CIRCUITE LOGICE FUNDAMENTALE

CIRCUITE LOGICE FUNDAMENTALE

1. SCOPUL LUCRĂRII

Sunt prezentate caracteristicile constructiv funcsionale ale familiei de circuite integrate TTL si principalii parametri statici si dinamici ai acestei familii.

2.CONSIDERAsII TEORETICE

Circuitele integrate din familia TTL sunt frecvent utilizate, în special în echipamente numerice ce necesită viteze mari de prelucrare a semnalelor. Circuitul din figura 2.1 reprezentând o poartă sI-NU, este un element fundamental, care se regăseste în structura majorităsii componentelor integrate TTL.

2.1 Funcsionarea circuitului

Etajul de intrare este caracterizat de folosirea tranzistorului multiemitor Q₁, a cărui număr de emitoare determină, direct, numărul de intrări ale porsii. Din cauza fronturilor abrupte ale semnalelor, caracteristice funcsionării circuitelor TTL, pot apărea pe intrările circuitului oscilasii parazite, chiar dacă firele de legătură între porsi sunt scurte. Oscilasiile apar deoarece aceste conexiuni se comportă ca linii de transmisie si sunt încărcate cu sarcini neadaptate. Astfel, de exemplu, o tranzisie din "1" în "0" la iesirea porsii de comandă poate genera la intrarea porsii comandate salturi negative mai mari de 2 V. Acestea pot duce la străpungerea joncsiunii bază-emitor corespunzătoare, dacă celelalte intrări ale porsii sunt "1" logic, atrăgând după sine un consum suplimentar de curent si generarea zgomotului. Ca remediu se folosesc diodele de limitare D₁ si D₂ pe intrările circuitului.

Tranzistorul Q₂ îndeplineste funcsia de comandă în contratimp a etajului de iesire realizat cu tranzistoarele Q₃ si Q₄ si dioda D₃.

Pentru a arăta funcsionar 24224h78y ea electrică a circuitului din figura 2.1, să presupunem mai întâi că una dintre intrări este conectată la masă (nivel logic "0"). Ca urmare, tranzistorul Q₁ se saturează si datorită scăderii potensialului din colectorul său, tranzistorul Q₂ se blochează. Potensialul scăzut din emitorul lui Q₂ determină blocarea tranzistorului Q₄.

Tranzistorul Q₃ va conduce, fiind comandat de potensialul ridicat din colectorul tranzistorului Q₂. La iesire se va obsine o valoare ridicată de tensiune, corespunzător nivelului logic "1".

Dacă la ambele intrări se aplică o tensiune corespunzătoare nivelului logic "1", joncsiunile bază-emitor ale tranzistorului Q₁ sunt polarizate invers si tranzistorul lucrează în regiunea activă inversă. În acest caz joncsiunea bază-colector a tranzistorului Q₁ si joncsiunile bază-emitor ale tranzistoarelor Q₂ si Q₄ formează un lans de diode polarizate direct prin rezistensa R₁ de la plusul sursei de alimentare. În consecinsă tranzistoarele Q₂ si Q₄ se vor satura. În acelasi timp, tranzistorul Q₃ se blochează deoarece baza lui se află la un potensial mai mic decât potensialul emitorului său datorită decalajului de tensiune introdus de dioda D₃. Se obsine astfel la iesire o tensiune egală cu tensiunea de saturasie colector-emitor a tranzistorului Q₄, corespunzătoare nivelului logic "0".

Analizând funcsionarea porsii, din punct de vedere logic, se observă că ea realizează funcsia sI-NU, adică:

Tranzistoarele Q₃ si Q₄, constituite într-un etaj de iesire în contratimp, permit conectarea unei importante sarcini capacitive, fară o înrăutăsire accentuată a timpului de comutare.

2.2 Parametrii circuitului

Parametrii circuitului din figura 2.1 se încadrează în valorile standardizate pentru întreaga familie de circuite integrate TTL. Nivelele logice de intrare si iesire au garantate următoarele valori:

- V_IL - nivelul de tensiune necesar pentru a avea nivel logic "0" la intrare. Valoarea maximă permisă pentru a realiza sigur aducerea iesirii în starea dorită este de 0.8 V.

- V_IH - nivelul de tensiune necesar pentru a avea nivel logic "1" la intrare. Valoarea minimă permisă este de 2 V.

- V_OL - nivelul de tensiune la iesire în starea "0" logic. Valoarea maximă garantată este de 0.4 V.

