Логические элементы
Логический элемент (логический
вентиль) – это электронная схема,
выполняющая некоторую простейшую
логическую операцию. На рис. 14.8 приведены
примеры условных графических обозначений
некоторых логических элементов.
Рис. 14.8. Логические элементы
Логический элемент может быть
реализован в виде отдельной интегральной
схемы. Часто интегральная схема содержит
несколько логических элементов.
Логические элементы используются
в устройствах цифровой электроники
(логических устройствах) для выполнения
простого преобразования логических
сигналов.
Классификация логических
элементов.
Выделяются следующие
классы логических элементов (так
называемые логики):
резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);
диодно-транзисторная логика (ДТЛ);
транзисторно-транзисторная логика
(ТТЛ);
эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);
транзисторно-транзисторная логика с
диодами Шоттки (ТТЛШ);
р
(р
-МДП);
логика на основе МОП-транзисторов с
каналами типа n
(n
-МДП);
логика на основе комплементарных ключей
на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);
интегральная инжекционная логика И 2 Л;
логика на основе полупроводника из
арсенида галлия GaAs.
В настоящее время наиболее широко
используются следующие логики: ТТЛ,
ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и
другие цифровые электронные устройства
выпускаются в составе серий микросхем:
ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531,
КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ –
100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs– К6500.
Наиболее важные параметры логических
элементов:
Быстродействие характеризуется
временем задержки распространения
сигнала t
зр
и максимальной рабочей частотойF
макс
.
Время задержки принято определять по
перепадам уровней 0,5U
вх
и 0,5ΔU
вых
.
Максимальная рабочая частотаF
макс
– это частота, при которой сохраняется
работоспособность схемы.
Нагрузочная способность характеризуется
коэффициентом объединения по входу
К
об
(иногда используют термин
«коэффициент объединения по выходу»).
ВеличинаК
об
– это число логических входов,
величинаК
раз
– максимальное число однотипных
логических элементов, которые могут
быть подключены к выходу данного
логического элемента. Типичные значения
их таковы:К
об
=2…8,К
раз
=4…10.
Для элементов с повышенной нагрузочной
способностьюК
раз
=20…30.
Помехоустойчивость в статическом
режиме характеризуется напряжением
U
пст
,
которое называется статической
помехоустойчивостью. Это такое
максимально допустимое напряжение
статической помехи на входе, при котором
еще не происходит изменение выходных
уровней логического элемента.
Мощность, потребляемая микросхемой от
источника питания. Если эта мощность
различна для двух логических состояний,
то часто указывают среднюю потребляемую
мощность для этих состояний.
Напряжение питания.
Входные пороговые напряжения высокого
и низкого уровня U
вх.1порог
иU
вх.0порог
,
соответствующие изменению состояния
логического элемента.
Выходные напряжения высокого и низкого
уровней U
вых1
иU
вых0
.
Используются и другие параметры.
Особенности логических элементов
различных логик.
Для конкретной
серии микросхем характерно использование
типового электронного узла – базового
логического элемента. Этот элемент
является основой построения самых
разнообразных цифровых электронных
устройств.
Базовый элемент ТТЛ
содержит
многоэмиттерный транзистор, выполняющий
логическую операцию И, и сложный инвертор
(рис. 14.9).
Рис. 14.9. Базовый элемент ТТЛ
Если на один или оба входа одновременно
подан низкий уровень напряжения, то
многоэмитттерный транзистор находится
в состоянии насыщения и транзистор Т 2 закрыт, а следовательно, закрыт и
транзистор Т 4 , т. е. на выходе будет
высокий уровень напряжения.
Если на
обоих входах одновременно действует
высокий уровень напряжения, то транзистор
Т 2 открывается и входит в режим
насыщения, что приводит к открытию и
насыщению транзистора Т 4 и запиранию
транзистора Т 3 , т.е. реализуется
функция И-НЕ.
Базовый логический элемент ТТЛШ
(на примере серии К555).
