При проектировании логических схем ЭВМ и ЦИП важно обеспечить минимальный разброс амплитудных передаточных характеристик ЛЭ при изменении окружающей температуры и напряжений питания, чтобы избежать появления вне сигналов нестандартной формы и сбоев. Разброс амплитудных передаточных характеристик ЛЭ однозначно определяет зоны отображения уровней сигналов»0» и «1» и допустимой уровень помех в логических цепях.
Работоспособность в широкой области допусков на параметры.
Требование работоспособности ЛЭ в широкой области допусков на параметры определяется прежде всего требованиями высокой надежности и взаимозаменяемости однотипных логических элементов в ЭВМ. Большое число одновременно работающих в ЭВМ ЛЭ (до 1000 ч и более) при колебаниях окружающей температуры и напряжения питания, а также при наличии разброса параметров и строения элементов- все это требует достаточно большой области допустимых отклонений параметров ЛЭ, т.е. большой области их работоспособности.
Условия работоспособности ЛЭ определяются обычно уравнениями вида:
Уi=fi(x1,x2,x3...xn)>< Yi
где х1, х2,х3...хn- параметры компонента, источников питания и нагрузки ЛЭ;
уi- параметры логического элемента;
Уi нормы, определяющие допустимую границу изменения параметров ЛЭ.
Совокупность этих условий описывает n- мерную область допустимых отклонений параметров. Любая точка области соответствует работоспособному состоянию ЛЭ, любая точка вне этой области соответствует неработоспособному состоянию ЛЭ.
Область работоспособности рассчитывается вероятностному методами по параметрам распределения допусков, либо методом наихудших сочетаний параметров и проверяется обычно экспериментально. Количественное исследование этой области и оценка степени влияния на ее размеры различных параметров ЛЭ, окружающей температуры и напряжения питания являются одним из наиболее важных этапов проектирования ЛЭ и ЭВМ в целом.
Применительно к интегральным схемам задача проектирования ЛЭ сводится
по существу к отысканию оптимальных значений параметров их компонентов,
обеспечивающих получение наилучших выходных параметров и характеристик ЛЭ
(быстродействие, нагрузочная способность, энергия переключения и.т.п) при
заданных допусках на параметры компонентов ИС отклонениях температуры
окружающей среды и напряжений питания. Это обусловлено тем что, параметры
распределения допусков на компоненты ИС определяется технологией и
технологическим оборудованием и нельзя проводить отбор отдельных
компонентов ИС по допуска, как это имело место в схемах дискретных
электорадиоэлементах в ЭВМ третьего поколения.
Разработка генератора на цифровых микросхемах.
Для проверки и настройки цифровых интегральных микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) требуются генераторы прямоугольных импульсов. Ниже описывается генератор импульсов, выполненный всего на десяти микросхемах широко распространенной серии 155 и обладающий большими функциональными возможностями. Изготовление и наладка его доступны специалистам средней квалификации.
Принципиальная схема генератора приведена на рис 1.а структурная на
рис.2. Генератор имеет два отдельных канала, формирования импульсов с
общим задающим генератором. Импульсы, у которых параметры (длительность,
полярность, сдвиг относительно задающей частоты) регулируются отдельно по
каждому каналу, снимаются с разных выходов:»Выход канала 1»-гнездо Х4
«Выход канала 2»-гнездо Х5. Кроме того, имеется «общий выход-гнездо Х6, на
который могут подаваться с помощью коммутатора импульсы с любого канала
порознь или вместе. В последнем случае происходит сложение импульсов обеих
каналов и имеется возможность получать парные (сдвоенные) импульсы желаемой
конфигурации. Частота генерируемых импульсов лежит в диапазоне от 20 Гц до
150 кГц, а их длительность -от 1 до 100 мкс. Сдвиг выходных импульсов
осуществляется в пределах 95% длительности периода задающей частоты, не
более 1 мс.
Амплитуда выходных импульсов постоянна и соответствует уровням ТТЛ- логики.
В генераторе предусмотрены возможности внешнего допуска и синхронизация генератора разовых импульсов внешними сигналами. Имеется гнездо Х2 выхода задающих импульсов (Выход синхронизации). Сопротивление нагрузки должно быть не менее 200 Ом. Мощность потребляемая устройством от сети напряжением 220 В, не превышает 15 Вт.
На рис. 3 приведены эпюры напряжений для установившегося режима работы генератора.
Рассмотрим работы генератора. Импульсы прямоугольной формы поступают с задающего генератора 1(рис.2) на вход первого формирователя 2, а с него вход второго формирователя 3. Длительность выходных импульсов формирователей 2 и3 постоянна и не зависит от длительности входных импульсов. Эти одновибратор вырабатывают отрицательные импульсы длительностью 0,5 мкс на каждый положительный период напряжения на их входах. Такие импульсы в точке Д необходимы для обеспечения устойчивой работы одновибраторов 4 и 8, входные импульсы которых должны быть короче выходных.
Регулируемые одновибраторы 4 и 8 на каждый отрицательный переход
напряжения на входе генерирует выходной импульс той же полярности.
Импульсы, поступающие с формирователя 2, ограничивают длительность
выходных импульсов одновибраторов 4 и 8 до величины t=Т-0,5 мкс,, где Т-
период задающих импульсов с узла 1. Это необходимо, так как при
неправильной настройке в процессе эксплуатации (установке длительности
импульсов одновибраторов 4 и 8 больше длительности период Т) генератор
начинает работать неустойчиво.
Установленные далее формирователи 5 и 9, аналогичны формирователю 2, вырабатывают отрицательные импульсы фиксированной длительности на каждый положительный переход напряжения на их входах, т.е. по заднем фронтом импульсов одновибраторов 4 и 8 соответственно.
По каждому отрицательному переходу на своем входе регулируемые одновибраторы 6 и 10 генерируют отрицательные импульсы, длительность которых и определяется длительность выходных сигналов генератора. Таким образом, начало выходных импульсов с узлов 6 и 10 совпадает по времени с окончанием отрицательных импульсов с узлов 4 и 8 соответственно. Поэтому изменяя длительность последних, можно осуществлять сдвиг импульсов на выходах узлов 6 и 10, следовательно, на выходе генератора относительно импульсов с задающего генератора 1 (импульсов на выходе Х2).
Коммутатор 11 осуществляет пропускание (с инвертированием) на вход генератора одиночных импульсов 12 импульсов с узлов 6 и 10. Коммутатор может также осуществлять логическое суммирование этих сигналов.
Узел 12 пропускает либо все сигналы со своего входа на выход (с
инвертированием), либо только те, которые поступают на него между двумя
импульсами синхронизации после нажатия кнопки S 12 «Разовый импульс».
Синхронизация узла 12 может осуществляться как внутренними сигналами (с
выход узла 3), так и внешними (с гнезда Х3) «Внешняя синхронизация разовых
импульсов») при соответствующем положении переключателя S10.
На всех выходах генератора установлены мощные выходные каскады 7, 13-
15 (16-источник питания напряжением 5В),
Для устранения возможных помех и поводок на плате с микросхемами
между плюсом питания и «землей» необходимо установить развязывающие
конденсаторы- один емкостью 1.0 мкф у разъемов платы и два три
непосредственно у микросхем из расчета по 0,002 мкф на каждую микросхему
(С13-С15 на рис.5)
Рассмотрим работу отдельных узлов устройства.
Задающий генератор 1 собран на логических элементах Д1.1, Д1.2, Д1.3 и транзисторе 1. Задающий генератор может работать в режиме внешнего запуска с гнезда Х1. Но сигналы эти должны соответствовать входным логическим уровням ТТЛ- элементов. В режиме внешнего запуска Цепь обратной связи разрывается, а вместо нее вход элемента Д1.1 переключателем S2 подается потенциал логической единицы.
При работе устройство в режиме внутреннего запуска имеется возможность внешними сигналами срывать или разрешать (последнее -уровнем логической 1), генерацию импульсов, что иногда бывает необходимо при настройке логических устройств.
Формирователь 2 собран на логическом элементе Д1.4 (аналогичны
формирователи 5 и 9-на элементах Д1.4 и Д4.3 соответственно). При
потенциале логического 0 на выходе формирователя (точка а) на выходе
элемента Д1.4 имеется напряжение ниже порового, а на выходе его (точка в)
логическая 1 (рис.4). Когда же напряжение в точке а изменяется на
логическую 1, то этот неположительный переход напряжения проходит через
конденсатор С3 и на выходе элемента Д1.4 получается логический 0.
Конденсатор при этом начнет заряжаться в основном через выходное
сопротивление элемента Д1.3 и резистор R5, а напряжение в точке б будет
уменьшаться. Когда оно достигнет порога переключения Uп элементы Д1.4,
последний вернется в исходное состояние.
При изменении сигнала в точке а на логический 0 конденсатор С3
разряжается через выходное сопротивление элемента Д1.3 и диод V2,
включенный в прямом направлении. Этот диод служит для ускорения разряда
конденсатора С3 и для уменьшения отрицательных выбросов напряжения на входе
ЛЭ Д1.4 из за прохождения через конденсатор отрицательных перепадов
напряжения с выхода элемента Д1.3.
Длительность выходных импульсов формирователя примерно равна tС3 R5.
Формирователь 3 собран на элементах Д2.1 и Д2.2. Здесь длительность выходного импульса определяется временем разряда конденсатора С4. При входном сигнале, равном логическому 0 (точка в), конденсатор заряжается через выходное сопротивление элемента Д2.1 и резистор R6 (последний ограничивает ток заряда), и напряжение на входе элемента Д2.2 (точка 2), увеличивается (см. рис.6). Но так как на другом входе этого элемента имеется логический 0, то на выходе его- логическая 1. При изменении входного сигнала: на одном входе элемента Д2.2 логическая 1, а на другом напряжение уменьшается по мере разряда конденсатора С4 через выходное сопротивление элемента Д2.1 и резистор R6. Поэтому на выходе формирователя получается уровень логического 0, который вернется к логической 1, как только напряжение на конденсаторе (в точка г) уменьшается до порога переключения Uп логического элемента.
Длительность выходного импульса примерно равна t=С4 (R6+20), где 20
Ом- выходное сопротивление ТТЛ- элементы при логическом 0 на его выходе.
Одновибраторы с транзистором 4 и 8 (см. рис.2) собраны соответственно на элементах Д2.3, Д2.4 и Д4.1, Д4.2. Они должны формировать импульсы большой длительности (до 1мс). В них используются эмиттерные повторители на транзисторах КТ315А (V4 и V7).
Рассмотрим работу одновибратора 4. В начальный момент на его входе
(точка д) потенциал логической 1, конденсатор С5 разряжен. На выводе 13
элемента Д2.4 (точка ж)-логический 0 (напряжение на выводе12 элемента Д2.4
будем считать равным логической 1).
Когда в точке д установится потенциал логического 0, положительный
скачок напряжения с выхода элемента Д2.3 проходит через конденсатор С5 на
базу транзистора V4. На эмиттере транзистора напряжение тоже скачком
повышается и на выходе одновибратора получается потенциал логического 0,
который по цепи обратной связи поступает на вход элемента Д2.3 и
поддерживает его состояние с логической 1 на выходе и после окончания
входного сигнала (с элемента Д2.2). Конденсатор С5 при этом начинает
заряжаться основном через выходное сопротивление элемента Д2.3 и резисторы
R7, R8,R9. По мере его заряда напряжение на базе, и соответственно,
эмиттере транзистора уменьшается. Когда оно в точке ж достигнет порога
переключения элемента Д2.1, тот вернется в исходное состояние, а
конденсатор начнет разряжаться через выходное сопротивление элемента Д2.3 и
диод V3, включенный в прямом направлении. Этот диод служит для тех же
целей, что и диод V2.
При длительности выходного импульса одновибратора tіТ (гдеТ- период
задающих импульсов, например в точке д) генератор может работать
неустойчиво и его выходная частота будет меньше частоты задающего
генератора 1. Для устранения примерно за 0,5 мкс до поступления
отрицательного импульса на вход одновибратора на вывод 12 элемента Д2.4
подается отрицательный импульс с выхода элемента Д1.4 (выход формирователя
2). Если t 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 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.
