Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Практика применения интегральных схем

транзисторно-транзисторной логики

Методические указания

к выполнению практических занятий по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»

для дистанционной формы обучения

О

мск 2007

Составитель: И. В. Червенчук, канд. техн. наук, доцент

Рассмотрены практические вопросы применения цифровых интегральных схем транзисторно-транзисторной логики, приводятся примеры их рационального использования в устройствах ЦВМ. Рассматриваются такие схемотехнические вопросы как согласование логических интегральных схем различных серий, согласование цифровых интегральных схем с нестандартной нагрузкой, работа интегральных схем на длинную линию связи, разъясняются причины возникновения помех при переключении логических элементов.

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Схемотехника ЭВМ», предназначены для проведения практических занятий, позволяют студенту самостоятельно изучить теоретический материал по соответствующим темам и выполнить расчетные задания, могут использоваться при дистанционной форме обучения.

П

ечатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета

Редактор Н.Н. Пацула

ИД № 06039 от 12.10.01

Свод. темплан 2007 г.

Подписано в печать 11.01.2007. Формат 6084 ¹/₁₆. Бумага офсетная.

Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 2,0. Уч. изд. л. 2,0

Тираж 200 экз. Заказ

___________________________________________________________________________

Издательство ОмГТУ. 644050, Омск, пр. Мира, 11, тел. 23-02-12.

Т

ипография ОмГТУ

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

Настоящие методические указания содержат материал к четырем практическим занятиям дисциплины «Схемотехника ЭВМ» для студентов специальности «Электронные вычислительные машины, комплексы, системы и сети»:

Практическое занятие № 1. Расчет ключевых схем на биполярных транзисторах.

Практическое занятие № 2. Подключение нестандартной нагрузки к цифровым логическим элементам.

Практическое занятие № 3. Оценка помех, возникающих при переключении логических элементов.

Практическое занятие № 4. Работа логических элементов на длинную линию связи.

Перечисленные практические занятия проводятся аудиторно, наличие вычислительных средств желательно (задания, требующие наличия вычислительной техники являются дополнительными и могут быть выполнены студентами во внеаудиторное время). Наличие краткого теоретического материала, пояснений и примеров позволяет студенту выполнить задания к практическим занятиям самостоятельно, что дает возможность использовать данные методические указания при дистанционной форме обучения. Работа рассчитана на два часа: час в аудитории, примерно час на подготовку к работе и выполнение расчетного задания.

Данные практические занятия относятся к первому разделу дисциплины «Схемотехника ЭВМ» «синтез комбинационных схем на базе логических элементов». Для успешного их выполнения требуется наличие базовых знаний дисциплины «Электротехника и Электроника», в частности по разделу «транзисторные ключи» и дисциплины «Дискретная математика» по разделу «синтез комбинационных схем».

Практические занятия по тематике относятся к одной из первых базовых тем курса, а именно к теме «схемотехника ИС транзисторно-транзисторной логики». Общей задачей данных занятий является проработка ряда специфических практических вопросов схемотехники логических элементов, дать наглядную иллюстрацию лекционному материалу.

Задачей первого практического занятия является повторение материала дисциплины «Электротехника и электроника» по теме «ключи на биполярных транзисторах» и применение этих знаний при расчете многокаскадных ключевых схем. Для успешного выполнения заданий необходимо повторить соответствующий теоретический материал и материалы лабораторной работы «Исследование ключей на транзисторах» [10]. В целом занятие представляет собой входной контроль знаний студента и может проводиться перед началом изучения лекционного материала курса «Схемотехника ЭВМ».

Практические занятия № 2, № 3, № 4 идут по нарастанию сложности и требуют обязательной проработки теоретического лекционного материала по теме «схемотехника ИС транзисторно-транзисторной логики» [8]. При подготовке к занятиям следует уделить особое внимание таким вопросам. Система элементов ТТЛ. Базовый элемент ТТЛ, принцип функционирования, усовершенствование базового элемента ТТЛ, элементы двухступенчатой логики ТТЛ, схемы ТТЛ типа «открытый коллектор», «три состояния», технология ТТЛ-Шотки.

