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 K_раз (K_раз — число единичных нагрузок, одновременно подключенных к выходу ЛЭ)

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

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. U_x1=U_x2=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)х_2.

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

U_{к-э МЭТ} » 0,1 В

Uа = U_{б-к VT1 о} + U_{б-эVT2 о} – U_к-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} = U_ИП – Ux₁ =5 – 0,2 = 4,8В

Открыт, т.о. Ua = U_{б-эVT1 x1 откр.} + Ux₁ = 0,8 + 0,2 = 1В

Для того, чтобы открыть VT1_б-к и VT2_э-б требуется

VT2 закрыт.

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

ЛЭ ТТЛ-типа серии К155

1. К_раз 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 U_ИП = +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 > U_VD3 = 0,6В

Þ VD1 открыт и Þ R_{VD О} = R_пр = 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 R_утечки, 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 I_эVT2=I_к+I_б (I_нVT2 < I_нVT4). Если в точке k «–», то в точке с «–».

VT3(ЭП)

ЭП имеет R_вых малое при любой нагрузке в эмиттерной цепи. R_вых 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)VT2_о.н. ® R3 ®VT5 ® корпус

÷ R4 ö

VT4 открывается напряжением U_c. 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

U_{коллектора 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} + U_X1 = 0,8 + 0,2 = 1В

U_k = Ua – U_(к-э)VT1 ­= 1 – 0,1 = 0,9В

VT2-VT4 – закрыты

При VT2 закрытом U_б » U_ИП = 5В. VT3, VD3 открыты, Þ U_y = U_ИП – U_(б-э)VT3 – U_VD3о = = 5–1,6 = 3,4В

Параметры ТТЛ со сложным инвертором

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

на VT3 мало Þ K_раз высок!

Рис. 6

при X₂

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

При U_вых = 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

R_off — 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 r_{вых VT6} = r_н =5..20 Ом). Из этого следует, что U_(к-э)нVT6 @ 0,2В. Þ U_a = 0,2В. Определим, какое U в т.1 U_к = U_бVT2. VT1 – активный инверсный режим. U₁ > U_a 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 R_off.

2 позиция таблицы. VT6 закрыт, R_к-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 t_здр (время задержки). Это обусловлено:

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

Если в (1) при C_н = const уменьшить U_л, то t_здр уменьшается.

ЛЭ ЭСЛ имеет малый уровень логического перепада, дост. Большой ток зарада C_пар, 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.

U_л = 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

U_оп = –1,3В

VT1 и VT2 закрыты. Iк_1,2 = 0. VT3 открыт. При этом U_c=–(U_оп) + (–U_(б-э)VT3) = (–1,3) + (–0,75) = = –2,05В

Что с VT3? Проверим: (U_б – U_э)_VT3 = (–1,3) – (–2,05) = 0,75 — он открыт.

(U_б – U_э)_VT1,2 = (–U⁰) – (–U_c) = (–1,7) – (–2,05) = 0,35В < U_эз = 0,6В Þ VT1,2 – закрыты.

Т.к. через R1 при закрытых VT1 и VT2 протекает ток I_бVT5 (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

U_б-эVT5o = –0,8В

U_y1 = (U_a + U_б-эVT5) = (–0,1) + (–0,8) = –0,9В ® U¹ = – 0,9В

U_c = U_б-эVT3o + U_оп = (–0,75) + (–1,3) = –2,05В

через R2 протекает ток I_кVT3, I_бVT6. Т.о. создается напряжение U_б = (I_кVT3 + I_бVT6) R2 = –0,9В

U_y2 = U_б + U_б-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 t_здр мало.

VT3 закрыт

U_c = U_X1,2 + U_б-эVT1,2o = (–0,9) + (–0,75) = –1,65В. Через R2 протекает только I_б.

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 t^oC 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 I_дел протекает I_бVT7 Þ

(I_дел + I_бVT3) R₇ = , I_бVT3 = I ( t^o )

Как видно, постоянство опорного напряжения на базе VT3 не обеспечивается. Для ликвидации этого недостатка вкл. VT4R6. Тогда через делитель R7R8 всегда протекает ток равный I_дел + I_бVT4. Но и в этом случае не обеспечивается стабильность напряжения, т.к. I_бVT4 = I ( t^o ). Существует необходимость ввести диоды VD1,2, в которых R меняется в зависимости от изменения t^o Þ изменяется ток I_дел. Этим компенсируется изменение токов I_бVT4 и I_бVT3 от температуры и обеспечивается температурная стабилизация.

Определим потенциал т. d.

Т.к. U_бVT3 = U_d + U_б-эVT4, то

U_d = –U_б-эVT4 + U_бVT3 = –(U_оп) – (–U_б-эVT4) = –1,3 – (–0,75) = –0,55В

÷U_оп