М е т а к у р с о в о г о п р о е к т у - закріплення теоретичного матеріалу з дисципліни та набуття практичних навичок з розробки електричного розрахунку транзисторного ключа, схемне проектування типового найпростішого вузла цифрового присторою, опанування сучасних програмних засобів для моделювання аналогових і цифрових схем, а також набуття навичок аналізу і синтезу відносно нескладних аналогових і цифрових схем.

Типове завдання на курсовий проект передбачає розрахунок транзисторного на біполярних і уніполярних транзисторах, вибір і аналіз схемотехніки логічного елемента і синтез нестандароного тригера згідно заданого варанту, або аналогова і цифрова частини курсового проекту.

Курсове проектування базується на знаннях студентом таких дисціплін, як "Прикладна теорія цифрових автоматів", "Організація функціонування обчислювальних машин", " Прикладна математика", а також на вивченні курсу "Комп'ютерна електроніка" та виконання лабораторних робіт по розробці і моделюванню аналогових і цифрових схем в середовищі MicroCap, PSpice, PCAD, Microsim.

Спеціалізовані завдання на курсовий проект повинні передбачати електричний розрахунок, схемотехнічне проектування і машинне моделювання або макетування елементів і пристроїв обчислювальної техніки.

Зміст навчальної дисципліни "Комп’ютерна електроніка" включає дві відносно самостійні частини - питання аналогової і цифрової електроніки. Цифрова електроніка обмежена проблемами схемної реалізації елементної бази. Відзначимо також, що використання двійкового зображення цифрової форми інформації пов’язано з можливостями сучасних активних пристроїв ( і, звичайно, відповідних схем) формувати необхідну кількість роздільних рівней. Суттєве значення мають і його тимчасові параметри сигналу. З одного боку вони визначають швидкодію елементів комп’ютера, з другого - вид (різновид) цифрового сигналу. Так, серед цифрових сигналів виділяють імпульсні і потенціальні.

При двійковому зображенні інформації існують дві дозволені рівні, яким можуть бути надані значення логічного "0" і "1" взагалі вільно (існують, звичайно, деякі схемні обмеження) і одна заборонна зона, розміщена між "дном" зони високих рівней і "стелею" зони низьких рівней. Розміри цих зон визначаються при конкретній технічній реалізації пристрою.

Вся багатообразність компонентів ціфрової схемотехніки залежно від складності виконання перетворень дискретних сигналів можна умовно розділити на елементи, функціональні вузли, пристрої і системи. Електронні схеми, які реалізують прості функції алгебри логіки, являють собою клас логічних елементів.

Технічні параметри цифрових систем, пристроїв і вузлів однозначно обумовлені параметрами використаних в них елементів. Найпростіші елементи цифрової схемотехніки це єлектронні перемикачі напруги і струму. Використання навіть ідеального перемикача напруги і струму (цифрового ключа) недостатньо для реалізації логічного елемента - електричної схеми, яка забезпечує формування вихідних логічних рівней відповідно з деякою логічною функцією і значеннями вхідних сигналів. Побудова схеми, яка виконує логічну операцію, це задача ще більш важка, ніж побудова ключа.

Курсовий проект з "Комп’ютерної електроніки" складається з трьох частин:

1) Проектування цифрового ключа ( вібір схеми, розрахунок звичайного насиченого ключа, характеристики транзисторного ключа, результати моделювання).

2) Вибір логічного елемента (статичні та динамічні характеристики, принципова схема та її функціонування, порівняльний аналіз з другими серіями елементів).

3) Логічне проектування тригерної схеми.

Розділ 1 Цифрові ключі

У цифрових пристроях термін ключ означає формувач одного із двох можливих логічних рівней і із загальновживаним терміном, його пов’язує зміна внутрішнього опору активного пристрою в нелінійній схемі. Схемна реалізація ключів значно залежить від типу (і технології) активного елементу, який використовується в основі схеми. У цьому плані існують базові схемні конфігурації на основі біполярних і МДН транзисторах. Логічні елементи, побудовані з використанням концепції перемикачів струму, до цього часу залишаються найшвидкодіючими логічними елементами.

