CIRCUITE LOGICE FUNDAMENTALE

CIRCUITE LOGICE FUNDAMENTALE

1. SCOPUL LUCRÃRII

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 necesitã viteze mari de prelucrare a semnalelor. Circuitul din figura 2.1 reprezentând o poartã sI-NU, este un element fundamental, care se regãseste în structura majoritãsii componentelor integrate TTL.

2.1 Funcsionarea circuitului

Etajul de intrare este caracterizat de folosirea tranzistorului multiemitor Q₁, a cãrui numãr de emitoare determinã, direct, numãrul de intrãri ale porsii. Din cauza fronturilor abrupte ale semnalelor, caracteristice funcsionãrii circuitelor TTL, pot apãrea pe intrãrile circuitului oscilasii parazite, chiar dacã firele de legãturã între porsi sunt scurte. Oscilasiile apar deoarece aceste conexiuni se comportã ca linii de transmisie si sunt încãrcate cu sarcini neadaptate. Astfel, de exemplu, o tranzisie din "1" în "0" la iesirea porsii de comandã poate genera la intrarea porsii comandate salturi negative mai mari de 2 V. Acestea pot duce la strãpungerea joncsiunii bazã-emitor corespunzãtoare, dacã celelalte intrãri ale porsii sunt "1" logic, atrãgând dupã sine un consum suplimentar de curent si generarea zgomotului. Ca remediu se folosesc diodele de limitare D₁ si D₂ pe intrãrile circuitului.

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

Pentru a arãta funcsionar 24224h78y ea electricã a circuitului din figura 2.1, sã presupunem mai întâi cã una dintre intrãri este conectatã la masã (nivel logic "0"). Ca urmare, tranzistorul Q₁ se satureazã si datoritã scãderii potensialului din colectorul sãu, tranzistorul Q₂ se blocheazã. Potensialul scãzut din emitorul lui Q₂ determinã blocarea tranzistorului Q₄.

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

Dacã la ambele intrãri se aplicã o tensiune corespunzãtoare nivelului logic "1", joncsiunile bazã-emitor ale tranzistorului Q₁ sunt polarizate invers si tranzistorul lucreazã în regiunea activã inversã. În acest caz joncsiunea bazã-colector a tranzistorului Q₁ si joncsiunile bazã-emitor ale tranzistoarelor Q₂ si Q₄ formeazã un lans de diode polarizate direct prin rezistensa R₁ de la plusul sursei de alimentare. În consecinsã tranzistoarele Q₂ si Q₄ se vor satura. În acelasi timp, tranzistorul Q₃ se blocheazã deoarece baza lui se aflã la un potensial mai mic decât potensialul emitorului sãu datoritã decalajului de tensiune introdus de dioda D₃. Se obsine astfel la iesire o tensiune egalã cu tensiunea de saturasie colector-emitor a tranzistorului Q₄, corespunzãtoare nivelului logic "0".

Analizând funcsionarea porsii, din punct de vedere logic, se observã cã ea realizeazã funcsia sI-NU, adicã:

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

2.2 Parametrii circuitului

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

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

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

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

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

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

Se observã cã tensiunea de iesire maximã garantatã pentru nivelul "0" logic este cu 0.4 V mai micã decât tensiunea de intrare maximã permisã pentru acest nivel logic, iar tensiunea de iesire minimã garantatã pentru nivel "1" logic este cu 0.4 V mai mare decât tensiunea de intrare minimã permisã pentru acest nivel logic. Aceastã marjã de siguransã de 0.4 V, pentru ambele stãri logice, este denumitã margine de zgomot în curent continuu garantatã. Se asigurã astfel compatibilitatea între orice iesire si intrare în cadrul familiei TTL, fiecare iesire putând comanda, în cazul seriei normale, pânã la 10 sarcini TTL, cu o margine de siguransã garantatã 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 scãzute asigurã posibilitatea încãrcãrii si descãrcãrii rapide a capacitãsilor 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

urmãtoarele valori nominale:

- la intrare, pentru starea "1" logic, o poartã TTL absoarbe 40 A, iar în starea "0" logic genereazã 1.6 mA pe intrarea respectivã;

- la iesire, pentru starea "1" logic, poarta genereazã 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 masã poate determina prin tranzistorul Q₃ un curent cuprins între 18 si 55 mA, dacã Q₃, D₃ si R₄ funcsioneazã static corect. Acest curent nu este periculos dacã are o duratã scurtã. Variasia curentului de scurtcircuit cu tensiunea de alimentare se poate urmãri cu ajutorul schemei din figura 2.5.

