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

    Простота технической реализации (на одном кристалле).

    Малые паразитные емкости, следовательно большое быстродействие.

Недостатки

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

    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=x>1>x>2>

Рис.2

Рис.3

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

Достоинства

    Отсутствует сопротивление утечки (в ДТЛ R2).

    МЭТ обеспечивает рассасывание неосновных носителей из области базы VT2

Условия

    Положительная логика

1 случай

x>1>=x>2>=1, т.е. U>x1>=U>x2>=U1  “1”

МЭТ выполняет следующие функции:

    Операция “И”

    Усиление сигнала.

    VD1, VD2.

    VD3 в схеме ЛЭ ДТЛ.

VD1  (база-эмиттер VT1)х>1>,

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,  режим активный инверсный

U>к-э МЭТ>  0,1 В

Uа = U>б-к >>VT1 >>о> + U>б-э>>VT2>> о> – U>к-э>>VT1>> > 1,5 В

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

2 случай

Ux>1> = 0,2В Ux>2> = 4В

(Up – Un)>VT1 x1 >= U>ИП> – Ux>1 >=5 – 0,2 = 4,8В

Открыт, т.о. Ua = U>б-э>>VT1 x1 >>откр. >+ Ux>1> = 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

    К>раз> мало в ТТЛ с простым инвертором

    Rвых  Rк VT

Для устранения недостатка применяют ТТЛ со сложным инвертором.

Рис.4 ЛЭ ТТЛ-типа со сложным инвертором.

Состав схемы

                    На VT1 МЭТ и R1 собран коньюнктор .

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

                    Демпфирующий диод VD3.

Сложный инвертор включает в себя:

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

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

                    Эмиттерный повторитель на VT3 (ЭП).

                    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.

                    Входные цепи имеют паразитное С и паразитное L.

                    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

 VD1 открыт и  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

                    (б–э)>х1>  VD1 (ДТЛ).

                    (б–э)>х2>  VD2 (ДТЛ).

                    (б–к)>VT1>  VD3 (диод смещения ДТЛ)

                    Выполняет операцию усиления.

                    При закрывании VT2 c области базы (p) осуществляется рассасывание неосновных носителей  VT1 заменяет R>утечки>, включенную в цепь базы транзистора VT1 ДТЛ (R3).

Режим работы транзистора VT1

                    Режим насыщения.

                    Активный инверсный.

                    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.

                    Если на x>1 >и x>2> 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>э>>VT2>=I>к>+I>б >(I>н>>VT2 >< I>н>>VT4>). 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

U>1>> >= U>2>> >= U1  “1”

(б-э)VT1 смещены в обратном направлении.

(б-к)VT1 смещён в прямом направлении.  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 

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>  X>1>  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,  U>y> = U>ИП> – U>(>>б-э>>)>>VT3 >– U>VD3>>о> = = 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  K>раз> высок!

Рис. 6

> >

> >

при X>2>

> >

> >

> >

> >

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

При U>вых> = U0> >

> >

> >

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:

X1

X2

X3

Y

1

1

1

R>off>

0

1

0

1

Состав схемы:

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

                    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)н>>VT6>  0,2В.  U>a> = 0,2В. Определим, какое U в т.1 U>к> = U>б>>VT2>>. >VT1 – активный инверсный режим. U>1 >> U>a > VT2 – активный инверсный режим. Ток течет по цепи:

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

U>1> = U>(б-к)о>>VT2> + U>(>>к-э>>)>>нас>>VT6> = 1В

В этом случае закрыт VT5. Дальше цитата Тимошенко В.С.: «А в каком же состоянии VT4 и VD1? Да они же закрыты!!!».  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>,  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

                    Токовый переключатель.

                    Источник опорного напряжения.

                    Эмиттерные повторители.

                    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

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

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

VT6R10

U>(б-э)о>>VT5,6> = 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  VT1,2 – закрыты.

Т.к. через R1 при закрытых VT1 и VT2 протекает ток I>б>>VT5> (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-э>>VT5o> = –0,8В

U>y1> = (U>a> + U>б-э>>VT5>) = (–0,1) + (–0,8) = –0,9В  U1 = – 0,9В

U>c> = U>б-э>>VT3o>> >+ U>оп> = (–0,75) + (–1,3) = –2,05В

через R2 протекает ток I>к>>VT3>, I>б>>VT>>6. > Т.о. создается напряжение U>б> = (I>к>>VT3> + I>б>>VT6>) R2 = –0,9В

U>y2> = U>б> + U>б-э>>VT6o> = (–0,9) + (–0,8) = –1,7В

> > ИЛИ–НЕ В этом случае y>2> = «0»

> > ИЛИ y>1> = «1»

X1 = X2 = 1

В этом случае VT1,2 открыты, но ненасыщены  отсутствует избыточность зарядов в цепи базы  t>здр> мало.

VT3 закрыт

U>c> = U>X1,2> + U>б-э>>VT1,2o> = (–0,9) + (–0,75) = –1,65В. Через R2 протекает только I>б>.

y>1> = «0»

y>2 >= «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 I>дел> протекает I>б>>VT7> 

(I>дел >+ I>б>>VT>>3>) R>7> = > >, I>б>>VT3 >= 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 I>дел> + I>б>>VT4>. Но и в этом случае не обеспечивается стабильность напряжения, т.к. I>б>>VT4> = I ( to ). Существует необходимость ввести диоды VD1,2, в которых R меняется в зависимости от изменения to  изменяется ток I>дел. >Этим компенсируется изменение токов I>б>>VT4> и I>б>>VT>>3> от температуры и обеспечивается температурная стабилизация.

Определим потенциал т. d.

Т.к. U>б>>VT3> = U>d> + U>б-э>>VT4>, то

U>d>> >=> >–U>б-э>>VT4> + U>б>>VT3> = –(U>оп>) – (–U>б-э>>VT4>) = –1,3 – (–0,75) = –0,55В

U>оп>