ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

Қ.И. Сәтбаев атындағы Қазақ Ұлттық Техникалық Университеті

Есеептеу техника кафедрасы

Д.З. Джурунтаев, Б.К. Орынбасарова

Әдістемелік құрал

"Сұлбатехника" (1 бөлім) пәні бойынша 3703 “Ақпарат қауіпсіздігін ұйымдастыру және технологиясы” және 370441 “Есептеу машиналары, жүйелері мен тораптары” мамандығынан 370440 мамандықтары бойынша оқып жүрген күндізгі және сырттай бөлім студенттеріне лабораториялық

жұмыстарға арналған

Алматы 2006

УДК – 681.31

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР – Джурунтаев Д.З., Орынбасарова Б.К. Әдістемелік нұсқау “Сұлбатехника” (1 бөлім) пәні бойынша лабораториялық жұмыстарға арналған – Алматы: КазҰТУ, 2006, б.

Әдістемелік нұсқау 3703 “Ақпаратты қорғау қауіпсіздігінің технологиясы мен ұйымдастыру” және 370440 мамандығы бойынша 370441 “Есептеу машиналары жүйелері және тораптары” мамандықтары бойынша оқытылатын студенттерге оқылатын “Сұлбатехника” курсының типтік бағдарламасымен сәйкес құрастырылған және берілген пән бойынша лабораториялық жұмыстарды жүргізуге негіз болады.

Лабораториялық жұмыстарға арналған бұл әдістемелік нұсқаулар 050703  “Ақпараттық жұйелер” және 050704  “Есеептеу техникасы және бағдарламалық қамтама” мамандықтарының бакалаврларына және электротехникалық және энергетикалық мамандықтар студенттеріне де пайдалы болады.

Сурет – 15. Әдебиеттер тізімі – 8 атау.

Пікір беруші: “Электроника, мехатроника және робототехника” кафедрасының доценті, т.ғ.к. Абдуллаев М.

Қазақстан Республикасы Білім және Ғылым министрлігінің 2006 жылғы жоспары бойынша басылады

ҚазҰТУ, 2006

КІРІСПЕ

Базалық элементтер және түйіндік құрылғылардың номенклатурасын және сипаттамаларын (сонымен қатар электрлік параметрлерді де) білмей, есептеу техникасының цифрлық және аналогты электронды құрылғыларын сапалы жобалау мүмкін емес.

1 және 2 лабораториялық жұмыстарда ЭЕМ цифрлық құрылғыларында кеңінен қолданыс тапқан ТТЛ, nМОП- және КМОП-интегралды сұлбалардың жұмыс істеу принциптері зерттеледі.

3-5 лабораториялық жұмыстарда ақпаратты дешифрациялау, мултиплекстеу, қосындылау, сақтау үшін қолданылатын комбинациялық және триггерлі типті функционалды түйіндердің жұмыс істеу принциптері мен сұлбатехникалық жүзеге асырылу сұрақтары қарастырылады.

Лабораториялық жұмыс № 1. Транзисторлы-транзисторлық сипаттамаларының және сұлбалардың жұмысын зерттеу.

Лабораториялық жұмысты орындау мақсаты әртүрлі сериялы ТТЛ-сұлбалардың жұмыс істеу логикасы мен принциптерін зерттеу, зерттеулер нәтижелері бойынша жүктеме коэффициентін, бөгеуілге тұрақтылығын анықтау және К155 сериялы ТТЛ-сұлбаның кіріс және беріліс сипаттамаларын құру.

Теориялық бөлім

Қазіргі заманғы ЭЕМ-де әртүрлі цифрлық құрылғыларды құру үшін транзисторлы-транзисторлық логикалық (ТТЛ) негізіндегі микросұлбалар кеңінен қолданылады. ИС ТТЛ-дың (TTL) бірнеше түрлері бар, олардың ішінде ең көп тарағандары К155, К531, КР1531, КМ555 және КР1533 сериялы ТТЛ микросұлбалары.

ТТЛ сұлбасының ЖӘНЕ-ЕМЕС элементінің жұмыс принціпін және өткізгіштік сипаттамасын қарастырайық (1.1, а және 1.2, а суреттері). Кіріс кернеуінің U⁰_вх (лог. 0) ең төменгі деңгейінің элементтерінен ең болмағанда бірінің (А немесе В) берілуі кезінде сәйкесінше р-n база-эмиттерлік өткелі (Б-Э) МЭТ Т₀ ашылады. Бұдан, Т₀ транзисторының U_БТ0 потенциалдық базасы р-n өткелінің ашылуы үшін жеткіліксіз мәнге ие болады: МЭТ-те база - коллектор (Б - К), Т₁ және Т₂ –де база - эмиттер (Б-Э).