Este importantã verificarea curentului de scurtcircuit deoarece o valoare prea mare ar distruge poarta iar o valoare prea micã ar mãri timpii de comutare din "0" în "1" logic.

În cadrul familiei de circuite integrate TTL existã mai multe serii de circuite, care se deosebesc în principal prin compromisul realizat între puterea disipatã pe poartã si timpul de propagare, asa cum rezultã din tabelul de mai jos:

74 - Seria TTL normalã;

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 gamã de temperaturi de lucru admise de (-55 C.

Circuitele din seria comercialã 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 prezentatã 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 simuleazã o impedansã echivalentã cu 10 sarcini TTL. Diodele sunt de tipul 1N4148 iar C₁ include capacitãsile de iesire a sondelor si ale sistemului de conectare.

Dacã tensiunea de intrare V_I creste de la 0 V pânã la V_B, iesirea porsii se aflã la potensial ridicat si depinde relativ pusin de sarcina circuitului. La cresterea potensialului V_I peste valoarea corespunzãtoare punctului B, curentul de bazã al tranzistorului Q₁ este treptat transferat din emitor în colector, iar tranzistorul Q₂ începe sã conducã usor. Amplificarea realizatã pe porsiunea BC de tranzistorul Q₂ este -R₂/R₃. Tranzistorul Q₃ funcsioneazã ca repetor pe emitor, iar Q₄ este blocat. Pentru valori V_I>V₀, tranzistorul Q₄ începând sã conducã determinã o variasie mai rapidã a tensiunii de iesire cu tensiunea de intrare (porsiunea CD). Aceastã variasie rapidã a lui V₀ prin intrarea în conducsie a tranzistorului Q₄ se datoreazã atât scãderii potensialului colectorului acestuia cât si reducerii impedansei de emitor a tranzistorului Q₂ care duce la cresterea amplificãrii sale. Tranzistoarele Q₂, Q₃ si Q₄ conduc în regiunea activã normalã, ceea ce duce la închiderea unei bucle de reacsie pozitivã (colectorul lui Q₂-baza lui Q₃-dioda D₃-colectorul lui Q₄ si emitorul lui Q₂) si dacã frontul impulsurilor aplicate pe intrarea porsii este mare (>100ns), la iesire apar oscilasii de înaltã frecvensã. Pe de altã parte, pe aceastã 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 înlãturarea cãrora se monteazã capacitãsi de decuplare. Pentru tensiuni de intrare mai mari de 2V, prin blocarea lui Q₃ si saturarea lui Q₄ tensiunea de iesire rãmâne practic constantã si egalã cu V_CEsat a tranzistorului Q₄.

Caracteristicile dinamice ale circuitelor TTL se pot determina cu ajutorul circuitului din figura 2.8, care simuleazã încãrcarea unei porsi cu 10 sarcini TTL. Timpii de crestere t_r si de cãdere 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 reprezintã intervalul de timp între aplicarea semnalului de intrare si obsinerea rãspunsului la iesirea circuitului logic. Timpul de propagare pentru tranzisiile din starea 0 logic (nivel L) în starea 1 logic (nivel H), t_pLH, diferã 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 calculeazã cu formula:

Acesti timpi sunt influensasi de numãrul de sarcini, de temperaturã si de tensiunea de alimentare.

3. MERSUL LUCRÃRII

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

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

Se traseazã 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 urmãreste 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 dinamicã a circuitelor puse la dispozisie. Pentru o eventualã evidensiere mai semnificativã a timpilor de propagare se pot conecta în cascadã un numãr mai mare de porsi. Semnalul de la iesirea generatorului va avea o frecvensã peste 1MHz.

4. CONsINUTUL REFERATULUI

- Prezentarea sumarã a caracteristicilor circuitelor TTL.

- Configurasia terminalelor pentru circuitele utilizate în lucrare.

- Schemele circuitelor de mãsurã, tabele cu mãsurãtori si grafice reprezentând caracteristicile ridicate.

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