1.4 Постановка задачи исследования базового логического элемента
Параметры используемых в настоящее время микросхем приведены в справочниках [5]. Эти параметры приведены, как правило, для конкретных нагрузок. Кроме того, принципиальные схемы этих ИМС, содержащих пассивные элементы или компоненты, не содержат их номиналы. В связи с этим при анализе конкретных схем устройств, где необходимо точно знать
Рисунок 4 - Потенциалы в узлах схемы.
некоторые параметры в связи с их критичностью, могут возникать определенные затруднения. Нагрузки ИМС также могут меняться в достаточно широких пределах. В связи с этим в данной работе сделана попытка проанализировать работу конкретного базового элемента И-НЕ серии 1531 с помощью программы схемотехнического моделирования Micro Cap 9 на предмет оптимальности выбора величин входящих в этот элемент резисторов с точки зрения минимальной средней потребляемой мощности и максимального быстродействия.
Токи, протекающие через элементы схемы, показаны на рисунке 5.
Мощности, потребляемые элементами схемы показаны на рисунке 6.
Рисунок 5 – Токи, протекающие через элементы схемы.
Рисунок 6 – Мощности потребляемые элементами схем
2. Анализ работы базового логического элемента в статическом и динамическом режимах
2.1.Передаточная характеристика
На рисунке 7 – изображена передаточная характеристика базового логического элемента, полученная с помощью программы схемотехнического моделирования Micro Cap9.
Рисунок
7 – Передаточная характеристика
логического элемента 2И-НЕ
На рисунке 7 показаны следующие параметры:
-логический
перепад;
-значение
выходного напряжения логического нуля;
-значение
выходного напряжения логической единицы;
-напряжения
порогов переключения.
2.2 Временные диаграммы входного и выходного напряжений и потребляемого схемой тока
Диаграммы входного и выходного напряжений изображены на рисунке 8.
Рисунок 8-Временные диаграммы входного и выходного напряжений
Диаграмма
потребляемого схемой тока представлена
на рисунке 9.
Рисунок
9-Диаграмма потребляемого схемой тока
2.3 Определение статических параметров
По полученной передаточной характеристике (рисунок 7) определим следующие статические параметры:
=2,73
В;
=0,37
В;
=
-
=2,73
– 0,37=2,36 В;
=0,5
В;
=2,32
В;
=1,95
В;
=1,78
В;
=
-
=1,95
– 0,5=1,45 В;
=
-
=2,32
– 1,78=0,54 В.
Используя временную диаграмму потребляемого схемой тока (рисунок 9)
определим следующие параметры:
=5,5
мА;
=5
мА;
=
*
=5,5*5=27,5
мВт;
=
*
=5*5=25
мВт;
=
=(27,5
+25)/2=26,25 мВт.
2.4. Определение динамических параметров
Используя временные диаграммы входного и выходного напряжений (рисунок 8), определим следующие динамические параметры:
=3,73
нс;
=7,577
нс;
=
=(3,73+7,577)/2=5,653
нс.
3. Исследования влияния параметров пассивных элементов на статические и динамические характеристики базового логического элемента
3.1.
Влияние изменения R1,R2,R3,R4,R12,C1
на величины 
,
и 
Для оценки влияния изменений сопротивлений на параметры сигналов используем режим многовариантного анализа программы MicroCap 9 «Stepping»[1]. Влияние R1 на передаточную характеристику и уровни выходных сигналов, представлено на рисунке 10.
Рисунок 10 - Влияние изменений R1 на передаточную характеристику
В
таблицу 2 занесены конкретные числовые
значения 
и 
для различных значений R1.
Таблица 2.
|
Значение R1,Ом |
|
|
|
1000 |
2,7 |
0,34 |
|
2000 |
2,7 |
0,37 |
|
3000 |
2,7 |
0,37 |
|
4000 |
2,7 |
0,37 |
|
5000 |
2,7 |
0,38 |
,В
,В
На основе таблицы 2 в программе Excel были построены графики, представленные на рисунке 11.
Рисунок
11- Зависимость уровней 
и 
от R1
Из графика видно, что изменение величины сопротивления R1 практически не оказывает влияния на уровень логической единицы, но несколько изменяет уровень логического нуля на выходе.
