Реферат: Схема сопряжения датчика с ISA

Реферат: Схема сопряжения датчика с ISA

Схемотехника

1. Базовые элементы ТТЛ 155-й серии. Схемы, принцип работы, назначение элементов ИЛИ К155ЛА3 и К155ЛР1.

ТТЛ

Обеспечивает требование быстродействия и потребляемой мощности. В интересах согласования с ЛЭ других типов используются преобразователи уровня в виде схемы с простым инвертором или со сложным инвертором. Для реализации можно использовать диодно-резисторную логику (Шотки) со сложным инвертором.

ЛЭ ТТЛ с простым инвертором

Достоинства

1.   Простота технической реализации (на одном кристалле).

2.   Малые паразитные емкости, следовательно большое быстродействие.

Недостатки

1.   Более низкая помехоустойчивость по сравнению с ДТЛ (U+пом ТТЛ < U+пом ДТЛ, U-пом ТТЛ < U-пом ДТЛ)

2.   Малый Kраз (Kраз — число единичных нагрузок, одновременно подключенных к выходу ЛЭ)

Применяется в тех случаях, когда не требуется высокие устойчивость от статических помех и Kраз.

Схема с открытым коллектором.

Можно включать резистор, светодиод, реле, обмотку мощного трансформатора. Схема ТТЛ явл. дальнейшим развитием ДТЛ. Так ДРЛ (диодно-резисторная логика) заменена на МЭТ (многоэмиттерный транзистор) с резистором.

Рис.1

Для реализации операции  y=x1x2

Рис.2

Рис.3

База–коллектор VT1 выполняют функцию смещающего диода VD3 с схеме ДТЛ. Эквивалент диода VD4 ДТЛ в схеме ТТЛ отсутствует.

Достоинства

1.   Отсутствует сопротивление утечки (в ДТЛ R2).

2.   МЭТ обеспечивает рассасывание неосновных носителей из области базы VT2

Условия

1.   Положительная логика

2.  

3.  

1 случай

x1=x2=1, т.е. Ux1=Ux2=U1 ® “1”

МЭТ выполняет следующие функции:

1.   Операция “И”

2.   Усиление сигнала.

3.   VD1, VD2.

4.   VD3 в схеме ЛЭ ДТЛ.

VD1 ® (база-эмиттер VT1)х1,

VD2 ® (база-эмиттер VT1)х2.

Диод смещения VD3 ® база-коллектор VT1

Переход база-эмиттер VT1 смещённый в обратном направлении; переход база-коллектор VT1 смещён в прямом направлении, Þ режим активный инверсный

Uк-э МЭТ » 0,1 В

Uа = Uб-к VT1 о + Uб-эVT2 о – Uк-эVT1 » 1,5 В

VT2, R2 реализуют “НЕ”. Принцип такой же, как в ДТЛ (VT2 открыт, насыщен. Rвых мало (» 5..40 Ом) Þ  Uy = U0 » 0,2В

2 случай

Ux1 = 0,2В    Ux2 = 4В

(Up – Un)VT1 x1 = UИП – Ux1 =5 – 0,2 = 4,8В

Открыт, т.о. Ua = Uб-эVT1 x1 откр. + Ux1 = 0,8 + 0,2 = 1В

Для того, чтобы открыть VT1б-к и VT2э-б требуется

VT2 закрыт.

МЭТ находится в открытом  и насыщенном состоянии. Режим активный и насыщенный.

ЛЭ ТТЛ-типа серии К155

1.   Краз мало в ТТЛ с простым инвертором

2.   Rвых » Rк VT

Для устранения недостатка применяют ТТЛ со сложным инвертором.

Рис.4 ЛЭ ТТЛ-типа со сложным инвертором.

Состав схемы

1.   На VT1 МЭТ и R1 собран коньюнктор .

2.   Сложный инвертор (VT2-VT5, R2-R5).

3.   Демпфирующий диод VD3.

