Разработка генератора сигналов на цифровых микросхемах - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
1/R1+1/R2
откуда (Uвх)2 = 3, 55 В
Характерная точка 3. Транзистор Т в активном режиме , тогда ток
коллектора транзисторов нагрузок Iкн = 0,9 Iкнас . В этом случае
(Uвых)3 = Uвх4 = 4,92 В ;
(Iн)3= 3Iвх4=4,608 мА ; (IRK)3=Uип=(Uвых)3/Rк=7,08 мА ;
(Iк)3 = (IRK)3 - (IH)3 = 2, 47 мА ;
I*Б =I*Э/(1+bmin) =32,3 мкА ; (IБ)3 = (Iк)3=(Iк)3/bmin = 82, 4 мкА ;
I*Б
(UБЭ)3 = U*БЭ - jт ln ------- = 0,724 В
(IБ)3
Из выражения
(Uвх)3/R1+Uисм/R2 - (IБ)3
------------------------------- = (UБЭ)3
1+/R1+1/R2
найдем (Uвх)3 = 3,9 В
Характерная точка 4. Транзистор Т в активном режиме, ток коллектора
транзисторов нагрузок Iкн = 0,1 Iкнас . Тогда (Uвых)4 = Uвх3 =3,73 В ;
(Iн)4 =3Iвх3 = 3,495 мА; (IRK)4 =(Uип - (Uвых)4/Rк =8,27 мА
(Iк)4 = (IRK)4 -(IН)4 = 4,78 мА ;
(Iк)4 = (IRK)4 /bmin = 1,593 мА ;
(IБЭ)4 = U*БЭ - jт ln[I*Б/(IБ)4] = 0,74
Из выражения
(Uвх)4 = /R1+Uисм/R2
---------------------------------------------- =
(UБЭ)4
1/R1+1/R2
найдем (Uвх)4 = 4,2 В
Характерная точка 5. Транзистор Т на границе насыщения . В этом случае
(Uвх)5 = Uвх5 = 5,06 В; (Uвых)5 = UКЭнас = 0,3 В .
2.5.Выходная характеристика
Выходная характеристика представляет собой зависимость выходного тока
от выходного напряжения, т.е. Iвых = f(Uвых). Для снятия выходной
характеристики используем схемы, показанную на рис.2.1 (а). Выходная
характеристика строится при отсутствии нагрузки, так как ток нагрузки и
является выходным током для двух состояний схемы - открытого и закрытого.
В процессе снятия выходной характеристики подаем напряжение Uвых на
выход инвертора , измеряя ток Iвых прибором, включенным между точкой а и
выходом. За положительное направление тока Iвых принимаем такое
направление, когда ток Iвых втекает в схему элемента. Характеристика
снимается для двух состояний элемента : когда на входе «1» (напряжение
U1вх) , на выходе «0» (напряжение U0вых) элемент открыт,«включен» и когда
на входе «0» (напряжение U0вх), на выходе «1» (напряжение U1вых) , т.е.
элемент включен
На рис.2.1.(г) приведена выходная характеристика . Рассмотрим методику её
построения .
Элемент включен . При напряжениях Uвых> 0,5 В транзистор переходит из
режима насыщения в активный режим работы которого справедливо выражение Iк
= bIвх . В этом случае для выходной характеристики на участке 1.
Iвых =bIвх - (Uип - Uвых)/Rк.
Так как Iвх зависит от Краз управляющего элемента, выходную
характеристику следует строить для различных значений Краз. Надо помнить,
что одна нагрузка для управляющего элемента - рассматриваемый элемент . На
участке 2 рис.2.2(г) выходной характеристики Iвых » Iвх .
2.6. Исследование основного элемента транзисторно-транзисторной
логики
Логика работы ТТЛ.
На рис.2.6. (а) показано условное обозначение элемента Шеффера на
функциональных схемах , где х1 , х2, х3...хn- входы ; у- выход .
Минимальное число входов равно двум. Логика работы элемента Шеффера на три
входа представлена таблицей истинности или состояний (табл.2.6) .