В качестве
базового элемента серии микросхем
К555 использован элемент
И-НЕ (рис. 14.10,а
), а на рис. 14.10,б
показано графическое изображение
транзистора Шоттки.
Рис. 14.10. Логический элемент ТТЛШ
Транзистор VT4 – обычный
биполярный транзистор. Если оба входных
напряженияu
вх1
иu
вх2
имеют высокий уровень, то диодыVD3 иVD4
закрыты, транзисторыVT1,VT5 открыты и на выходе
имеет место напряжение низкого уровня.
напряжение питания 5 В
;
выходное напряжение низкого уровня
не более 0,4 В
;
выходное напряжение высокого уровня
не менее 2,5 В
;
помехоустойчивость – не менее 0,3 В;
среднее время задержки распространения
сигнала 20 нс
;
максимальная рабочая частота 25 МГц
.
Особенности других логик.
Основой базового логического элемента
ЭСЛ является токовый ключ, схема которого
подобна схеме дифференциального
усилителя. Микросхема ЭСЛ питается
отрицательным напряжением (–4В
для
серии К1500).
В микросхемах n
-МОП
иp
-МОП используются
ключи соответственно на МОП-транзисторах
сn
-каналами и
динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах
сp
-каналом. Для
исключения потребления мощности
логическим элементом в статическом
состоянии используются комплементарные
МДП-логические элементы (КМДП или
КМОП-логика).
Логика на основе полупроводника из
арсенида галлия GaAsхарактеризуется наиболее высоким
быстродействием, что является следствием
высокой подвижности электронов (в 3…6
раз больше по сравнению с кремнием).
Микросхемы на основеGaAsмогут работать на частотах порядка 10ГГц
.
При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?
Рекомендации по выбору транзисторов для электронных ключей
- Также напряжение на базе в режиме насыщения не должно быть ниже минимально значения, иначе транзисторный ключ будет работать нестабильно.
Номинальное напряжение между коллектором и эмиттером, которое указывается производителем, должно быть выше напряжения источника питания.
Номинальный ток коллектора, который также указывается производителем, должен быть больше тока нагрузки.
Необходимо следить за тем, чтобы ток и напряжение базы транзистора не превышали допустимых значений.
О какой нагрузке идет речь? Да о любой — релюшки, лампочки, соленоиды, двигатели, сразу несколько светодиодов или сверхмощный силовой светодиод-прожектор. Короче, все что потребляет больше 15мА и/или требует напряжения питания больше 5 вольт.
Вот взять, например, реле. Пусть это будет BS-115C. Ток обмотки порядка 80мА, напряжение обмотки 12 вольт. Максимальное напряжение контактов 250В и 10А.
Подключение реле к микроконтроллеру это задача которая возникала практически у каждого. Одна проблема — микроконтроллер не может обеспечить мощность необходимую для нормальной работы катушки. Максимальный ток который может пропустить через себя выход контроллера редко превышает 20мА и это еще считается круто — мощный выход.
Первое что приходит на ум — поставить транзистор. Верное решение — транзистор можно подобрать на сотни миллиампер, а то и на амперы. Если не хватает одного транзистора, то их можно включать каскадами, когда слабый открывает более сильный.
Поскольку у нас принято, что 1 это включено, а 0 выключено (это логично, хотя и противоречит моей давней привычке, пришедшей еще с архитектуры AT89C51), то 1 у нас будет подавать питание, а 0 снимать нагрузку. Возьмем биполярный транзистор. Реле требуется 80мА, поэтому ищем транзистор с коллекторным током более 80мА.
В импортных даташитах этот параметр называется I c , в наших I к. Первое что пришло на ум — КТ315 — шедевральный совковый транзистор который применялся практически везде:) Оранжевенький такой. Стоит не более одного рубля. Также прокатит КТ3107 с любым буквенным индексом или импортный BC546 (а также BC547, BC548, BC549).
Если смотреть на его лицевую сторону, та что с надписями, и держать ножками вниз, то выводы, слева направо: Эмиттер, Колектор, База.
