Разработка генератора сигналов на цифровых микросхемах (стр. 6 из 11)

2.7. Расчет нагрузочной способности элемента ТТЛ

Нагрузочная способность элемента определяется коэффициентом разветвления К_раз, характеризующим количество аналогичных элементов, подключаемых к выходу данного элемента. На рис.2.6 (а) приведена схема для определения К_раз . Принимаем , что у транзистора U_БЭнас = 0,7 В ; U _Кэнас = 0,3 В ; для ПМЭТ U_БКМ =0,7 В ;

Cчитая все транзисторы идентичными, пренебрегаем объемным сопротивлением базы и коллектора. При включенном элементе на всех входах - напряжение U¹_вх , на выходе - напряжение U⁰_вых .

Для тока базы МЭТ

I_БМ=(U_ип - U_бкм - U_{БЭнаст1} - U_{БЭнаст3}) /R₁; (1)

I¹_КМ= I_{бнас т1} =I¹_БМ(1+К_обb_i) (2)

где b_i - инверсный коэффициент усиления по току для МЭТ

I_к1 = (U_ип - U_БКМ - U_{БЭнаст1}-U_{БЭнаст3})/R₂ ; (3)

I_Э1=I_к1+I_б1=(U_МП -U_{кэнаст1}-U_{бэнасТ3})/R₂+(U_ип-

- U_БКМ-U_{БЭнаст1}-U_{БЭнаст3})/R₁(1+К_обb_i); (4)

I_R3=U_{БЭнаст3}/R₃ ; (5)

I_БнасТ3 =I_Э1-I_R3=(U_ип-U_{КЭнасТ1}-U_{БЭнасТ3})/R₂+(U_ип - U_БКМ-U_{БЭнасТ3})/ R₁ (1+К_обb_i)-

(U_{БЭнасТ3})/R₃ (6)

Ток коллектора насыщенного транзистора

I_кнасТ3=I_н=К_раз I⁰_вх=К_раз[1+(К_обN-1)b_i]=

К_раз[(U_ип-U_БЭМ-U_{КЭнасТ3})]/R₁[1+(К_обN-1)b_i] , (7)

где I_Н1=I_Н2=...=I⁰_вх=[1+(К_обN-1)b_i] (8)

Коэффициент разветвления по выходу определим из условия

I_БнасТ3=К_насТ3 I_кнасТ3/b_min . (9)

Подставив (6) и (7) в (9) получим

(10)

Оценим числовое значение К_раз в нормальных условиях при следующих исходных данных:

U_uп = 1 к Ом, R₄ = 150 Ом;

(для МЭТ);

К_нас = 1,5;

; (для транзисторов Т1-Т3). После подстановки этих значений в (10) получим К_раз = 38.

Существует другой упрощенный вариант определения К_раз исходя из максимального допустимого тока коллектора транзистора Т3.

В этом случае можно записать

К_раз = I_{k max} / I⁰_вх (11)

Приняв I_{k max} = 30мА, из (8) находим входной ток I⁰_вх = 1,35 мА. Тогда из (11) К_раз, вычисленное по (10) и (11), значительно больше типовой величины К_раз = 10, указываемой в ТУ на элементы ТТЛ, что обусловлено влиянием параметров быстродействия на величину К_раз. 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. I_вых = f (U_вых). 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 U_ИП = U _вых , на выход элемента в точку у рис (2.8.в ) . Между точками включаем миллиамперметр для измерения тока I_вых. За положительное напряжение выходного тока принимаем такое направление ,когда выходной ток входит в элемент. Изменяя напряжение U_вых и замеряя ток I_{вых ,} 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 U_вых ); участок 2- активному режиму работы транзистора Т3 (при дальнейшем увеличении U_вых ); участок 3- инверсному активному режиму работы транзистора Т3 (при уменьшении напряжения, когда U_вых 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 U_вых> U¹ _вых); участок 5 - активному режиму работы Т2 ( U_вых< U¹_вых ) участок 6 - режиму насыщения транзистора Т2 ( U_вых<< 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;

2) в качестве границы насыщения для транзистора Т2 принимаем условие

U_к- U_Б = 0,6 В 12 а )

-условие технического насыщения.

Для этапа работы транзистора Т2 в активном режиме (рис. 2.8.е ), участок 5 ) можно записать

I_вых= I_Э (12)

I_Б = I_Э ( 1- a ) = I_вых ( 1- a ) ( 13)

Напряжение на базе транзистора Т2

U_Б = U_ИП - I_Б R₂ = U _ИП - I _вых ( 1- a ) R₂ ( 14 )

Выходное напряжение элемента

U_вых = U_Б - U _БЭТ2 - U_Д = U _ИП - I _вых ( 1 - a ) R₂ - U _БЭТ2 - U _Д (15)

Выходное сопротивление элемента в этом случае

dU_вых / d I_вых = ( 1-a ) R₂ = R₂ / ( 1 + b ) (16)

Определим ток I_вых на границе насыщения для транзистора Т2:

U_к = U _{ИП -}- I_к R₄ = U_ИП - aI _выхR_{4 (17)}

Подставив (14) и (17) в условие (12а) , получим.

0,6 0,6

I_вых= ------------------- » ---------------- (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 :

I_Б = ( U_ИП - U _{БЭ наст. Т2} - U _Д - U _вых ) / R₂ ; ( 19 )

I_К = ( U_{ИП -} U_кэнас Т₂ - U_Д - U _вых ) / R₄ (20)

I_вых = I_Б + I _к = ( U_ИП - U _{Бэ наст. Т2} - U_{Д _-} U_вых ) /R₂ +

+ ( U_ИП - U _{кэ наст т2 -} U_Д - U_вых ) / R₄ (21)

Выходное сопротивление элемента в этом случае

R_вых = d U_вых / d I_вых = R₂R₄/ ( R₂ + R₄ ) ( 22 )

При указанных выше параметрах получим

a = b/ ( 1 + b ) = 0,967.

Из 16 имеем R_вых = 52 Ом.

Выходное напряжение и ток на границе насыщения из ( 15 ) и ( 18 ) I_вых = ( 4,5 - 6,5 ) мА; U_вых = 3,37 В. Выходное сопротивление схемы в режиме транзистора Т2 ровно R_вых = 137 Ом.

При U_вых = 0 , получим выходной ток короткого замыкания I_к=29 мА.

При U_вых > 3,6 В транзистор Т2 находится в режиме отсечки и I_вых = 0 ( т.е. I_вых практически равен тока утечки закрытых транзисторов Т2 и Т3 ). На участке отрицательных значений напряжений U_вых ( 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

l = 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 t_ср = 1 / l (3)

Например, если l = 10^-5 1/ч, то t_ср = 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.