Логическое уравнение работы элемента, составленное по табл.1, записывается
в виде _____
у=-х1 х2 х3 ;
На рис.2.6 (б) приведена временная диаграмма работы элемента на три входа
(здесь Uн ,Uв - нижний и верхний уровни напряжений, соответствующие
состояниям «0» и «1» ).
2.7. Расчет нагрузочной способности элемента ТТЛ
Нагрузочная способность элемента определяется коэффициентом
разветвления Краз, характеризующим количество аналогичных элементов,
подключаемых к выходу данного элемента. На рис.2.6 (а) приведена схема для
определения Краз . Принимаем , что у транзистора UБЭнас = 0,7 В ; U Кэнас
= 0,3 В ; для ПМЭТ UБКМ =0,7 В ;
Cчитая все транзисторы идентичными, пренебрегаем объемным
сопротивлением базы и коллектора. При включенном элементе на всех входах -
напряжение U1вх , на выходе - напряжение U0вых .
Для тока базы МЭТ
IБМ=(Uип - Uбкм - UБЭнаст1 - UБЭнаст3) /R1;
(1)
I1КМ= Iбнас т1 =I1БМ(1+Кобbi)
(2)
где bi - инверсный коэффициент усиления по току для МЭТ
Iк1 = (Uип - UБКМ - UБЭнаст1-UБЭнаст3)/R2 ;
(3)
IЭ1=Iк1+Iб1=(UМП -Uкэнаст1-
UбэнасТ3)/R2+(Uип-
- UБКМ-UБЭнаст1-UБЭнаст3)/R1(1+Кобbi);
(4)
IR3=UБЭнаст3/R3 ;
(5)
IБнасТ3 =IЭ1-IR3=(Uип-UКЭнасТ1-UБЭнасТ3)/R2+(Uип - UБКМ-UБЭнасТ3)/ R1
(1+Кобbi)-
(UБЭнасТ3)/R3 (6)
Ток коллектора насыщенного транзистора
IкнасТ3=Iн=Краз I0вх=Краз[1+(КобN-1)bi]=
Краз[(Uип-UБЭМ-UКЭнасТ3)]/R1[1+(КобN-1)bi] , (7)
где IН1=IН2=...=I0вх=[1+(КобN-1)bi] (8)
Коэффициент разветвления по выходу определим из условия
IБнасТ3=КнасТ3 IкнасТ3/bmin . (9)
Подставив (6) и (7) в (9) получим
[pic][pic](10)
Оценим числовое значение Краз в нормальных условиях при следующих исходных
данных:
Uuп = 1 к Ом, R4 = 150 Ом; [pic] (для МЭТ);
Кнас = 1,5; [pic]; [pic] (для
транзисторов Т1-Т3). После подстановки этих значений в (10)
получим Краз = 38.
Существует другой упрощенный вариант определения Краз исходя из
максимального допустимого тока коллектора транзистора Т3.
В этом случае можно записать
Краз = Ik max / I0вх
(11)
Приняв Ik max = 30мА, из (8) находим входной ток I0вх = 1,35 мА.
Тогда из (11) Краз, вычисленное по (10) и (11), значительно больше типовой
величины Краз = 10, указываемой в ТУ на элементы ТТЛ, что обусловлено
влиянием параметров быстродействия на величину Краз. Следует отметить что
для выключенного элемента, поэтому рассматривать соответствующие
аналитические выражения целесообразно.
2.8. Выходная характеристика
Выходная характеристика элемента ТТЛ- типа представляет собой
зависимость выходного напряжения, т.е. Iвых = f (Uвых). Выходная
характеристика снимается при отключенной нагрузке для двух состояний
элемента рис.(2.8. в ) (элемент включен, элемент выключен).
Элемент включен. При этом состоянии транзистор Т3 открыт, на выходе
элемента напряжения U 0 вых на всех входах напряжение U1 вх.
Элемент выключен. При этом состоянии транзистор Т3 закрыт, на выходе
элемента напряжения U1 вых и хотя бы одном входе - напряжение U0 вх . В
процессе снятия выходной характеристики подключаем внешнее регулирование по
напряжению источника питания UИП = U вых , на выход элемента в точку у рис
(2.8.в ) . Между точками включаем миллиамперметр для измерения тока Iвых.