Берем транзистор и подключаем его по такой схеме:
Коллектор к нагрузке, эмиттер, тот что со стрелочкой, на землю. А базу на выход контроллера.
Транзистор это усилитель тока, то есть если мы пропустим через цепь База-Эмиттер ток, то через цепь Колектор-Эмиттер сможет пройти ток равный входному, помноженному на коэффициент усиления h fe .h fe для этого транзистора составляет несколько сотен. Что то около 300, точно не помню.
Максимальное напряжение вывода микроконтроллера при подаче в порт единицы = 5 вольт (падением напряжения в 0.7 вольт на База-Эмиттерном переходе тут можно пренебречь). Сопротивление в базовой цепи равно 10000 Ом. Значит ток, по закону Ома, будет равен 5/10000=0.0005А или 0.
5мА — совершенно незначительный ток от которого контроллер даже не вспотеет. А на выходе в этот момент времени будет I c =I be *h fe =0.0005*300 = 0.150А. 150мА больше чем чем 100мА, но это всего лишь означает, что транзистор откроется нараспашку и выдаст максимум что может. А значит наша релюха получит питание сполна.
Все счастливы, все довольны? А вот нет, есть тут западло. В реле же в качестве исполнительного элемента используется катушка. А катушка имеет неслабую индуктивность, так что резко оборвать ток в ней невозможно. Если это попытаться сделать, то потенциальная энергия, накопленная в электромагнитом поле, вылезет в другом месте.
При нулевом токе обрыва, этим местом будет напряжение — при резком прерывании тока, на катушке будет мощный всплеск напряжения, в сотни вольт. Если ток обрывается механическим контактом, то будет воздушный пробой — искра. А если обрывать транзистором, то его просто напросто угробит.
Надо что то делать, куда то девать энергию катушки. Не проблема, замкнм ее на себя же, поставив диод. При нормальной работе диод включен встречно напряжению и ток через него не идет. А при выключении напряжение на индуктивности будет уже в другую сторону и пройдет через диод.
Правда эти игры с бросками напряжения гадским образом сказываются на стабильности питающей сети устройства, поэтому имеет смысл возле катушек между плюсом и минусом питания вкрутить электролитический конденсатор на сотню другую микрофарад. Он примет на себя большую часть пульсации.
Красота! Но можно сделать еще лучше — снизить потребление. У реле довольно большой ток срывания с места, а вот ток удержания якоря меньше раза в три. Кому как, а меня давит жаба кормить катушку больше чем она того заслуживает. Это ведь и нагрев и энергозатраты и много еще чего. Берем и вставляем в цепь еще и полярный конденсатор на десяток другой микрофарад с резистором. Что теперь получается:
При открытии транзистора конденсатор С2 еще не заряжен, а значит в момент его заряда он представляет собой почти короткое замыкание и ток через катушку идет без ограничений. Недолго, но этого хватает для срыва якоря реле с места. Потом конденсатор зарядится и превратится в обрыв.
А реле будет питаться через резистор ограничивающий ток. Резистор и конденсатор следует подбирать таким образом, чтобы реле четко срабатывало.После закрытия транзистора конденсатор разряжается через резистор. Из этого следует встречное западло — если сразу же попытаться реле включить, когда конденсатор еще не разрядился, то тока на рывок может и не хватить.
Добавим еще один апгрейд.При размыкании реле энергия магнитного поля стравливается через диод, только вот при этом в катушке продолжает течь ток, а значит она продолжает держать якорь. Увеличивается время между снятием сигнала управления и отпаданием контактной группы. Западло.
Надо сделать препятствие протеканию тока, но такое, чтобы не убило транзистор. Воткнем стабилитрон с напряжением открывания ниже предельного напряжения пробоя транзистора.Из куска даташита видно, что предельное напряжение Коллектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 составляет 30 вольт. Вкручиваем стабилитрон на 27 вольт — Profit!
