Электрификации Кафедра «Электроника и Защита Информации» Московский Государственный Университет Путей Сообщения Институт Систем Управления Телекоммуникаций и Электрификации Кафедра «Электроника и Защита Информации» по дисциплине: «Интегральная Схемотехника» на тему: «Преобразователь уровней интегральных схем» Вариант № 21 Выполнил: ст. гр. АУИ-312 Сафронов А.И. Принял: ст. преп. Савина С.Н. г. Москва 2006 Содержание: 1. Цель работы……………………………………………………………………………………………………………………………………………3 2. Исходные данные……………………………………………………………………………………………………………………………….3 3. Выбор конкретных микросхем…………………………………………………………………………………………………3 3.1. Логический элемент КМДП серии К176………………………………………………………………..3 3.2. Логический элемент ТТЛ серии К155………………………………………………………………………4 4. Теоретические сведения……………………………………………………………………………………………………………….5 5. Выбор схемы преобразователя уровней и её описание………………………………………5 6. Выбор типа биполярного транзистора………………………………………………………………………………8 6.1. Электрические параметры транзистора КТ503А……………………………………………..8 6.2. Предельные параметры транзистора КТ503А………………………………………………….8 7. Расчёт схемы преобразователя уровней в заданном температурном диапазоне и выбор номиналов резисторов………………………………………………………………….9 7.1. Выбор номинала резистора Rк…………………………………………………………………………………………9 7.2. Выбор номинала резистора Rб……………………………………………………………………………………..10 8. Расчёт мощности, потребляемой преобразователем уровней от источника питания……………………………………………………………………………………………………………………………..11 9. Расчёт передаточной характеристики преобразователя уровней для номинальных параметров и …………………………………………………….12 9.1. Построение передаточной функции…………………………………………………………………………………..13 9.2. Определение помехоустойчивости для уровней логического нуля и логической единицы по входу…………………………………………………………………………………………………………14 10. Расчёты на ЭВМ в пакете MathCAD……………………………………………………………………………………15 Список использованной литературы………………………………………………………………………………………….16 1. Цель работы Целью данной курсовой работы является изучение проектирования схем, используемых для согласования цифровых интегральных схем, относящихся к различной элементной базе, а именно КМДП (ключевая схема на комплементарных металл-диэлектрик-полупроводник транзисторах) и ТТЛ (схема транзисторно-транзисторной логики). 2. Исходные данные Исходные данные для проектируемого преобразователя уровней выписываем из методических указаний [1] для соответствующего варианта (21): Монтажная ёмкость: Входная ёмкость элементов: Нагрузочная способность ПУ: Частота переключения: Температурный диапазон: 3. Выбор конкретных микросхем Исходные данные по согласуемым схемам выписываем из справочника «Интегральные Микросхемы» [2]: 3.1. Логический элемент КМДП серии К176 Тип логики: дополняющие МОП-структуры Состав серии: К176ЛЕ5 – четыре элемента 2ИЛИ-НЕ Напряжение питания: Входной ток уровня логического нуля: Входной ток уровня логической единицы: Выходной ток уровня логического нуля: Выходной ток уровня логической единицы: Выходное напряжение логического нуля: Выходное напряжение логической единицы: Время задержки переключения с нуля на единицу: Время задержки переключения с единицы на ноль: Коэффициент разветвления по выходу: Температурный диапазон: Базовый элемент серии K176 K176ЛЕ5 3.2. Логический элемент ТТЛ серии К155 Тип логики: ТТЛ Состав серии: К155ЛА1 – два элемента 4И-НЕ Напряжение питания: Входной ток уровня логического нуля: Входной ток уровня логической единицы: Выходной ток уровня логического нуля: Выходной ток уровня логической единицы: Выходное напряжение логического нуля: Выходное напряжение логической единицы: Время задержки переключения с нуля на единицу: Время задержки переключения с единицы на ноль: Коэффициент разветвления по выходу: Температурный диапазон: Базовый элемент серии К155 К155ЛА1 4. Теоретические сведения Преобразователь уровней – специальная схема, преобразующая выходные сигналы цифровой интегральной схемы одного типа во входные сигналы цифровой интегральной схемы другого типа. Иногда преобразователи уровней называют трансляторами уровней. Преобразователь уровней должен обеспечить преобразование выходного логического уровня одного элемента ЛЭ1 во входной логический уровень другого элемента ЛЭ2 с заданным коэффициентом разветвления n. При проектировании микроэлектронной аппаратуры на цифровых интегральных микросхемах на практике возникает необходимость в совместном использовании цифровых интегральных микросхем различных серий. Эти интегральные микросхемы могут различаться как конструктивно-технологическими, схемотехническими решениями, так и электрическими параметрами, вследствие чего они не могут сопрягаться непосредственно. Использование преобразователя уровней позволяет обеспечить управление интегрального логического элемента одной серии интегральным логическим