Метод_вк_КП

Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни "Комп’ютерна елекроніка" для студентів напряму підготовки 0915 "Комп’ютерна інженерія" /Уклад. О.Д.Азаров, В.В.Байко, Л.В.Крупельницький. – Вінниця: ВНТУ, 2004 – 76 с./

Рекомендовано до видання Методичною радою Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Курсовий проект передбачає: розрахунок транзисторного ключа на біполярних і уніполярних транзисторах, реалізація логічної функції, вибір і аналіз схемотехніки логічного елемента і синтез нестандартного тригера згідно з заданим варіантом, тобто містить розрахункову частину курсового проекту, а також моделювання на персональному комп’ютері.

Укладачі: Олексій Дмитрович Азаров Віктор Володимирович Байко

Леонід Віталійович Крупельницький

Редактор О.Д. Скалоцька

Відповідальний за випуск зав. каф. О.Д. Азаров

Рецензенти: А. М. Петух, доктор технічних наук, професор В. П. Майданюк, кандидат технічних наук, доцент

ВСТУП

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 пристрою, опанування сучасними програмними засобами 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 ключа на біполярних і уніполярних транзисторах, вибір і аналіз схемотехніки логічного елемента, а також синтез нестандартного тригера згідно з заданим варіантом, тобто містить розрахункову частину курсового проекту, а також вимоги щодо комп´ютерного моделювання.

Курсове проектування базується на знаннях студентом таких дисциплін, як "Прикладна теорія цифрових автоматів", "Організація функціонування обчислювальних машин", "Прикладна математика", а також на вивченні курсу "Комп'ютерна електроніка" та виконанні лабораторних робіт з розробки і моделювання аналогових і цифрових схем в середовищі MicroCap, PSpice, PCAD, Microsim, Active-HDL.

Спеціалізоване завдання на курсовий проект повинно містити електричний розрахунок, схемотехнічне проектування і машинне моделювання або макетування елементів і пристроїв обчислювальної техніки.

Зміст навчальної дисципліни "Комп’ютерна електроніка" містить дві відносно самостійні частини - питання аналогової і цифрової електроніки. Цифрова електроніка обмежена проблемами схемної реалізації елементної

пристроїв (і, звичайно, відповідних схем) формувати необхідну кількість роздільних рівнів. Суттєве значення мають і часові параметри сигналу. З одного боку, вони визначають швидкодію елементів комп’ютера, з іншого, - вид (різновид) цифрового сигналу. Так, серед цифрових сигналів виділяють імпульсні і потенціальні.

При двійковому зображенні інформації існують два дозволені рівні, яким можуть бути надано значення логічного "0" і "1" (існують, звичайно, деякі схемні обмеження) і одна заборонена зона, розташована між "дном" зони високих рівнів і "стелею" зони низьких рівнів. Розміри цих зон визначаються при конкретній технічній реалізації пристрою.

Всі види компонентів цифрової 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 електронні 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 рівнів згідно 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 чотирьох частин:

–проектування цифрового ключа (вибір схеми, розрахунок звичайного насиченого ключа, характеристики транзисторного ключа, результати моделювання);

–реалізація логічної функції;

–вибір логічного елемента (статичні та динамічні характеристики, принципова схема та її функціонування, порівняльний аналіз з іншими серіями елементів);

–логічне проектування тригерної схеми (класифікація, основні характеристики тригерних схем, синтез тригерної комірки).

1 ЦИФРОВІ КЛЮЧІ

У цифрових пристроях термін ключ означає формувач одного з двох можливих логічних рівнів 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 елемента, який використовується в основі схеми. У цьому плані існують базові схемні конфігурації на основі біполярних і МДН транзисторах. Логічні елементи, що побудовані з використанням концепції перемикачів струму, до цього часу залишаються найбільш швидкодіючими логічними елементами.

1.1 Перемикання найпростішого біполярного ключа

Конкретні значення параметрів процесу перемикання рівнів схемними елементами відіграють значну роль при визначенні продуктивності обчислювальних засобів.

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

-інерційність активних приладів (зокрема, біполярного транзистора); -кінцеві швидкості змінення струму (напруги) у реактивних елементах

(індуктивностях і ємностях).

У свою чергу, частотні (а, виходить, і інерційні) властивості

біполярного транзистора визначаються (в основному) так:

- 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 зворотний зв'язок (ВЗЗ) за напругою);

-ефектами накопичення і розсмоктування зарядів.

Важливими є процеси, що відбуваються в найпростішому біполярному ключі при впливі на його 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 tзт;

–час зростання колекторного струму (час фронту) tф;

–накопичення надлишкового заряду (статика);

–затримка вимикання транзистора (час розсмоктування) tр;

–час спаду колекторного струму tсп.