- V_OH - nivelul de tensiune la iesire în starea "1" logic. Valoarea minimă garantată este de 2.4 V.

- V_T - reprezintă tensiunea de prag la care tensiunile de intrare si de iesire sunt egale.

Se observă că tensiunea de iesire maximă garantată pentru nivelul "0" logic este cu 0.4 V mai mică decât tensiunea de intrare maximă permisă pentru acest nivel logic, iar tensiunea de iesire minimă garantată pentru nivel "1" logic este cu 0.4 V mai mare decât tensiunea de intrare minimă permisă pentru acest nivel logic. Această marjă de siguransă de 0.4 V, pentru ambele stări logice, este denumită margine de zgomot în curent continuu garantată. Se asigură astfel compatibilitatea între orice iesire si intrare în cadrul familiei TTL, fiecare iesire putând comanda, în cazul seriei normale, până la 10 sarcini TTL, cu o margine de siguransă garantată de 0.4 V.

Pentru nivelul de iesire "0" logic impedansa de iesire este în jur de 10 , iar pentru "1" logic de 70 . Aceste valori scăzute asigură posibilitatea încărcării si descărcării rapide a capacităsilor de iesire.

Impedansa de intrare pentru nivel logic "0" este de aproximativ 40 K , în paralel cu o capacitate de 1.5 pF, iar pentru nivelul "1" logic la intrare de 400 K , în paralel cu aceeasi capacitate.

Pentru familia de circuite TTL standard curensii de intrare, respectiv de iesire au

următoarele valori nominale:

- la intrare, pentru starea "1" logic, o poartă TTL absoarbe 40 A, iar în starea "0" logic generează 1.6 mA pe intrarea respectivă;

- la iesire, pentru starea "1" logic, poarta generează maximum 400 A, iar pentru starea "0" logic absoarbe maximum 16 mA.

Caracteristica de intrare I_I=f(V_I) se poate ridica cu ajutorul schemei din figura 2.2.

Curentul de intrare este determinat, în principal de rezistensa R₁ si este funcsie de tensiunea de alimentare V_cc, temperatura de lucru si tensiunea de intrare.

Caracteristica de iesire V_OL=f(I_OL) se poate ridica cu ajutorul schemei din figura 2.3 iar caracteristica V_OH=f(I_OH) cu schema din figura 2.4.

Scurtcircuitarea iesirii la masă poate determina prin tranzistorul Q₃ un curent cuprins între 18 si 55 mA, dacă Q₃, D₃ si R₄ funcsionează static corect. Acest curent nu este periculos dacă are o durată scurtă. Variasia curentului de scurtcircuit cu tensiunea de alimentare se poate urmări cu ajutorul schemei din figura 2.5.

Este importantă verificarea curentului de scurtcircuit deoarece o valoare prea mare ar distruge poarta iar o valoare prea mică ar mări timpii de comutare din "0" în "1" logic.

În cadrul familiei de circuite integrate TTL există mai multe serii de circuite, care se deosebesc în principal prin compromisul realizat între puterea disipată pe poartă si timpul de propagare, asa cum rezultă din tabelul de mai jos:

74 - Seria TTL normală;

74LS - Low-Power Schottky TTL;

74S - Schottky TTL;

74ALS - Advanced Low-Power Schottky TTL;

74AS - Advanced Schottky TTL.

Circuitele din seria 5400 (sau CDB cu sufixul E) sunt destinate aplicasiilor militare. Gama tensiunilor de alimentare admise este (4.5 5.5) V într-o gamă de temperaturi de lucru admise de (-55 C.

Circuitele din seria comercială 7400 (sau CDB cu sufixul EM) sunt destinate aplicasiilor civile. Gama tensiunilor de alimentare admise este (4.75 5.25) V iar gama temperaturilor de lucru admise (0 C.

Caracteristica de transfer a porsii sI-NU standard este prezentată în figura 2.6 iar schema ce se poate utiliza pentru ridicarea acestei caracteristici în figura 2.7.

Circuitul format din R₁, D₁-D₄, conectat la iesirea porsii simulează o impedansă echivalentă cu 10 sarcini TTL. Diodele sunt de tipul 1N4148 iar C₁ include capacităsile de iesire a sondelor si ale sistemului de conectare.