Для успешного выполнения работ необходимо иметь навыки работы со справочной литературой [3, 13], изучить номенклатуру выпускаемых промышленностью изучаемых электронных компонентов в интегральном исполнении, при необходимости уметь извлекать необходимую справочную информацию из Интернет. Желательно уметь пользоваться компьютерными средствами схемотехнического моделирования.

Практическое занятие 1 Расчет ключевых схем на биполярных транзисторах

Электронные ключи являются основой построения цифровых логических элементов. Электронные ключи строятся на базе биполярных и униполярных транзисторов, импульсных диодов. Предметом данного занятия будет изучение ключей на биполярных транзисторах, которые являются схемотехнической основой транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Схема ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, приводится на рис. 1. Ключевые схемы на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, используются наиболее часто, поскольку требуют наименьшей мощности управления.

Типовой задачей является расчет базового сопротивления (R_б), задающего ток управления ключа, при заданном сопротивлении нагрузки (R_н). Подробно расчет статических режимов работы ключа приводится в методических указаниях [10].

Р

Рис. 1. Ключ на биполярном транзисторе

асчет начинается с определения тока нагрузки, который является током насыщения ключа: .

Далее определяем ток базы насыщения, который необходимо подать на базу транзистора, чтобы ввести транзистор в режим насыщения:

,

где – статический коэффициент передачи по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

С учетом выбранного значения степени насыщения (s) находим ток базы:

I_б = (s+1) I_бн. При малом значении степени насыщения работа ключа не стабильна, снижается его нагрузочная способность, при больших значениях степени насыщения снижается быстродействие ключа. Из компромиссных соображений значение степени насыщения выбирается s = 1…4. Наконец, находим базовое сопротивление: где U_вх - входное напряжение высокого уровня; U_до - напряжение прямого смещения на p-n переходе, для кремневых транзисторов приблизительно составляет 0,7 В.

Значение R_б должно быть приведено к ряду стандартных номиналов E24.

Рассмотрим схему двух взаимодействующих ключей (рис. 2).

Рис. 2. Схема двух взаимодействующих ключей

Очевидно, что при включении первого ключа (на транзисторе VT1) второй ключ (на транзисторе VT2) выключается. При выключенном первом ключе ток от источника питания проходит через сопротивление R1 и открывает второй ключ. Когда первый ключ открыт, ток, проходящий через R1 ответвляется в цепь открытого транзистора VT1, при этом напряжение на базе транзистора VT2 соответствует напряжению на насыщенном транзисторе VT1 и не достаточно для открывания ключа (напряжение насыщения маломощного транзистора обычно не превышает 0,2 В, для того чтобы открыть транзистор необходимо преодолеть порог U_до, составляющий примерно 0,7 В для кремневых транзисторов).

В данной схеме коллекторный транзистор первого ключа (R1) задает ток базы транзистора VT2.

Расчет ключа начинаем с расчета второго ключа: .

Далее определяем ток базы насыщения VT2: , где ₂ – статический коэффициент передачи по току VT2.

С учетом выбранного значения степени насыщения (s) находим ток базы: I_б2 = (s+1) I_бн2. Находим базовое сопротивление второго ключа: .

Сопротивление R1 одновременно является нагрузкой первого ключа, поэтому ток коллектора насыщения VT1 равен

.

Далее ,

I_б1 = (s+1) I_бн1,

. При том же самом значении нагрузки (R_н) в данном случае (при использовании двух транзисторов) мощность управления оказывается существенно ниже по сравнению с простым ключом на одном транзисторе, что позволяет использовать маломощные элементы (например, цифровые интегральные схемы) для управления мощной нагрузкой. Для снижения мощности управления можно использовать ключи на базе составных транзисторов (рис. 3).

В

Рис. 3. Ключ на базе составного транзистора

данном случае используется составной транзистор на основе схемы Дарлингтона, суммарный коэффициент составного транзистора определяется как _ = ₁_2, где ₁ и ₂ – статические коэффициенты передачи по току соответственно VT1 и VT2.

Расчет подобного ключа выглядит следующим образом:

, ,

I_б = (s+1)I_бн.

.

Здесь от входного напряжения необходимо вычесть два значения U_до (поскольку в базовой цепи смещаются два перехода).