самых последних типовсоставляет около 0.01 нс. Принцип действия схем ЭСЛ – логических схем сэмиттерной связью – заключается в переключении точно определённого тока малымиизменениями управляющего напряжения, порядка десятых вольта. Поэтомупервоначально их называли переключателями тока и обозначали CML и CSL. Этисхемы были хорошо известны в системах на дискретных элементах, но в связи сбольшим числом необходимых транзисторов они нашли широкое применение толькопосле внедрения интегральной техники. Последовательно были созданы серии: ЭСЛІ,ЭСЛІІ, ЭСЛІІІ и Э2СЛ (ЭЭСЛ).

С появлениемтранзистора в 1948 г. началась эпоха полупроводниковой цифровой техник, котораяобусловила развитие самых разнообразных систем и устройств обработкиинформации. Где-то до 70-х годов в этих системах применялись полупроводниковыецифровые схемы на дискретных и пассивных элементах. Однако при использованииэтих схем в больших и сложных системах возникли большие проблемы, касающиесянадёжности, экономичности и максимального быстродействия. Решить эти проблемыпозволили новые открытия и производственные процессы в полупроводниковойтехнике, результатом которых явилась реализация интегральных схем.

1   ВЫБОР СХЕМЫ ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ЭСЛ

Модификацию базового логического элемента ЭСЛусловно 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 статическойпомехоустойчивости />. Это достигаетсяза счет увеличения логического перепада. Реализация последнего осуществляетсявключением эмиттерных повторителей на входе и выходе схемы ЭСЛ. В результателогический перепад в схеме увеличивается и становится равным />, в то время как в схемебазового логического элемента ЭСЛ он составит />.В этой же схеме величина />, а всхеме базового логического элемента />.

/> <td/> />
Находит применение также элемент Э2СЛ (эмиттерно-эмиттерно-связаннаялогика), являющаяся частью элемент, показанного на рисунке 1.1 с выходами y4 и y3 (без выходных эмиттерныхповторителей на транзисторах VT7, VT8).Указанная схема элемента имеет определённые преимущества по сравнению со схемойбазового 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 вышебыстродействие.

Рисунок 1.1 –Элемент Э2СЛ

2    Для увеличения логических возможностей элемента ЭСЛ используют различныесхемотехнические приёмы. На рисунке 1.2 выходы двух элементов (допускаетсябольше двух выходов) объединены по прямым и инверсным выходам соответственно нанагрузочных резисторах. Для получения логической функции И-ИЛИ применяют схемус коллекторным объединением, рисунок 1.3. В этом случае прямые выходы двухэлементов ЭСЛ объединяют на одной коллекторной нагрузке. Чтобы при этом из-задвойного тока не возросла вдвое амплитуда напряжения и, как следствие,транзисторы прямого плеча не оказались в режиме насыщения, предусмотренаспециальная цепочка, отводящая избыточный ток и ограничивающая амплитудунапряжения.

/>

Рисунок 1.2 — Схему с коллекторным объединением

/>

                                       Рисунок 1.3 — И-ИЛИэлемент

3    Специфические требования схемотехники средней и большей степениинтеграции ЭСЛ – повышение быстродействия и снижение мощности потребления длясоставляющих элементов. Эти требования достаточно хорошо выполняются элементами МЭСЛ (малосигнальной эмиттерно-связанной логики). На рисунке 1.4приведена схема элемента МЭСЛ. В такой схеме напряжение питания Uип=2..3 В. Напряжение логического перепада Uл=0.3..0.4В; уровни напряжений U0=-IкRк; U1=-/>Rк (Iк– ток нагрузки).

Благодаря снижению напряжения питания и исключениюэмиттерных повторителей мощность потребления этой схемой в 3..5 раз меньше, чемв базовом элементе ЭСЛ. Типовое значение средней задержки распространениясоставляет />; при мощности  Р= мВтработа переключения Апер=5..10 пДж.

Недостатком элемента МЭСЛ – снижениепомехоустойчивости и уменьшение коэффициента разветвления до Краз=4..5. Однако,несмотря на указанные недостатки, элемент МЭСЛ перспективен для использования всхемах БИС.

/>


Рисунок 1.4 — схема элемента МЭСЛ

2   РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Для расчёта ЭСЛвоспользуемся параметрами, взятыми из части курсового проекта «ЗАДАНИЕ». Логикапостроения 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 падениенапряжения на открытом p-n переходе транзисторов (в том числе транзисторанагрузки) диодов одинаковой, т.е. UбэТ=UбэТн=Uд=U*=0.7В.

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 эмиттерногоповторителя.

Выбираем из (2.1) 0,3 и преобразуя найдём:

Rэп=Rк/0,3                                                                (2.2)

2.2 Для определения сопротивления резисторов источника опорногонапряжения 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 значениямопределяем Rк:

/>/>

подставляем в (2.2) иполучим:

/>

2.4   Из (2.1), (2.3) определяем значение сопротивлений резисторов:

R1=708      Ом  R3=2360Ом       R5=708 Ом          R7=2360 Ом

R2=708      Ом  R4=2124Ом       R6=2360 Ом        R8=2360 Ом         Rб=50кОм

2.5   Из формулы:

/>,                                               (2.5)

определяем входной токлогической единицы (через каждый открытый эмиттерный переход): />

2.6   Из формулы:

/>,                                                        (2.6)

Определить ток логического«0» определяемый сопротивлением Rб в цепибазы закрытого транзистора.