В итоге, мы обеспечиваем бросок напряжения на катушке, но он контроллируемый и ниже критической точки пробоя. Тем самым мы значительно (в разы!) снижаем задержку на выключение.
Вот теперь можно довольно потянуться и начать мучительно чесать репу на предмет того как же весь этот хлам разместить на печатной плате… Приходится искать компромиссы и оставлять только то, что нужно в данной схеме. Но это уже инженерное чутье и приходит с опытом.
Разумеется вместо реле можно воткнуть и лампочку и соленоид и даже моторчик, если по току проходит. Реле взято как пример. Ну и, естественно, для лампочки не потребуется весь диодно-конденсаторный обвес.
Пока хватит. В следующий раз расскажу про Дарлингтоновские сборки и MOSFET ключи.
В импульсных устройствах очень часто можно встретить транзисторные ключи. Транзисторные ключи присутствуют в триггерах, коммутаторах, мультивибраторах, блокинг-генераторах и в других электронных схемах. В каждой схеме транзисторный ключ выполняет свою функцию, и в зависимости от режима работы транзистора, схема ключа в целом может меняться, однако основная принципиальная схема транзисторного ключа – следующая:
Есть несколько основных режимов работы транзисторного ключа: нормальный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа – это в принципе схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по функциям и режимам эта схема отличается от типичного усилительного каскада.
В ключевом применении транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Запертое состояние – состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки. Замкнутое состояние – состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт.
Статические состояния описываются в соответствии со статическими характеристиками транзистора. Характеристик две: семейство выходных – зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и семейство входных – зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер.
Для режима отсечки характерно смещение обеих p-n переходов транзистора в обратном направлении, причем бывает глубокая отсечка и неглубокая отсечка. Глубокая отсечка – это когда приложенное к переходам напряжение в 3-5 раз превышает пороговое и имеет полярность обратную рабочей. В таком состоянии транзистор разомкнут, и токи его электродов чрезвычайно малы.
При неглубокой же отсечке напряжение, приложенное к одному из электродов, ниже, и токи электродов больше чем при глубокой отсечке, в результате токи уже зависят от приложенного напряжения в соответствии с нижней кривой из семейства выходных характеристик, эту кривую так и называют «характеристика отсечки».
Для примера проведем упрощенный расчет для ключевого режима транзистора, который будет работать на резистивную нагрузку. Транзистор будет длительное время находиться лишь в одном из двух главных состояний: полностью открыт (насыщение) или полностью закрыт (отсечка).
Пусть нагрузкой транзистора будет обмотка реле SRD-12VDC-SL-C, сопротивление катушки которого при номинальных 12 В будет составлять 400 Ом. Пренебрежем индуктивным характером обмотки реле, пусть разработчики предусмотрят снаббер для защиты от выбросов в переходном режиме, мы же проведем расчет исходя из того, что реле включат один раз и очень надолго. Ток коллектора найдем по формуле:
Iк = (Uпит-Uкэнас) / Rн.
Где: Iк – постоянный ток коллектора; Uпит – напряжение питания (12 вольт); Uкэнас – напряжение насыщения биполярного транзистора (0,5 вольт); Rн – сопротивление нагрузки (400 Ом).
Получаем Iк = (12-0,5) / 400 = 0,02875 А = 28,7 мА.
Для верности возьмем транзистор с запасом по предельному току и по предельному напряжению. Подойдет BD139 в корпусе SOT-32. Этот транзистор обладает параметрами Iкмакс = 1,5 А, Uкэмакс = 80 В. Будет хороший запас.
Чтобы обеспечить ток коллектора в 28,7 мА, необходимо обеспечить соответствующий ток базы. Ток базы определяется формулой: Iб = Iк / h21э, где h21э – статический коэффициент передачи по току.
Современные мультиметры позволяют измерять этот параметр, и в нашем случае он составил 50. Значит Iб = 0,0287 / 50 = 574 мкА. Если значение коэффициента h21э неизвестно, можно для надежности взять минимальное из документации на данный транзистор.