1.1.1Затримка вмикання транзистора

При ідеальному стрибку вхідної напруги помітні зміни колекторного струму почнуться після того, як потенціал бази транзистора перевищить

деяку напругу, названою "граничною", що дорівнює напрузі Uбе при Iк = 0,03 ІК.Н (необхідно пам'ятати, що при спрощеному аналізі цифрових

схем під граничною напругою розуміється напруга близька до Uбе н.). Напруга на базі не може змінитися миттєво, оскільки повинні змінитися заряди бар'єрних ємностей транзистора. На рис.1 наведено еквівалентну схему ключа при аналізі часу затримки вмикання.

Рисунок 1 – Експериментальна та еквівалентна схеми біполярного ключа при визначенні часу перемикання

вхідної ємності

Свх =С*е+С*,

Uбе(t) = Uбе(0) + [Uбе(∞) - Uбе(0)] [1-exp(-t/CвхRб)],

де Uбе(∞) - значення напруги на базі транзистора в сталому режимі, Uбе(0)

– напруга на базі до початку процесу комутації. Звідси

1.1.2 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 струмі, оскільки на початку

Рисунок 2 – Схема біполярного ключа при визначенні постійної часу кола колектора

Еквівалентну схему аналізованого ключа при формуванні фронту сигналу зображена на рис.2 . Тут Ік=ІR-ІС-ІСн,

Після диференціювання за часом і деяких перетворень, з

урахуванням виразу iк(t)+τβ(dik/dt)=βiб(t) – тобто рівняння, що описує динаміку колекторного струму в біполярному транзисторі [3], отримаємо:

– неоднорідне лінійне диференціальне рівняння другого порядку з постійними коефіцієнтами.

Шуканий розв'язок якого може бути записано у вигляді

Uвих(t)=βIб1 Rkexp(−t/T1) +Eдж −βIб1 Rk .

де τk = (Cн + (1 +β) Ск )R k , S - ступінь насичення.

Відзначимо, що час фронту зменшується із зростанням часу насичення.

1.1.3 Накопичення надлишкового заряду

Після того, як вихідна напруга досягла значення U кен процес

перемикання не закінчився, оскільки продовжується накопичення заряду (тепер уже надлишкового) в зоні бази. Процес накопичення надлишкового заряду, що йде при постійному струмі бази, досліджують за допомогою рівняння зарядів

dQ/dt +Q/τн = Іб ,

де τн - стала накопичення надлишкового заряду (паспортне значення

транзистора),

Q - заряд зони бази. Розв'язок цього рівняння має вигляд:

Q(t)=Iб1 τн[exp(−t/τн)].

Стале значення заряду дорівнює I вх τн , а час встановлення ≈3τн

Якщо транзистор почне закриватися раніше, ніж заряд встигне повністю накопичитися, то закриття пройде швидше, ніж у випадку повного накопичення заряду.

1.1.4 Розсмоктування надлишкового заряду

Нехай транзистор був насичений струмом Iб1 , тоді заряд, накопичений у ньому, дорівнює Iб1 τн . У деякий момент часу струм бази стрибком зменшується від струму, який втікає Iб1 , до струму, який витікає

Iб2 . З цього моменту починається зменшення заряду зі сталою часу τр, причому при t→ ∞, значення заряду наближається до теоретичної межі Iб2 τр . Час розсмоктування τр призначається як відрізок часу між моментом подання струму і моментом, коли напруга на колекторі досягне

рівня 0.2÷0.З Едж. Для визначення цього часу можна скористатися добре відомим співвідношенням, що дозволяє визначити час змінення деякого параметра V у будь-якому експоненційному процесі

t1 − t2 =Tln[(V(∞)− V1 ) (V(∞)− V2 )],

де V(∞) - значення параметра в нескінченності,

V1 і V2 - значення параметрів, між якими визначається інтервал часу.

Унашому випадку нас цікавить зміна зарядів в області бази і

Т= τр, V(∞) = Q(∞) = Iб2 τр ,

Значення сталої часу розсмоктування τр , як правило, в довідниках

не наводиться (не плутати з часом розсмоктування, що наводиться для деяких типів транзисторів із заданими струмами бази і колектора), і рідко

можна знайти значення τн . Тому для орієнтованих розрахунків для випадку використання дифузійних транзисторів можна вважати, що

τр ≈(2÷4) τβ ≈τн .

Закінчуючи аналіз процесів при розсмоктуванні зарядів відзначимо дуже важливе положення – розсмоктування неосновних носіїв із бази

насиченого транзистора здійснюється тільки струмом, що витікає. Якщо струм, що витікає, малий, транзистор буде вимикатися довго (може в десятки і сотні разів довше за час вмикання).