За положительное напряжение выходного тока принимаем такое направление
,когда выходной ток входит в элемент. Изменяя напряжение Uвых и замеряя ток
Iвых , построим выходную характеристику. На рис (2.8 е) приведена выходная
характеристика элемента для двух его состояний включен ( на выходе "0" ),
выключен ( на выходе "1" ). Выходную характеристику проанализируем .
Элемент будет включен , если транзистор Т3 открыт, а транзистор Т2
и диод Д закрыт. Из рис. (2.8.е ) видно, что выходная характеристика
включенного элемента совпадает с выходной характеристикой (ВАХ)
транзистора Т3. На характеристике можно выделить ряд участков, характерных
для режима работы транзистора Т3;участок 1 соответствует насыщенному режиму
работы транзистора участок один соответствует насыщенному режиму работы
транзистора Т3 ( при дальнейшем увеличении Uвых ); участок 2- активному
режиму работы транзистора Т3 (при дальнейшем увеличении Uвых ); участок 3-
инверсному активному режиму работы транзистора Т3 (при уменьшении
напряжения, когда Uвых принимает отрицательные значения) :
Элемент будет выключен, если транзистор Т3 закрыт, а транзистор Т2 и
диод Д открыты . На рис. (2.8.е ) можно выделить на характеристике ряд
участков , характерных для различных режимов работы транзистора Т2; участок
4 соответствует режиму отсечки транзистора Т2 ( напряжение Uвых> U1 вых);
участок 5 - активному режиму работы Т2 ( Uвых< U1вых ) участок 6 - режиму
насыщения транзистора Т2 ( Uвых<< U1 ).
Проанализируем выходные характеристики и при следующих допущениях :
1) считаем, что напряжение на переходе база - эмиттер транзистора Т2,
работающего в активном режиме или в режиме насыщения , равна 0,7 В;
напряжение на диоде Д также равно 0,7 В;
1) в качестве границы насыщения для транзистора Т2 принимаем условие
Uк- UБ = 0,6 В
12 а )
-условие технического насыщения.
Для этапа работы транзистора Т2 в активном режиме (рис. 2.8.е ),
участок 5 ) можно записать
Iвых= IЭ
(12)
IБ = IЭ ( 1- a ) = Iвых ( 1- a )
( 13)
Напряжение на базе транзистора Т2
UБ = UИП - IБ R2 = U ИП - I вых ( 1- a ) R2
( 14 )
Выходное напряжение элемента
Uвых = UБ - U БЭТ2 - UД = U ИП - I вых ( 1 - a ) R2 - U БЭТ2 - U Д
(15)
Выходное сопротивление элемента в этом случае
dUвых / d Iвых = ( 1-a ) R2 = R2 / ( 1 + b )
(16)
Определим ток Iвых на границе насыщения для транзистора Т2:
Uк = U ИП -- Iк R4 = UИП - aI выхR4
(17)
Подставив (14) и (17) в условие (12а) , получим.
0,6 0,6
Iвых= ------------------- » ----------------
(18)
aR4-(1-a)R2 (2a-1)R4
На границе насыщения R2 = R4
Для этапа работы транзистора Т2 в режиме насыщения рис. ( 4.2..е)
участок 6) можно записать :
IБ = ( UИП - U БЭ наст. Т2 - U Д - U вых ) / R2 ;
( 19 )
IК = ( UИП - Uк энас Т2 - UД - U вых ) / R4
(20)
Iвых = IБ + I к = ( UИП - U Бэ наст. Т2 - UД _-
Uвых ) /R2 +
+ ( UИП - U кэ наст т2 - UД - Uвых ) / R4
(21)
Выходное сопротивление элемента в этом случае
Rвых = d Uвых / d Iвых = R2R4/ ( R2 + R4 ) ( 22 )
При указанных выше параметрах получим
a = b/ ( 1 + b ) = 0,967.
Из 16 имеем Rвых = 52 Ом.
Выходное напряжение и ток на границе насыщения из ( 15 ) и ( 18 )
Iвых = ( 4,5 - 6,5 ) мА; Uвых = 3,37 В. Выходное сопротивление схемы в
режиме транзистора Т2 ровно Rвых = 137 Ом.