Чтобы нужно определить необходимое значение резистора базы. Напряжение насыщения база-эмиттер составляет 1 вольт. Значит, если управление будет осуществляться сигналом с выхода логической микросхемы, напряжение которого 5 В, то для обеспечения требуемого тока базы в 574 мкА, при падении на переходе 1 В, получим:
R1 = (Uвх-Uбэнас) / Iб = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ом
Выберем в меньшую сторону (чтобы тока точно хватило) из стандартного ряда резистор 6,8 кОм.
НО, чтобы транзистор переключался быстрее и чтобы срабатывание было надежным, будем применять дополнительный резистор R2 между базой и эмиттером, а на нем будет падать некоторая мощность, значит необходимо понизить сопротивление резистора R1. Примем R2 = 6,8 кОм и скорректируем значение R1:
R1 = (Uвх-Uбэнас) / (Iб I(через резистор R2) = (Uвх-Uбэнас) / (Iб Uбэнас/R2)
R1 = (5-1) / (0,000574 1/6800) = 5547 Ом.
Пусть будет R1 = 5,1 кОм, а R2 = 6,8 кОм.
Посчитаем потери на ключе: P = Iк * Uкэнас = 0,0287 * 0,5 = 0,014 Вт. Радиатор транзистору не потребуется.
Транзисторный ключ является основным
элементом устройств цифровой электроники
и очень многих устройств силовой
электроники. Параметры и характеристики
транзисторного ключа в очень большой
степени определяют свойства соответствующих
схем.
Ключи на биполярных транзисторах
.
Простейший ключ на биполярном транзисторе,
включенный по схеме с общим эмиттером,
и соответствующая временная диаграмма
входного напряжения представлены на
рис. 14.5.
Рис. 14.5. Ключ на биполярном транзисторе
Рассмотрим работу транзисторного
ключа в установившихся режимах. До
момента времени t
1
эмиттерный переход транзистора заперт
и транзистор находится в режиме отсечки.
В этом режимеi
к
=–
i
б
=I
ко
(I
ко
– обратный ток коллектора),i
э
≈ 0.
При этомu
R
б
≈u
R
к
≈ 0;u
бэ
≈ –U
2
;u
кэ
≈–Е
к
.
В промежутке времени t
1
…t
2
транзистор открыт. Для того, чтобы
напряжение на транзистореu
кэ
было минимальным, напряжениеU
1
обычно выбирают так, чтобы транзистор
находится или в режиме насыщения, или
в пограничном режиме, очень близким к
режиму насыщения.
Ключи на полевых транзисторах
отличаются малым остаточным напряжением.
Они могут коммутировать слабые сигналы
(в единицы микровольт и меньше). Это
следствие того, что выходные характеристики
полевых транзисторов проходят через
начало координат.
Для примера изобразим выходные
характеристики транзистора с управляющим
переходом и каналом p
-типа
в области, прилегающей к началу координат
(рис. 14.6).
Рис. 14.6. Полевой транзистор с каналом
p-типа
Обратим внимание, что характеристики
в третьем квадранте соответствуют
заданным напряжениям между затвором и
стоком.
В статическом состоянии ключ на
полевом транзисторе потребляет очень
малый ток управления. Однако этот ток
увеличивается при увеличении частоты
переключения. Очень большое входное
сопротивление ключей на полевых
транзисторах фактически обеспечивает
гальваническую развязку входных и
выходных цепей. Это позволяет обойтись
без трансформаторов в цепях управления.
На рис. 14.7 приведена схема цифрового
ключа на МДП-транзисторе с индуцированным
каналом n
-типа и
резистивной нагрузкой и соответствующие
временные диаграммы.
Рис. 14.7. Цифровой ключ на полевом
транзисторе
На схеме изображена емкость нагрузки
С
н
,
моделирующая емкость устройств,
подключенных к транзисторному ключу.
Очевидно, что при нулевом входном сигнале
транзистор заперт иu
си
=Е
с
.