Dacă tensiunea de intrare V_I creste de la 0 V până la V_B, iesirea porsii se află la potensial ridicat si depinde relativ pusin de sarcina circuitului. La cresterea potensialului V_I peste valoarea corespunzătoare punctului B, curentul de bază al tranzistorului Q₁ este treptat transferat din emitor în colector, iar tranzistorul Q₂ începe să conducă usor. Amplificarea realizată pe porsiunea BC de tranzistorul Q₂ este -R₂/R₃. Tranzistorul Q₃ funcsionează ca repetor pe emitor, iar Q₄ este blocat. Pentru valori V_I>V₀, tranzistorul Q₄ începând să conducă determină o variasie mai rapidă a tensiunii de iesire cu tensiunea de intrare (porsiunea CD). Această variasie rapidă a lui V₀ prin intrarea în conducsie a tranzistorului Q₄ se datorează atât scăderii potensialului colectorului acestuia cât si reducerii impedansei de emitor a tranzistorului Q₂ care duce la cresterea amplificării sale. Tranzistoarele Q₂, Q₃ si Q₄ conduc în regiunea activă normală, ceea ce duce la închiderea unei bucle de reacsie pozitivă (colectorul lui Q₂-baza lui Q₃-dioda D₃-colectorul lui Q₄ si emitorul lui Q₂) si dacă frontul impulsurilor aplicate pe intrarea porsii este mare (>100ns), la iesire apar oscilasii de înaltă frecvensă. Pe de altă parte, pe această porsiune a caracteristicii de transfer (~1.5 V pentru V_I) creste consumul de la sursa de alimentare, curentul absorbit de etajul final fiind limitat doar de rezistensa R₄. Ca efect al acestui fenomen sunt vârfurile de tensiune pe liniile de alimentare, pentru înlăturarea cărora se montează capacităsi de decuplare. Pentru tensiuni de intrare mai mari de 2V, prin blocarea lui Q₃ si saturarea lui Q₄ tensiunea de iesire rămâne practic constantă si egală cu V_CEsat a tranzistorului Q₄.

Caracteristicile dinamice ale circuitelor TTL se pot determina cu ajutorul circuitului din figura 2.8, care simulează încărcarea unei porsi cu 10 sarcini TTL. Timpii de crestere t_r si de cădere t_f se definesc între 0.1 si 0.9 din amplitudinea semnalului (figura 2.9). Pentru circuitele TTL standard acestia au valori tipice de 8ns si respectiv 5ns. Timpul de propagare reprezintă intervalul de timp între aplicarea semnalului de intrare si obsinerea răspunsului la iesirea circuitului logic. Timpul de propagare pentru tranzisiile din starea 0 logic (nivel L) în starea 1 logic (nivel H), t_pLH, diferă în general de cel pentru tranzisiile din starea 1 logic în 0 logic, t_pHL. Valorile tipice pentru seria CDB sunt t_pHL=8ns si t_pLH=12ns. Timpul de propagare mediu se calculează cu formula:

Acesti timpi sunt influensasi de numărul de sarcini, de temperatură si de tensiunea de alimentare.

3. MERSUL LUCRĂRII

Se ridică, cu ajutorul circuitului din figura 2.7, caracteristica de transfer pentru diferite tensiuni de alimentare. Se verifică în continuare nivelele garantate la iesire în funcsie de valorile tensiunii permise la intrare.

Se trasează caracteristica de intrare cu ajutorul circuitului din figura 2.2 pentru diferite valori ale tensiunii de alimentare.

Se trasează caracteristicile de iesire cu ajutorul circuitelor din figurile 2.3 si 2.4 în aceleasi condisii de alimentare, curensii luând valori între 2mA si 30 mA.

Se urmăreste variasia curentului de scurtcircuit în funcsie de tensiunea de alimentare cu ajutorul circuitului din figura 2.5.

Cu ajutorul circuitului din figura 2.8 se va analiza comportarea dinamică a circuitelor puse la dispozisie. Pentru o eventuală evidensiere mai semnificativă a timpilor de propagare se pot conecta în cascadă un număr mai mare de porsi. Semnalul de la iesirea generatorului va avea o frecvensă peste 1MHz.

4. CONsINUTUL REFERATULUI

- Prezentarea sumară a caracteristicilor circuitelor TTL.

- Configurasia terminalelor pentru circuitele utilizate în lucrare.

- Schemele circuitelor de măsură, tabele cu măsurători si grafice reprezentând caracteristicile ridicate.

- Diagramele de semnale obsinute în analiza comportării dinamice a circuitelor TTL.