При Uвых = 0 , получим выходной ток короткого замыкания Iк=29 мА.
При Uвых > 3,6 В транзистор Т2 находится в режиме отсечки и Iвых = 0
( т.е. Iвых практически равен тока утечки закрытых транзисторов Т2 и Т3 ).
На участке отрицательных значений напряжений Uвых ( участок 3 ,рис 3.5..е
) вид выходной характеристики определяется шунтирующим действием
паразитного диода коллектор - подложка транзистора Т3.
2.9. Методы оценки надежности
Основной метод оценки надежности элементов цифровых приборов
статический.
В его основе находятся испытания партии изделий на срок службы.
Поясним сущность этого метода. Если в партии элементов из N штук за время t
произошло n отказов, то вероятность отказа в единицу времени определяется
выражением вида
= n / (Nt) (1)
Величину l-называют средней частотой или интенсивностью отказов. Зная
величину l, можно оценить вероятность безотказной (исправной) работы
элемента в течение заданного времени эксплуатации по формуле.
Р = е -l t (2)
Из (2) следует, что каким бы малым ни было значение l,с течением
времени вероятность безотказной работы приближается к нулю.
Среднем временем безотказной работы элемента (среднем сроком службы)
принято считать величину, получаемую из условия
lt =1 tср = 1 / l (3)
Например, если l = 10-5 1/ч, то tср = 105 ч (т.е. около 10 лет).
Многочисленными экспериментально- статистическими данными
подтверждаются, что величина l не постоянная, она меняется с течением
времени рис.2.9.1. Кривую зависимостью l=f(t) можно разделить на три
участка: участка 1, на котором выявляются грубые ошибки при изготовлении
элемента, загрязнении поверхности и др.; участок 2, на котором l = const,
т.е. отказы обусловлены случайными, неконтролируемы причинами; участок 3,
на котором l снова возрастает в результате неизбежного старения элементов,
т.е. появления тех химических и физико-химических процессов, от которых
неизбежна ни одна реальная структура и которые связаны с причинам действия
элемента.
Применительно к элементам ЦВМ и цифровых и цифро-аналоговых
преобразователями такими принципиальными факторами являются взаимная
диффузия, разнородных материалов, рациональные дефекты, обусловленные
космическим излучением, и.т.п. Средний срок службы (3) соответствует
границе между участками 2 и 3. Участок 1 обычно устраняется путем
тренировки элементов. Тренировка элементов состоит в том, что после
проведенных испытаний (механических, электрических, климатических и др.)
элементы работают в течение нескольких десятков или сотен часов нормальных
эксплуатационных условиях и отказавшие за это время элементы устраняется.
В настоящее время интенсивность отказов элементов и БИС лежит в
пределах 10-8 - 10-9 1/ч. Для достоверной оценки величины l необходимо
при испытаниях "дождаться" хотя бы 2-3 отказов. Тогда из (1) при n =2ё3
следует, что время испытаний для партии N = 103 штук составит десятки лет.
Ставить же партии элементов в количестве 104 - 105шт. на испытания
экономически невыгодно.
В таких случаях используется метод ускоренных испытаний, основанный
на законе Аррениуса, согласно которому скорость J химических и физико-
химических процессов связан с температурой экспоненциальной зависимостью
вида
J » е-( Wa / K)T
где Wa - энергия активизации процесса.
Отсюда следует, что средний срок службы изделия при повышенной
температуре будет существенно меньше, чем при нормальной:
ty = tн ехр [-(Wа / к) (TH-1 - T-1y) ],
(4)
где индексы "н", "у" относятся к нормальной и повышенной температуры.
Проведя ускоренные испытания при повышенной температуре, фиксирует
отказы изделия, добиваясь их появления за разумное время.
Полученное значение lу пересчитывают к нормальной температуре с
помощью выражений (4) и (3). Используя, например для испытаний элементов
ЦВМ температуру +2500С можно ускорить оценку величины l в сотни раз. Однако
при значениях l Ј10-9 1/ч и такое ускорение оказывается недостаточным.
Таким
|