элементом другой серии, то есть добиться электрического и временного сопряжения этих двух элементов. Каждый логический элемент характеризуется набором входных и выходных статических и динамических параметров. К статическим относятся: входные и выходные напряжения; уровни логической единицы и логического нуля; входные и выходные токи логического элемента в состояниях логического нуля и логической единицы по входу и по выходу; ток нагрузки; допустимая положительная статическая помеха при уровне логического нуля на выходе (помехозащищённость снизу) и допустимая статическая помеха при уровне логической единицы на выходе (помехозащищённость сверху). Кроме обеспечения совместимости уровней сигналов преобразователь уровней должен удовлетворять специальным требованиям, например, таким как: - сохранение преобразователем порогового уровня управляющего элемента и уровней токов обоих элементов; - обеспечение преобразования уровней с логической инверсией или без инверсии; - обеспечение заданных требований по нагрузочной способности и параметрам быстродействия. Обеспечение заданных требований по параметрам быстродействия обычно сводится к тому, что преобразователь уровней не должен ухудшать быстродействие цифрового устройства, в котором он используется, то есть, задержка переключения на преобразователя уровней должна быть не больше задержки более медленного из элементов. 5. Выбор схемы преобразователя уровней и её описание По заданию варианта 21 необходимо спроектировать и рассчитать преобразователь уровней КМДП - ТТЛ. При непосредственно сопряжении ЛЭ КМДП-типа с ЛЭ ТТЛ-типа выходные токи КМДП элементов и могут быть недостаточными для управления входами ТТЛ-элементов. Для усиления этих токов и согласования уровней используется преобразователь уровней, простейшая схема которого аналогична схеме преобразователя уровней ТТЛ - КМДП. Принципиальная схема преобразователя уровней КМДП - ТТЛ Схема преобразователя уровней КМДП - ТТЛ с конкретными ЛЭ Если , то транзистор VT находится в режиме отсечки. - напряжение на p-n переходе База-Эмиттер насыщенного транзистора (для кремниевых ) Поскольку к выходу ПУ подключены n ТТЛ-элементов, то через резистор протекает не только обратный ток коллекторного перехода транзистора VT, но и n токов . Напряжение на коллекторе транзистора VT, равное напряжению на выходе преобразователя уровней должно быть больше уровня логической «1» ТТЛ-элементов. Если , то транзистор VT должен находиться в режиме насыщения, т.е. Обычно стараются создать степень насыщения транзистора , при больших s существенно снижается быстродействие преобразователя уровней. Из принципиальной схемы видно, что ток при условии, что , равен В коллектор насыщенного транзистора VT втекает ток Ток , найденный по вышеупомянутой формуле должен быть меньше максимально допустимого тока , выбранного транзистора VT, т.е. На передаточной характеристике рассматриваемой схемы можно выделить три участка. 1. Если , то VT находится в режиме отсечки и определяется по формуле 2. Если , то VT открыт и ток определяется по формуле Пока , VT работает в активном режиме и 3. Если , то VT находится в насыщении и Расчёт преобразователя уровней КМДП - ТТЛ проводится аналогично с использованием выражений: а) Зависимость обратного тока от температуры окружающей среды: , где T – температура, при которой определяют ток ; - значение тока , при некоторой исходной температуре , которое приводится в справочнике; - температура удвоения, при которой ток удваивается (для кремния ); б) Первое ограничение сверху, накладываемое на : ; в) Второе ограничение сверху, накладываемое на : , если задана частота, то: . Если же частота не задана, то , где ; г) Ограничение, накладываемое на максимальным током коллектора используемого биполярного транзистора: . 6. Выбор типа биполярного транзистора Для реализации преобразователя уровней выберем транзистор КТ503А, который является кремниевым , эпитаксиально-планарным n-p-n универсальным низкочастотным маломощным. Транзистор предназначен для работы в усилителях низких частот (НЧ), операционных и дифференциальных усилителях, импульсных схемах. Данный транзистор выбран в соответствии с заданными для преобразователя уровней условиями для варианта №21. Ниже указаны электрические параметры выбранного транзистора, выписанные из справочника «Полупроводниковые приборы: транзисторы» [3]: 6.1. Электрические параметры транзистора КТ503А Ток коллектора: Ток базы: Напряжение насыщения База-Эмиттер (типовое значение): Напряжение насыщения Коллектор-Эмиттер (тип. знач.): Статический коэффициент передачи тока: Граничная частота коэффициента передачи тока: Обратный ток коллектора: 6.2. Предельные параметры транзистора КТ503А при Постоянное напряжение коллектор-база: Постоянный ток базы: Постоянный ток коллектора: Постоянная рассеиваемая мощность коллектора: 7. Расчёт схемы преобразователя уровней в заданном температурном диапазоне и выбор номиналов резисторов 7.1. Выбор номинала резистора Напряжение питания преобразователя уровней выбрано равным напряжению питания логического элемента К155ЛА1 (ТТЛ): , – минимальное напряжение при допуске 5 %. – максимальное напряжение при допуске 5 %. Если , то VT находится в отсечке, т.