а) б)

Сурет 1.1. НЕМЕСЕ кеңейтілуінің логикалық (б) және базалы логикалық К155 (а) сериялы ТТЛ элементтерінің сұлбасы

Бұл тізбекті ашу үшін келесі талап орындалуы тиіс:

U_БТ0 U_БКТ0 + U_БЭТ1 + U_БЭТ2 = 3U_пор , (1.1)

мұндағы U_КБТ0, U_БЭТ1 және U_БЭТ2 - Т₀, Т₁ және Т₂ транзисторлар р-n өткелінің U_пор ашылудың табалдырық кернеуі. Әдетте ИС ТТЛ-ге бір типтегі және бір транзистор қолданылады, сондықтан бұл табалдырықты кернеу өзара тең және мөлшермен (0,6–0,8)В. U_БЭ = 0,7 В болсын. Осылайша, мұнда U_вх = U⁰_вх болғанда

U_БТ0 = U_вх + U_БЭТ0 (1.2)

кернеу аз, Т₁ және Т₂ транзисторлары жабық.

Сурет 1.2. ТТЛ логикалық элементінің беріліс (а) және кіріс (б) сипаттамалары

R1 регистрі арқылы Е қорек көзінен ағып шығатын ток Т₃ транзисторының базасына кіріп, оны және D диодын ашады (толтыра енгізіп). Осы кезде элементтің шығысында кернеу жоғары болады.

U¹_вых = U_К1 –U_D0 – U_БЭТ3 @ E – 2U_пор (1.3)

(1–2 аймақ, 1.2, а сурет), логикалық 1-ге сәйкес орнайды, ол кіріс тізбегіне тікелей тоқ ағады (1.2, б сурет), оны осылай анықтаймыз,

I_вх @ (Е – U_БЭТ0)/R₀, мұндағы U_D0, U_БЭТ0 және U_БЭТ3 – Т₀ және Т₃ транзисторының немесе р-n өткелді D₀ диодының U_пор ашудың табалдырықты кернеуі; U_К1 –Т₁ транзисторының коллекторлы кернеуі.

U_вх кернеудің өсуі кезінде (барлық МЭТ кірістерінде) транзистор (1.3) өрнегі бойынша U_БТ0 Т₀ транзистор базасының потенциалы өседі, U_вх кіріс кернеуі U^* = 2U_пор жеткенге дейін (1.2, а сурет). U_вх жету нәтижесінің мәні U^*, U_БТ0 = 3U_пор болады, Т₀, Т₁ және Т₂ транзисторы ашылады.Тоқ Т₁ транзисторы арқылы құйыла бастайды, соның әсерінен оның U_k1 коллекторында және U_вых элементін шығаруда кернеу кемиді. U_вх-тың аса жоғарғысынан U_БТ0 базасының потенциалы иеленген мәнін сақтайды, БЭ МЭТ-тің р-n-өткелі жабылады (БК Т₀ өткелі ашық), және осы транзистрдың эммитрлік тізбегіне инверстік тоқтар кіре бастайды. (1.2, б сурет).Т₀ транзисторы инверстік режимге енеді, ал Т₁ транзисторы толығу режиміне (екілік инжекция), сондай-ақ оның екі өткелі де (БЭ және БК) тікелей кернеудің ішінен табылады. R₂ және R₃ кедергілерімен қатынас құру Т₄ транзисторының толығуын қамтамасыз ету үшін таңдалынады. Әдетте R₂ @ R₃. Т₁ ашық транзисторы арқылы Т₂ транзисторының базасына толығуды шақыратын I_БН2 тоғы келіп түседі:

I_БН2 = I_БН1 + I_КН1 – (I_БН4 + I_КН4) @ I_БН1 + I_КН1 – U_пор / R₃,

мұндағы I_БН1, I_КН1, I_БН4, I_КН4 –базалық тоқтар және Т₁, Т₄ толыққан транзисторлар коллекторлары.

Т₁ транзисторының тоғы да R₁ резисторы арқылы ағады және соның әсерінен деңгейіне орнатылатын оның U_k1 коллекторы потенциалдың кемуіне әкеліп соғады

(U_пор + U_КЭТ1) @ U_пор,

мұндағы U_КЭТ1 –Т₁ (U_КЭТ1 @ 0,1 – 0,2 В) толыққан транзисторындағы қалдық кернеуі. Нәтижесінде Т₃ транзисторы және D₀ диоды жабылады, ал кернеу логикалық 0 деңгейге дейін элемент шығысында төмендейді және осылайша анықтаймыз:

U⁰_вых = U_КЭТ2 + I_КНТ2 r_kk = U_КЭТ2 + I_Н⁰r_kk,

мұндағы I_КНТ2 –Т₂ толыққан транзисторының I⁰_Н тоққа тең коллекторлық тоғы; I⁰_Н –күштен түсетін шығыс тоқ; r_kk –коллекторлық қабаттың үлкен кедергісі (әдетте қалыпты жағдайда U⁰_вых = 0,1–0,2В).