/>

2.7   Из формулы:

/>,                                                     (2.7)

определяем напряжение порогапереключения:

/>

2.8   Из формулы:

/>,                                              (2.8)

определяемширину активной зоны:

/>

2.9   Из формулы:

/>,                                                 (2.9)

определяем логическийперепад:

/>

2.10 Из формулы:

/>/>,                                             (2.10)

определяемнапряжение статической помехоустойчивости по уровню “0” и “1”.

/>

2.11 Из формулы:

/>,                                      (2.11)

определяем ток логическойчасти элемента :/>

2.12 Из формулы:

/>                                                         (2.12)

и

/>,               (2.13)

определяемточки эмиттерных повторителей:

/>

/>

2.13 Из формулы:

/>                                                     (2.14)

                                     и

/>,                                              (2.15)

определяем токисточника 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 мощностьпотребляемым логической частью элемента:

/>/>

2.16 Из формулы:

/>,                                      (2.18)

определяеммощность эмиттерных повторителей:

/>

2.17 Из формулы:

/>,                                  (2.19)

определяем мощность потребляемую источником опорного напряжения:

/>

2.18  Изформулы (2.17), (2.18), (2.19) определяемм суммарную мощность потребляемаяэлементом (одинаковая для состояния “0” и “1”):

/>

2.19 Из формулы:

/>,                                (2.20)

/>,                                (2.21)

/> /> /> /> /> /> <td/> />

определяем             и            :

/>

/>

2.20  Изформулы:

/>,                                                          (2.22)

определяемвходное сопротивление элемента, когда на входе действует напряжениелогического  “0”:/>

2.21 Из формулы:

/>,                                                   (2.23)

определяемвходное сопротивление элемента, когда на его входе действует напряжение логической“1”:/>

2.22 Из формулы:

/>,                                         (2.24)

определяемвходное сопротивление элемента, когда на выходе действует напряжениелогического “0”:/>

2.23 Из формулы (24) определяем выходное сопротивление элемента, когдана выходе действует напряжение логической “1”:/>

Расчёт динамических параметров

2.24 Из формулы:

/>,                                                  (2.25)

где fT – граничная частотаусиления транзистора.

ПриfT=11 МГц определяем:

/>

2.25 Из формулы:

/>,                                      (2.26)

                                     и

/>,                                                (2.27)

где М –количество транзисторов в схеме VT1¸VT3,VT6; Ск — ёмкость коллекторныхпереходов транзисторов; Сп1 – паразитная ёмкость металлическихсоединений и изоляции транзисторов и резистора R1;С2 – ёмкость на выходе транзистора VT6;В – статическое значение коэффициента усиления транзистора VT6;Сн – ёмкость нагрузки; Сп2 – паразитная ёмкость изоляциирезистора R6 и металлических соединенийподключенных к выходу схемы.

При М=4, Ск=2пФ, Сп1= 1 пФ, Сн=30 пФ, Сп2= 2 пФ.

/>

/>

2.26  Изформулы:

/>,                                                        (2.28)

/>

2.27 Из формулы:

/>,                                                       (2.29)

/>

2.28 Из формулы:

/>,                                            (2.30)

определяемвремя спада:/>

2.29 Из формулы:

/>,                       (2.31)

определяем время наростания потениала:/>

2.30  Изформулы:

/>,                                               (2.32)

определяемзадержку при включении:/>

2.31 Из формулы:

/>,                                                     (2.33)

определяемзадержку при выключении:/>

2.32 Из формулы:

/>,                                           (2.34)

определяемсреднюю задержку распространения:

/>

2.33 Из формулы:

/>,                                                         (2.35)

определяемвремя перехода из состояния “1” в состояние “0”:/>

2.34 Из формулы:

/>/>,                                                      (2.36)

определяемвремя перехода из состояния “0” в состояние “2”:/>

2.35 Из формулы:

/>,                                               (2.37)

/>

2.36 />/>Т.к.       и />, то время задержкивыключения равно времени задержки включения:     =/>=28,5нс

2.37 Из формулы:

/>,                                                 (2.38)

найдемработу переключения:  /> 

ВЫВОДЫ

Целью данного курсового проекта  являласьразработка логического элемента эмиттерно-связанной логики. В выборе схемылогического элемента был произведен краткий обзор существующих схем серий ЭСЛ.

По заданным данным определил основные статическиехарактеристики разрабатываемой схемы. Расчет показал, что средняя потребляемаямощность не превышает заданного значения. В этом же разделе определилноминальные значения резисторов и конденсаторов, используемых в схеме. Этопозволило рассчитать динамические параметры схемы ЭСЛ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХИСТОЧНИКОВ

1   Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ: Практ. пособие для вузов, 2-еизд., перераб. И доп. – М .: Высш. шк., 1990.-160с.

2   Ушаков В.Н. Основы радиоэлектрники и радиотехнические устройства. Учеб.Пособие для радиотехнических вузов., — М.: Высш. шк., 1976.-424с.

3   Будинский И.В. Логические цепи в цифровой электронике. – М.: Высш. шк.,1977.-323с.

4   ДСТУ 3008-95. – Видання офіційне

ПРИЛОЖЕНИЕ А
еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике