Расчет элемента Шеффера в ДТЛ по заданным параметрам

Лабораторная работа №1

Цель: Ознакомится с логикой работы, изучить принцип действия и исследовать влияние величин компонентов, а также освоить методику определения основных характеристик, статических и динамических параметров элемента.

Задача: По заданным значениям параметров рассчитать элементы данной схемы и теоретически построить статические характеристики. Снять реальные статические и динамическую характеристики, проанализировать полученные результаты.

Дано:

Используемые элементы: транзистор КТ 815А, диоды КД 503А, резисторы.

Расчет элементов схемы

Рассчитаем количество диодов смещения, исходя из того, что прямое падение напряжение на данных диодов примерно составляет 0,65 В

.

Рассчитаем сопротивление R1. По ВАХ диода определяем падение напряжения на диоде при протекании через него входного тока.

Получаем, что падение напряжения на диоде составит , тогда, считая, что в данном состоянии ток не ответвляется в цепь базы, падение напряжения на R1 должно составлять , а сопротивление составит

 

Рассчитаем значения резисторов R2.  Примем напряжение устойчивого запирания транзистора VT1 равное . Потенциал в точке В относительно нуля будет равен . Считая зависимость от  линейной и зная значение  при , рассчитаем значение , при . Ток ответвляющийся в цепь базы при , определяем по ВАХ транзистора. Он составляет . Ток подтекающий через диоды VD2-VD4 определим по его ВАХ зная потенциалы точек А и В схемы. Потенциал точки А равен падению напряжения на диоде VD1 при протекании через него тока  - . Напряжение падающее на диодах равно . Падение напряжения на одном диоде Таким образом . Теперь рассчитаем ток который должен протекать через R2:

, тогда R2 определится так: .

ВАХ Диода КД 503А

        

ВАХ Транзистора КТ 815А

Рассчитаем нагрузочные резисторы и резистор R3, предварительно задавшись напряжениями и . Составим систему уравнений:

 

Решив её получим значения сопротивлений:  .

Расчет и построение основных статических характеристик

Примем значение  и, задаваясь током коллектор-эмиттер транзистора VT1, рассчитаем токи и напряжения в различных точках схемы.

Ток базы определится как  , тогда ток коллектора . Напряжение U_бэ()=. Ток, протекающий через резистор R₂ равен . Ток протекающий через диоды , тогда . Через резистор R₁ течет ток . Ток входа , Падение напряжения на диодt VD1 зависит от тока входа, тогда напряжение на входе равно . Осталось определить выходное напряжение, но зная оба коллекторных тока  и . Составим систему уравнений по законам Кирхгофа:

Из этой системы определяем ток , тогда напряжение выхода .

Построим передаточную характеристику, сопоставляя дискретные значения входного и выходного напряжения.

Передаточная характеристика

Как видно из теоретической передаточной характеристики пороговое значение напряжения значительно ниже требуемого, чтобы повысить его до нужного значения применим еще один диод смещения. Схема элемента примет вид:

Все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Нет смысла пересчитывать элементы, так как введенный элемент повлияет на ток, подтекающий к базе VT1 при расчете R2. Но так как это влияние будет незначительным,  все расчеты остаются в силе. Добавление дополнительного диода скажется на расчете потенциала в точке А схемы .

Построим передаточную характеристику и сравним её с практически полученной.

Построим входную характеристику, которая представляет собою зависимость входного тока от входного напряжения.

Входная характеристика

График изменения потенциала в точке А получим сопоставляя значения входного напряжения и потенциала в точке А.

Потенциал в точке А

Потенциал в точке В

        Выходную характеристику по единице получим в виде прямой с координатами в точках () и (). Сравним полученную характеристику с практически снятой.

Входная характеристика при U_ВХ0

Для включенного элемента при малых напряжениях U_вых транзистор будет в режиме насыщения и зависимость представляет собой уравнение прямой  . При больших напряжениях U_вых  транзистор переходит в активных режим, что также соответствует уравнению прямой . Построим выходную характеристику по нулю и сравним её с практической.

Исследование динамических характеристик логического элемента

Характеристику будем снимат при частоте входного сигнала f=120кГц подаваемого в виде прямоугольных импульсов.

Уровень единицы на входе 5В. Ёмкость нагрузочного конденсатора 120 пФ.

Ёмкость шнура осциллографа 70 пФ.

Снятые параметры:

Выводы: В процессе выполнения лабораторной работы был рассчитан и собран по заданным параметрам элемент Шеффера в ДТЛ. Возникшие расхождения практических характеристик от теоретически рассчитанных можно объяснить не точностью математических моделей, принятыми допущениями, погрешностями при снятии реальных характеристик. По результатам исследования динамической характеристики можно сделать вывод, что чем больше емкостная нагрузка, тем больше время переключения логического элемента.