1. Перемикання найпростішого біполярного ключа

Конкретні значення параметрів процеса перемикання рівнів схемними елементами відіграють значну роль при визначенні продук-тивності обчислювальних засобів.

Затримки при перемиканні рівнів напруг на виході ключа мають два джерела:

-інерційність активних приладів (закрема, біполярного тран-зистора);

-кінцеві швидкості змінення струму (напруги) у реактивних елементах (індуктивностях і конденсаторах).

У свою чергу, частотні (а, виходить, і інерційні) властивості біполярного транзистора визначаються (в основному):

- інерційністю процесу дифузії неосновних носіїв через базу і зміною коефіцієнта інжекції;

- впливом ємності колекторного переходу (ефект Міллера, оскільки ця ємність на високих частотах реалізує від'ємний зворотній зв'язок (ВЗЗ) по напрузі);

- ефектами накопичення і розсмоктування зарядів.

Важливими є процеси, що відбуваються в найпростішому біполяр-ному ключі при впливі на вхід послідовно двох ідеальних стрибків напруги різних знаків (вмикання – перехід транзистора в низькоомний стан (насичення) і вимикання – відсічка). При цьому в перехідному процесі для вихідної напруги можна виділити п'ять етапів:

• затримка вмикання транзистора t_зт;

• час наростання колекторного струму (час фронту) t_ф;

• накопичення надлишкового заряду (статика);

• затримка вимикання транзистора (час розсмоктування) t_р;

• час спаду колекторного струму t_сп.

1. Затримка вмикання транзистора

При ідеальному стрибку вхідної напруги помітні змінення колекторного струму почнуться після того як потенціал бази транзистора перевищить деяку напругу, названою "граничною", що дорівнює напрузі U_бе при I_к = 0,03 І_К.Н (необхідно пам'ятати, що ми при спрощеному аналізі цифрових схем під граничною напругою розуміємо напругу близьку до U_{бе н.}). Напруга на базі не може змінитися миттєво, оскільки повинні змінитися заряди бар'єрних ємностей транзистора. На рис. 1 наведена еквівалентна схема ключа при аналізі часу затримки вмикання. Напруга на

базі транзистора визначається процесом заряду вхідної ємності С_вх =С^*_е+С^*,

U_бе(t) = U_бе(0) + [U_бе() - U_бе(0)][1-exp(-t/C_вхR_б)],

де U_бе() - значення напруги на базі транзистора в сталому режимі, U_бе(0) – напруга на базі до початку процесу комутації. Звідси,

2. Час формування фронту сигналу

Після того як напруга на базі ключового транзистора перевищить "граничну" напругу транзистор працює в нормальному активному режимі практично при постійному вхідному струму, оскільки на початку формування фронту I_б=(U^"1"-U₀)/(R_б+R_дж), на межі насичення I_б=(U^"1"-U_бе)/(R_б+R_дж), а значення U₀ і U_бе відрізняються незначно (R_дж - внутрішній опір джерела сигналу).

Еквівалентна схема аналізованого ключа при формуванні фронту сигналу зображена на рис.2 . Тут І_к=І_R-І_С-І_Сн,

.

Після диференціювання за часом і деяких перетворенні, з огляду на, що i_к(t)+_(di_k/dt)=i_б(t) – рівняння, що описує динаміку колекторного струму в біполярному транзисторі [Л3], отримаємо

– неоднорідне лінійне диференціальне рівняння другого порядку з постійними коефіцієнтами.

Шуканий розв'зок якого може бути записаний у вигляді

.

Звідки, логарифмуючи, маємо

або , де , S - ступінь насичення. Відзначимо, що час фронту зменшується із зростанням часу насичення.