Т₂ транзисторының коллекторлық тоғы ең бірінші С_H күштің сыйымдылық разрядына бүтіндей енеді, сондықтан шығыс кернеуінің майдандық айналымы (крутизна фронта) Т₂ –нің шектеулі бөлігімен және С_H сыйымдылығымен анықталады. U_вых кернеуі кезінде 1,4В-тен төмен Т₂ транзисторына 1.2, б суретте көрсетілгендей және келесі ЛЭ шығыс тізбегінен I_H⁰ тоқ күші аға бастайды, U_вых-тың төмендеу жылдамдығы 4–5 беріліс нүктелерінің қатысуында бірнешеге түседі.

ТТЛ элементі сұлбасының жұмысын оны өшіргеннен кейін қарастырайық. Әзірше U_вх кіріс кернеуі 2U_пор – элементтің қайта қосылу табалдырығының өсуіне шейін азаймайды, онда еш өзгеріс болмайды. U_вх кернеуі 2U_пор = 1,4В кернеуінің деңгейіне жеткен кезде Т₀ транзисторы толығуға енеді және оның коллекторлық тоғы Т₁ толыққан транзисторының база аумағынан зарядтарды өзіне тартумен оның тез қосылуын қамтамасыз етеді. U_вх келесі азаюында Т₀ транзисторы қалыпты активті күйге ауысады, Т₀ эмиттер тізбегіне тікелей тоқ ағады және U_БТ0 потенциалдық база 3U_пор азаяды, соның әсерінен Т₁, Т₂ және Т₄ транзисторы жабылады. Т₁ транзисторының жабылу шегі бойынша U_КТ1 коллекторының потенциалы өседі және U_КТ1-дің шамамен 1В-қа жоғарылауынан Т₃ транзисторы және D₀ диоды ашылады. Т₃ транзисторының тоғы С_H күш сыйымдылығының тез зарядталуын қамтамасыз етеді. С_H сыйымдылықтың заряд шегі бойынша шығады. Кернеу (2.3) өрнегімен анықталатын кернеудің логикалық 1-лік деңгейіне дейін өседі. Осылайша, Т₃ транзисторының көмегімен С_H сыйымдылығының әсер етуімен күрделі инверторда майданның өсу уақытын қарапайым инверторлы ТТЛ элементіне қарағанда өте әлсіз екен.

Жоғарыда қарастырғанымыздай ИС ТТЛ стандартты серияларында әдеттегі жүріліп жатқан күйде толығу режиміндегі транзисторлар. ИС ТТЛ базалық элементінің К531 және К555 (1.3 сурет) сериялары ТТЛ стандартты серияларының элементтеріне сәйкес жұмыс істейді. әйтседе олардың әдеттегі транзисторларының орнына Шоттки транзисторлары қолданылады. Шотткитранзисторларын қолдану ТТЛ элементінің жоғарғы серияларда көрсетілгендей олардың жылдамдығын арттыруға мүмкіндік береді.

Сурет 1.3. К531(а) және К555 (б) сериялы ТТЛ базалық логикалық элементтерінің сұлбасы.

ТТЛ элементтерінің Шоттки транзисторларымен тез әрекет етуі шығыс каскадында құрлымдас транзисторларының ЛЭ пайдалану арқасында болады. Бұл процес Т₃ және Т₅ транзисторлары Дарлингтон сұлбасы бойынша қосылған кезде жүреді.

1.4-суретте үш шығыс кірісі бар ТТЛ схемасы көрсетілген. Сұлбадан күйлерді басқару үшін D₂ диоды, МЭТ кірістерінің бірі U басқару кернеуі қолданылғанын көруге болады. Егер U басқару кірісіне 1-ге сәйкес логикалық кернеу берсек, онда Б-Э МЭТ өткелі және D₂ диоды жабық болады және элемент ЖӘНЕ-ЕМЕС логикалық функциясын орындайды. Егер U кірісіне 0 логикалық кернеу берсе, онда транзисторлар (Т₁, T₂ и Т₃) сұлбада жабық күйіне ауысады және элемент 3-ші күйге көшеді.

Сурет 1.4-сурет. Үш шығыс күйі бар ТТЛ сұлбасы.

ИС ТТЛ-дың тағы бір оның қолданылуына байланысты ерекшелігін атап көрсетуге болады. Егер кейбір элемент кірістері қолданылмаса, яғни оларға 0 немесе 1 логикалық сигналдары берілмесе, онда оларды логикалық 1-ге сәйкес кернеу деңгейіне қосу керек. (немесе қосымша 1 кОм-ға сәйкес резисторды қорек көзіне қосу арқылы). Әдетте бір резистор ТТЛ элементінің 20-ға дейін қолданылмайтын кірістерді қосуға пайдаланылады..