к. . На выходе преобразователя уровней должен быть сформирован уровень логической единицы элемента К155ЛА1 . 1. Находим первое ограничение сверху, накладываемое на (см. п.5.б)): ; ,где и – максимальные значения входного тока ТТЛ и обратного тока коллектора при максимальной температуре . Рассчитаем максимальные значения токов при максимальной температуре, при этом воспользуемся формулой, устанавливающей зависимость тока от окружающей среды (см. п.5.а)): Вычислим первое ограничение сверху, подставив полученные значения в неравенство: 2. Второе ограничение, накладываемое на , определяется в зависимости от заданной частоты. Так как она для варианта №21 не задана, то нужно спроектировать преобразователь уровней так, чтобы он не ухудшал быстродействия, а именно, необходимо обеспечить выполнение условия: , где Емкость нагрузки , поэтому из формулы второго ограничения (см. п.5.в)) находим, что: 3. Ток, протекающий через коллектор насыщенного транзистора VT, должен быть меньше предельного. Используя формулу ограничения, накладываемого на максимальным током коллектора используемого биполярного транзистора (см. п.5.г)), получаем: Получаем ограничения, накладываемые на : С точки зрения уменьшения мощности, потребляемой ПУ, необходимо выбрать величину RК наибольшей, удовлетворяющей двусторонним ограничениям. В соответствии со стандартным рядом номиналов резисторов (справочник «Резисторы» [4]) выбираем: Выбрав такой номинал , далее при расчётах примем: – минимальное сопротивление при допуске 10 %. – максимальное сопротивление при допуске 10 %, тогда поэтому выбираем , рассчитанный на максимальную мощность . 7.2. Выбор номинала резистора 1. Если , то биполярный транзистор VT должен войти в режим насыщения, в этом случае, ток базы рассчитывается по формуле: , при условии, что , получаем первое ограничение, накладываемое на : , следовательно: 2. Из условия ограничения предельного базового тока получим второе ограничение на величину : 3. Для определения ограничения сверху на величину потребуем, чтобы при минимальном значении статического коэффициента передачи тока обеспечивалась степень насыщения , тогда: , следовательно: Получаем ограничения, накладываемые на : В соответствии со стандартным рядом номиналов резисторов выбираем: 8. Расчёт мощности, потребляемой преобразователем уровней от источника питания Если , то транзистор VT находится в режиме отсечки, на входе преобразователя уровней формируется . Через резистор протекает ток , который будет максимальным при наибольшей заданной температуре , поэтому мощность, потребляемая преобразователем уровней от источника питания в состоянии логической единицы равна: Если , то транзистор VT находится в режиме насыщения. На входе преобразователя уровней установится уровень логического нуля . 9. Расчёт передаточной характеристики преобразователя уровней для номинальных параметров и На характеристике преобразователя уровней можно выделить 3 участка (см. п.5). Таким образом, используя расчётные данные, вычислим необходимые для построения характеристики величины: 1. Если , то: 2. Если , то: 3. Если , то: 9.1. Построение передаточной функции 9.2. Определение помехоустойчивости для уровней логического нуля и логической единицы по входу. По передаточной характеристике преобразователя уровней можно практически найти статическую помехоустойчивость преобразователя уровней, которая характеризуется параметрами и . Для этого на графике параллельно оси абсцисс поводим уровни логической единицы ( ) и логического нуля ( ) на выходе элемента K155ЛА1 (ТТЛ). Абсциссы точек пересечения харак­теристики соответствуют пороговым значениям и . Отложим по оси абсцисс уровни ло­гической единицы ( ) и логического нуля ( ) на выходе элемента K176ЛЕ5 (КМДП). По передаточной характеристике определяем, что , а Напряжение характеризует помехоустойчивость схемы преобразователя уровней к помехам положительной полярности уровня логического нуля на его входе. Напряжение характеризует помехоустойчивость схемы ПУ к отрица­тельным изменениям уровня логической "1" 10. Расчёт ы на ЭВМ в пакете MathCAD Список использованной литературы: [1]. «Преобразователи уровней интегральных схем», пособие по курсовому проектированию, В.А. Шилин, А.Н. Караулов, Г.Ф. Нефёдкина. М.: МИИТ, 1991. [2]. «Интегральные микросхемы», справочник под ред. В.В. Тарабрина. М.: Радио и связь, 1984. [3]. «Полупроводниковые приборы: транзисторы». Справочник под ред. Н.Н. Горюнова. – М.; Энергоиздат, 1987.