Сложный инвертор включает в себя:

1.   VT2 c R2, R3, R4, VT5. С одной стороны фазоразделительный каскад с корректирующей цепочкой VT5, R3, R4.

2.   Выходной каскад (VT3, VT4, VD3, R5).

a)   Эмиттерный повторитель на VT3 (ЭП).

b)   Инвертор на VT4.

Назначение VD1, VD2.

Это так называемые демпфирующие диоды — для шунтирования (на корпус) сигнала отрицательной полярности с уровнем более 0,6В. При положительной логике уровни сигналови  при UИП = +5В.

1.   Входные цепи имеют паразитное С и паразитное L.

2.   Наводки (наведённые статические помехи).

Первые создает колебательный контур (к/к)

Рис. 5

В момент окончания сигнала (Ua – Uk)VD1,2 = 0 – (-0,8) = 0,8В > UVD3 = 0,6В

Þ VD1 открыт и Þ RVD О = Rпр = 5..20 Ом и устраняется отрицательная полярность в помехе. Положительная помеха влияния не оказывает вследствие своей малости.

МЭТ

VT1, R1 предназначены для реализации операции “И”. Он представляет собой диодную сборку. Сравним с ДТЛ

1.    (б–э)х1    ® VD1 (ДТЛ).

(б–э)х2    ® VD2 (ДТЛ).

(б–к)VT1  ® VD3 (диод смещения ДТЛ)

2.    Выполняет операцию усиления.

3.    При закрывании VT2 c области базы (p) осуществляется рассасывание неосновных носителей Þ VT1 заменяет Rутечки, включенную в цепь базы транзистора VT1 ДТЛ (R3).

Режим работы транзистора VT1

1.   Режим насыщения.

2.   Активный инверсный.

1.    Происходит в случае воздействия на вход сигнала низкого уровня. В этом случае б–э смещаются в прямом направлении, R мало, транзистор открыт и насыщен; б–к смещен в обратном направлении, но открыт.

2.    Если на x1 и x2 подана “1”, то б–э смещены в обратном направлении, R велико, а б–к смещен в прямом направлении (R мало).

Рассмотрим назначение VT2

Если замкнуть R3 на корпус и сделать два разрыва (как показано на рис.4). VT2 предназначен для управления  VT3  и  VT4. В насыщенном состоянии ток  IэVT2=Iк+Iб (IнVT2 < IнVT4). Если в точке k «–», то в точке с «–».

VT3(ЭП)

ЭП имеет Rвых малое при любой нагрузке в эмиттерной цепи. Rвых при выключенном ЛЭ также мало. В случае воздействия на вход «0» закрывается VT3. Этим исключается возможность протекания сквозного тока от источника питания через открытые VT3 и VT4. В случае открытого VT3 VD3 закрывается, т.е. отсутствует недостаток простого инвертора, т.е. мощность потребления меньше.

1 случай

U1 = U2 = U1 ® “1”

(б-э)VT1 смещены в обратном направлении.

(б-к)VT1 смещён в прямом направлении. Þ VT1 работает в активном инверсном режиме. Потенциал т. а достаточен, чтобы открыть переход (б-к)VT1, (б-э)VT2, (б-э)VT5 и (б-э)VT4.

При открытом p-n переходе

VT2 открыт и насыщен

Ток протекает по цепи: «+»ИП ® R2 ® (к-э)VT2о.н. ® R3 ®VT5 ® корпус

                                                                                                     ÷ R4 ö

VT4 открывается напряжением Uc. Оно создается после открытия VT2 и VT5 током эмиттера VT2.

Корректирующая цепочка предназначена для защиты от статических помех (для увеличения ) по сравнению с ЛЭ без корректирующей цепочки за счет изменения формы. В интересах повышения помехоустойчивости используется VT2 (это VD4 в схеме ДТЛ)

(б-э)VT1 ® VD4 ДТЛ

(б-э)VT2 ® VD3 ДТЛ

Uколлектора насыщения VT4=0,1В

2 случай

Если на один из входов подать уровень напряжения, соответствующим логическому «0», то через переход (б-э)VT1 ток протечет по цепи: «+»ИП ® R1 ® (б-э)VT2 ® X1 ® корпус

Ua = U(б-э)откр.VT1 + UX1 = 0,8 + 0,2 = 1В

Uk = Ua – U(к-э)VT1 ­= 1 – 0,1 = 0,9В

VT2-VT4 – закрыты

При VT2  закрытом  Uб  »  UИП  =  5В.  VT3, VD3 открыты, Þ Uy = UИП – U(б-э)VT3 – UVD3о = = 5–1,6 = 3,4В

Параметры ТТЛ со сложным инвертором

Основным параметром в статическом режиме является , , Рпот.ср. (средняя потребляемая мощность).

 на VT3 мало Þ Kраз высок!

Рис. 6

при X2

ЛЭ включен, т.е. VT2 и VT4 открыты и насыщены. VT3 и VD3 закрыты.

При Uвых = U0 Þ

ЛЭ ТТЛ-типа с открытым коллектором

Применение:  в случае включения в выходной каскад таких компонентов, как реле, светодиод, трансформатор и т.д. и в случае включения резистора в коллекторную цепь с подачей более высокого напряжения питания (до 30В).

Рис.7

ЛЭ ТТЛ-типа с 3-мя состояниями выхода

Roff — высокое выходное сопротивление

Рис.8

Фрагмент таблицы истинности:

Состав схемы:

1.   Коньюнктор (VT1, R1). В точке 1 .

2.   Сложный инвертор с корректирующей цепочкой: фазоразделительный каскад, корректирующая цепочка, ЭП.

Кроме этих компонентов в схему включены VT6, R6, R7. Коллекторная цепь VT6 включена в коллекторную цепь VT2 в точке а. Это необходимо для реализации третьего состояния схемы. Рассмотрим принцип работы с использованием таблицы истинности. Пусть на входах высокий уровень (1 поз. таблицы). В этом случае VT6 открыт и насыщен. Сопротивление VT6 мало (составляет rвых VT6 = rн =5..20 Ом). Из этого следует, что U(к-э)нVT6 @ 0,2В. Þ Ua = 0,2В. Определим, какое U в т.1 Uк = UбVT2. VT1 – активный инверсный режим. U1 > Ua Þ VT2 – активный инверсный режим. Ток течет по цепи:

«+»ИП ® R1 ® б-к VT1® б-к VT2 ® к-э VT6 ® корпус ® «–»ИП.

U1 = U(б-к)оVT2 + U(к-э)насVT6 = 1В

В этом случае закрыт VT5. Дальше цитата Тимошенко В.С.: «А в каком же состоянии VT4 и VD1? Да они же закрыты!!!». Þ на выходе высокое сопротивление Roff.

2 позиция таблицы. VT6 закрыт, Rк-э высокое.

Вывод: в случае подачи на вход X3 U0 при положительной логике VT6 закрыт и схема ЛЭ может иметь 2 состояния – включенное и выключенное.

Базовые ЛЭ ЭСЛ-типа 500-ой серии.

Достоинства: ЛЭ ЭСЛ-типа применяются в быстродействующих устройствах, т.к. она (ЭСЛ) имеет малое tздр (время задержки). Это обусловлено:

      (1), где Uл – логический перепад. (Примечание. Для ТТЛ с простым инвертором )

Если в (1) при Cн = const уменьшить Uл, то tздр уменьшается.

ЛЭ ЭСЛ имеет малый уровень логического перепада, дост. Большой ток зарада Cпар, Þ длительность положительного перепада схемы мала. Рассмотрим состав, принцип работы и назначение элементов схемы. При положительной логике U1 = – 0,9В, U0 = – 1,7В, опорное напряжение .

«ИЛИ–ИЛИ–НЕ»

Рис.9

1.   Токовый переключатель.

2.   Источник опорного напряжения.

3.   Эмиттерные повторители.

1.   VT1, VT2 – левое плечо дифференциального усилителя.

      R1, R2, R5

      R3, R4 – сопротивления утечки.

      На б VT1 и VT2 подаются входные сигналы.

      На б VT3 поступает опорное напряжение  –1,3В.

      Uл = U1 – U0 = 0,8В

2.   Делитель R7R8, диоды VD1 и VD2, ЭП VT4R6, VT3.

3.   VT5R9 (R9 и R10 в схему ЛЭ в интегральном исполнении не входят).

      VT6R10

      U(б-э)оVT5,6 = 0,8В

Работа

X1 = X2 = 0

U1 = – 0,9В

U0 = – 1,7В

Uоп = –1,3В

VT1 и VT2 закрыты. Iк1,2 = 0. VT3 открыт. При этом Uc=–(Uоп) + (–U(б-э)VT3) = (–1,3) + (–0,75) = = –2,05В

Что с VT3? Проверим: (Uб – Uэ)VT3 = (–1,3) – (–2,05) = 0,75 — он открыт.

(Uб – Uэ)VT1,2 = (–U0) – (–Uc) = (–1,7) – (–2,05) = 0,35В < Uэз = 0,6В Þ VT1,2 – закрыты.

Т.к. через R1 при закрытых VT1 и VT2 протекает ток IбVT5 (ЭП) по цепи:

«+»ИП ® R1 ® б-э VT5® R9 ® «–»ИП

Режим работы VT5 подобран так, что он всегда открыт и через него течет ток:

«+»ИП ® R1 ® к-э VT5 ® R9 ® «–»ИП

Uб-эVT5o = –0,8В

Uy1 = (Ua + Uб-эVT5) = (–0,1) + (–0,8) = –0,9В ® U1 = – 0,9В

Uc = Uб-эVT3o + Uоп = (–0,75) + (–1,3) = –2,05В

через R2 протекает ток IкVT3, IбVT6.  Т.о. создается напряжение Uб = (IкVT3 + IбVT6) R2 = –0,9В

Uy2 = Uб + Uб-эVT6o = (–0,9) + (–0,8) = –1,7В

   ИЛИ–НЕ В этом случае y2 = «0»

   ИЛИ                                       y1 = «1»

X1 = X2 = 1

В этом случае VT1,2 открыты, но ненасыщены Þ отсутствует избыточность зарядов в цепи базы Þ tздр мало.

VT3 закрыт

Uc = UX1,2 + Uб-эVT1,2o = (–0,9) + (–0,75) = –1,65В. Через R2 протекает только Iб.

y1 = «0»

y2  = «1»

Источник опорного напряжения предназначен для создания стабильного напряжения (–1,3В). Включаются R7, R8.

Т.к. температура изменяется, то требуется температурная компенсация VD1,2, VT4, R6

VD1,2 — для термокомпенсации (для обеспечения пропорционального изменения тока делителя). В точке d в зависимости от toC меняется потенциал.

Работа источника опорного напряжения (ИОН).

Если соединить базу VT3 с точкой d и убрать VD1,2 (закоротить), т.е. исключить VT4 (ЭП) и R6, чтобы мы имели .

Когда VT3 открыт, то имеем недостаток: через R7 кроме Iдел протекает IбVT7 Þ

(Iдел + IбVT3) R7 = , IбVT3 = I ( to )

Как видно, постоянство опорного напряжения на базе VT3 не обеспечивается. Для ликвидации этого недостатка вкл. VT4R6. Тогда через делитель R7R8 всегда протекает ток равный Iдел + IбVT4. Но и в этом случае не обеспечивается стабильность напряжения, т.к. IбVT4 = I ( to ). Существует необходимость ввести диоды VD1,2, в которых R меняется в зависимости от изменения to Þ изменяется ток Iдел. Этим компенсируется изменение токов IбVT4 и IбVT3 от температуры и обеспечивается температурная стабилизация.

Определим потенциал т. d.

Т.к. UбVT3 = Ud + Uб-эVT4, то

Ud  =  –Uб-эVT4 + UбVT3 = –(Uоп) – (–Uб-эVT4) = –1,3 – (–0,75) = –0,55В

                                      ÷Uоп