2 Методика снятия основной статистической характеристики

К основной статической характеристике относится передаточная характеристика элемента. На основе этой характеристики можно определить основные параметры базового элемента.

2.1 Передаточная характеристика элемента

Передаточная характеристика элемента представляет собой зависимость выходного напряжения от входного (рисунок 1.6). Она имеет три характерных участка: I – соответствует состоянию U_вых=U¹, ІІ – состоянию U_вых=U⁰ и ІІІ – промежуточному состоянию (активная зона). U_a– ширина активной зоны или зоны неопределенности. Для снятия передаточной характеристики на входы Х₁, Х₂ (рисунок 1.4) подаются напряжения , а на вход Х₃ – напряжение, плавно изменяющееся от 0 до . Напряжение U_вых снимается с выхода Y. Рассмотрим основные особенности передаточной характеристики, представленной на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Передаточная характеристика ТТЛ ЛЭ

При подаче на вход Х₃, (рисунок 1.4) напряжения U⁰ ≤ 0,3В на базе транзистора VТ2 – низкий потенциал, транзистор закрыт и потенциал на базе транзистора VТ4 равен 0, следовательно, VТ4 закрыт. На выходе логического элемента напряжение:

.

Потенциал коллектора транзистора VТ2 и базы транзистора VТ3 приблизительно равен U_ип. В результате открывается коллекторно-эмиттерный переход VТ3 и диод VD4. Возникает выходной ток J_вых.

При дальнейшем увеличении напряжения U_вх (точка 2) открывается VТ2, через него протекают токи J_К2 и J_э2 и так как J_К2¹0, то напряжение на выходе элемента падает на величину J_К2×+ J_Б3 R2, т.е.

, (6)

Транзистор VТ4 закрыт, его входное сопротивление велико. Транзистор VТ3 открыт и работает в режиме эмиттерного повторителя, его входное сопротивление также велико. Следует отметить, что транзистор VT3 не может перейти в состояние насыщения и поэтому минимальное напряжение коллектор-эмиттер для него не падает ниже 0.7-1В. При U_вх=1.4В транзистор VТ4 начинает открываться за счет увеличивающегося напряжения U_Б4=J_Э2×R2. Динамическое сопротивление базо-эмиттерного перехода VТ4 шунтирует резистор R2, и коэффициент усиления каскада на транзисторе VT2 резко возрастает, напряжение на коллекторе VT2 резко уменьшается. Поскольку VT3 еще не закрыт, а VT4 уже открыт, возникает скачок тока от источника питания через резистор R4 (ток короткого замыкания J_к), который ограничивается сопротивлением резистора R4:

, (7)

При дальнейшем увеличении U_вх VТ2 и VТ4 переходят в режим насыщения, а VТ3 и VD4 закрываются, на выходе устанавливается напряжение логического нуля U⁰ = 0.3В. Базо-эмиттерный переход VТ4 ограничивает дальнейшее нарастание напряжения на эмиттере VТ2 уровнем U_{БЭ нас}= 0,7 В. На коллекторе VТ2 устанавливается напряжение U_K2=U_БЭнас+U_КЭнас=1.0В, а на коллекторе VТ1 – U_K1=2U_БЭнас=1.4В.

По передаточной характеристике (рисунок 1.6) можно определить некоторые основные параметры базового элемента ТТЛ. Точка 1 на передаточной характеристике соответствует уровню логической единицы U¹, а точка 4 – логическому нулю U⁰. Соединив эти точки, получим прямую с крутизной К= -1. Найдем на передаточной характеристике точки с единичным коэффициентом передачи, для чего проведем касательные к изгибам передаточной характеристики, параллельные прямой 1-4. Точки касания a¢, а" и будут точками с К= -1, в окрестности которых DU_вх= -DU_вых. Входные напряжения, соответствующие этим точкам, назовем порогами переключения: - порог переключения из "1" в "0", - порог переключения из "0" в "1". Если U_вх> , то происходит переключение элемента в нуль (включение), т.е. изменение U_вых на , если U_вх< - переключение из "0" в "1", т.е. выключение элемента. Амплитуда помехи на входе элемента не должна превышать значения, при котором дифференциальный коэффициент передачи элемента К= DU_вых/DU_вх. становится по модулю больше 1, в противном случае помеха будет вызывать ложное срабатывание элемента (сбой).

Из вышеизложенного следует, что максимально допустимое статическое изменение входного напряжения, которое воздействует на вход элемента в течение времени, превышающего задержку сигнала t_зд.ср, не вызывая переключения элемента, характеризует статическую помехоустойчивость U_п , которая определяется выражениями (рисунок 1.6):

- статическая помехоустойчивость выключенного элемента по отношению к включающей помехе;

- статическая помехоустойчивость включенного элемента по отношению к выключающей помехе. Обычно . Помехоустойчивость элемента оценивается меньшим из этих двух значений.

Как следует из рисунка 1.6,

где: - логический перепад; U_a - ширина зоны неопределенности.

Следовательно, для повышения помехоустойчивости следует повышать логический перепад и уменьшать ширину зоны неопределенности. В логическом элементе обеспечивают выполнение условия U_a<<U_л, т.е. приближенно можно считать, что _. Так как логический перепад напряжения U_л не превосходит значения напряжения источника питания U_ип, то , т.е. сумма статических помехоустойчивостей не может превысить величины напряжения источника питания (существуют элементы, для которых это утверждение не справедливо – это элементы с гистерезисом). Наличие наклонного участка на передаточной характеристике (рисунок 1.6) является существенным недостатком логического элемента, так как снижает помехоустойчивость выключенного элемента по отношению к включающей помехе . Этот недостаток частично устраняется введением вместо резистора R3 источника тока на элементах VТ5, R3, R4 (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 -Схема базового элемента ТТЛ

В этом случае, при 0.7В<U_вх<1.4В, токи J_к2 и J_э2 отсутствуют, поскольку закрыт VТ5. В выражении (6) J_к2×R₂=0, что обусловливает спрямление передаточной характеристики, как показано пунктиром на участке 2-3 (рисунок 1.6). Только при U_вх³1.4В открывается транзистор VТ5, затем открывается транзистор VТ4 и на выходе элемента устанавливается U_вых=U⁰.

Статическая помехоустойчивость выключенного элемента с корректирующей цепью (рисунок 1.7) по отношению к включающей помехе будет определяться выражением: