Обоснование схемы электрической принципиальной

Обоснование схемы электрической принципиальной. Выбор элементной базы. Выбор элементной базы производится исходя из задания на разработку, то есть исходя из основного назначения и критериям на проектирование. Для конкретного выбора элементной базы необходимо рассмотреть несколько различных серий. Наиболее широкое распространение в современной аппаратуре получили серии микросхем ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и схемы на КМОП – структурах.

Опят показал, что эти цифровые микросхемы отличаются лучшими электрическими параметрами, удобны в применении, имеют более высокий уровень интеграции и обладают большим функциональным разнообразием. На основании вышесказанного составим сравнительную таблицу 2 некоторых электрических параметров этих серий. Таблица 2 Сравнительная характеристика электрических параметров Наименование параметра ТТЛ ТТЛШ ЭСЛ КМОП Потребляемая мощность, мВт 5-40 1-19 25-70 0,0025 на 1 МГц Задержка распространения сигнала при включении, нс 9-70 5-20 1,3-2,9 3,5-45 Задержка распространения сигнала при выключении, нс 9-70 4,5-20 1,3-2,9 3,5-45 Диапазон рабочих температур, ºС -60…+125 -60…+125 -10…+75 -40…+125 Напряжение питания, В. 5±10% 5±10% -5,2±5% 10±10% Выходное напряжение низкого уровня, В 0,4 0,4-0,5 -0,81…-1,02 0,3-2,9 Выходное напряжение высокого уровня 2,4 2,5 -1,62…-1,85 7,2-8,2 Нагрузочная способность 10 10-30 10 50 Частота переключения триггеров, МГц До 35 До 130 До 300 До 125 Помехоустойчивость, В 0,4 0,3-0,4 0,12-0,15 1,5 Работа переключения (Р*t),nДж 30-10 4-57 30-50 0,008-0,1 Входной ток низкого уровня, мА 0,1…-2 -0,1…-2 0,25-3 -5* Входной ток высокого уровня, мА. 0,02-0,04 0,20-0,05 0,5 мкА 0,05мкА Цифровые микросхемы развивались в следующей последовательности: резистивно-транзисторная логика (РТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки (ТТЛШ). В этих определениях слово «логика» подразумевает понятие «электронных ключ». Все перечисленные выше микросхемы выполнены на базе биполярных транзисторов.

Наряду с ними широкое распространение получили микросхемы на МОП - структурах (на транзисторах р- и п-типов с обогащённым каналом, КМОП – схемы на дополняющих транзистора). Серии РТЛ, РЕТЛ промышленностью в настоящее время не выпускаются, но ещё используются только для комплектации в серийной РЭА. Наиболее широкое распространение в современной аппаратуре получили серии микросхем ТТЛШ, ЭСЛ и схемы на КМОП-структурах, так как ни отличаются более высоким уровнем интеграции и обладают большим функциональным разнообразием.

Параметры микросхем конкретной серии в основном определяются параметрами базовых элементов логики.

К основным параметра относятся: 1) Быстродействие.

Быстродействие определяется динамическими параметрами цифровых микросхем, к которым относятся: t1,0 – время переходя сигнала на выходе микросхемы из состояния логической «1» в состояние логического «0»; t0,1 – время перехода из состояния низкого уровня в состояние высокого; t1,0зд – время задержки включения; t0,1зд - время задержки выключения; t1,0здр – время задержки распространия при включении; t0.1здр – время задержки распространия при выключении; tздрср – среднее время задержки распространения сигнала является усреднённым параметром быстродействия микросхемы, используемым при расчёте временных характеристик последовательно включённых цифровых микросхем.

Среднее время задержки определяется по формуле 1. tздрср = 0.5*( t1,0здр + t0.1здр ) (1) fp – рабочая частота. 2) Потребляемая мощность.

В зависимости от технологии микросхем, мощности, потребляемые при состоянии логического «0» и «1» могут отличаться. Поэтому мощность, потребляемая логическими элементами в динамическом режиме, определяется по формуле 2. Рпотср = 0,5(Р0пот + Р1пот) (2) где Р0пот – мощность потребляемая микросхемой при состоянии выхода «0»; Р1пот – мощность при выходном состоянии «1». Некоторые логические элементы кроме статической средней мощности характеризуются мощностью, потребляемой на максимальной частоте переключения, когда токи в цепях питания возрастают во много раз к таким схемам относятся микросхемы КМОП технологии, которые потребляют микроамперы, если нет переключающих сигналов. Допустимы уровень напряжения помехи логического элемента определяется уровнем входного напряжения, при котором ещё не происходит ложное срабатывание микросхемы. 3) Помехоустойчивость.

В статическом режиме помехоустойчивость определяется по низкому U0пом и высокому U1пом уровням.

Значения U0пом и U1пом определяют с помощью передаточных характеристик. Помехоустойчивость в динамическом режиме зависит от длительности, амплитуды и формы импульса помех, а так же от запаса статистической помехоустойчивости и скорости переключения логического элемента. 4) Коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) Краз. Определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без нарушения его работоспособности.

С увеличением нагрузочной способности разширяются возможности применения цифровых микросхем и уменьшается число корпусов в разрабатываемом устройстве. Но при этом ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие микросхемы и возрастает потребляемая мощность. 5) Коэффициент объединения по входу Коб. Определяет максимальное число входов цифровых микросхем.

Рассмотрим недостатки и преимущества ТТЛ, КМОП и ЭСЛ логики: 1) Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и транзисторно-транзисторная логика с диодом Шоттки (ТТЛШ). Достоинства: - Высокое быстродействие; - Обширная номенклатура; - Хорошая помехоустойчивость. Недостаток: Микросхемы обладают большой потребляемой мощностью. Поэтому на смену микросхемам серии 155 и т.д. выпускают микросхемы К555, принципиальное отличие которых – использование транзисторов с коллекторными переходами зашунтированными диодами Шоттки.

В результате транзисторы микросхем серии К555 не входят в насыщение, что существенно уменьшает задержку выключения транзисторов. К тому же они значительно меньше размеров, что уменьшает ёмкости их р-n-переходов. В результате при незначительном увеличении быстродействия микросхем серии К555 на уровне серии К155 удалось уменьшить её потребляемую мощность примерно в 4…5 раз. 2) МОП транзисторная логика (МОПТЛ), МОП (МДТ) – металл-окисел (диэлектрик) – полупроводник. Достоинства: - Большая помехоустойчивость; - Высокая нагрузочная способность; - Высокая степень интеграции.

Недостаток: Низкое быстродействие. 3)МОП транзисторная логика на комплиментарных ключах (КМОПТЛ). Достоинства: - Выше быстродействие, по сравнению с МОПТЛ; - Меньше напряжение питания (Uпит); - Большая степень интеграции. Недостаток: Быстродействие меньше, чем у ЭСЛ, но по мере развития технологий этот недостаток устраняется. 4) Эмитторно-связная логика (ЭСЛ). Достоинства: - Высокое быстродействие (малое время задержки распространения сигнала); - Применение на выходах эмиттерных повторителей обеспечивает ускорение процесса перезарядки ёмкостей, подключённым к выходам; -Улучшение частоты характеристики транзисторов; - Высокая нагрузочная способность; - Широкие логически возможности, т.к. схема имеет два выхода.

Недостатки: - Большая потребляемая мощность, т.к. в схеме переключаются большие токи; - Сравнительно низкая помехоустойчивость элемента, т.к. выбран малый перепад логических уровней U1 – U0 = 0,8. Проанализировав информацию и сопоставить данные с заданием, можно сказать, что для дипломного проекта отдадим предпочтение более быстродействующим сериям ТТЛШ и КМОП. Отметим также, цифровые микросхемы ТТЛШ остаются основой построения вычислительных устройств, а также эта серия отличается наибольшим диапазоном выбора микросхем.

Широкое применение получили микросхемы, в которых используются диоды и транзисторы с эффектом Шотки. Использование диодов Шотки позволило уменьшить потребляемую мощность и время задержек.

К достоинствам КМОП микросхем можно отнести высокое быстродействие, меньшее напряжение питания (Uпит), большая степень интеграции. Также микросхем ТТЛШ и КМОП серий отличает широкий функциональный набор элементов. 3.1.1 Микросхемы. 1) Микросхема К555АП5 (DD19) представляет собой два четырёхканальных формирователя с тремя состояниями на выходе.

Содержит 232 интегральных элемента. Корпус типа 201.16-8, масса не более 3,6 г. Условно графическое обозначение микросхемы представлено на рисунке 1.