Влияние R2 на передаточную характеристику и уровни выходных сигналов, представлено на рисунке 12.
Рисунок 12 – Влияние R2 на передаточную характеристику
Числовые значения выходных напряжений (рисунок 12) для различных значений R2 представлены в таблице 3.
Таблица 3
|
Значение R2,Ом |
|
|
|
1000 |
2,7 |
0,32 |
|
2000 |
2,7 |
0,35 |
|
3000 |
2,7 |
0,37 |
|
4000 |
2,7 |
0,38 |
|
5000 |
2,7 |
0,37 |
|
6000 |
2,7 |
0,37 |
,В
,В
В программе Excel на основе таблицы 3 были построены графики, показанные на рисунке 13.
Рисунок
13 – Зависимость уровней 
и 
от R2
Как видно, на рисунке 13 изменения R2 не оказывают существенного влияния на уровень логической единицы, но меняется уровень значения логического нуля : его значения колеблются в пределах от 1,6 В до 1,9В.
Влияние R3 на передаточную характеристику и уровни выходных сигналов представлено на рисунке 14.
Рисунок
14 – Влияние R3
на передаточную характеристику
Данные из графиков рисунка 14 внесены в таблицу 4.
Таблица 4.
|
Значение R3,Ом |
|
|
|
500 |
3 |
0,28 |
|
1000 |
2,8 |
0,3 |
|
1500 |
2,7 |
0,3 |
|
2000 |
2,6 |
0,3 |
|
2500 |
2,6 |
0,3 |
|
3000 |
2,5 |
0,3 |
,В
,В
В программе Excel на основе таблицы 4 построены графики, показанные на рисунке 15.
Рисунок
15 – Зависимость уровней 
и 
от R3
Из графиков видно, что значения сопротивления R3 сильно влияют на уровень значений логической единицы на выходе. Уровень логического нуля же не имеет существенных изменений. Изменения логической единицы меняются на 0,4 В.
Влияние R4 на передаточную характеристику и уровни выходных сигналов, представлено на рисунке 16.
Рисунок 16 – Влияние R4 на передаточную характеристику
Таблица 5 содержит изменения выходных уровней представленных на рисунке 16.
Таблица 5.
|
Значение R4,Ом |
|
|
|
500 |
0,3 |
3,1 |
|
1000 |
0,3 |
2,8 |
|
1500 |
0,3 |
2,7 |
|
2000 |
0,3 |
2,6 |
|
2500 |
0,3 |
2,5 |
|
3000 |
0,3 |
2,4 |
,В
,В
На основе таблицы 5 построены графики, показанные на рисунке 17.
Рисунок
17 – Зависимость уровней 
и 
от R4
Из графиков рисунка 17 видно, что изменение значений R4 существенно влияет на уровень логической единицы на выходе, но не оказывает влияние на уровень логического нуля на выходе. Значение логической единицы падает от 3,1 В до 2,4 В.
Влияние величины R12 на передаточную характеристику показано на рисунке 18.
Рисунок 18 – Влияние R12 на передаточную характеристику
Изменение напряжений рисунка 18 внесено в таблицу 6.
Таблица 6
|
Значение R12,Ом |
|
|
|
400 |
1,3 |
0,3 |
|
1000 |
2,1 |
0,3 |
|
1600 |
2,5 |
0,3 |
|
2200 |
2,7 |
0,3 |
|
2400 |
2,8 |
0,3 |
,В
,В
На основе таблицы 6 построены графики, представленные на рисунке 19.
Рисунок
19 – Зависимость уровней 
и 
от R12
На графиках рисунка 19 показаны изменения значений R12. Видно, что сильно изменяется уровень логической единицы, уровень же нуля остается неизменным. Значения уровня единицы изменяются от 1,3 В до 2,8 В.
Влияние C1 на передаточную характеристику и уровни выходных сигналов представлено на рисунке 20.
Рисунок 20 – Влияние C1 на передаточную характеристику
Данные из графиков рисунка 20 занесены в таблицу 7.
Таблица 7.
|
Значение С1,pФ |
|
|
|
5 |
0,3 |
2,7 |
|
10 |
0,3 |
2,7 |
|
15 |
0,3 |
2,7 |
|
20 |
0,3 |
2,7 |
|
25 |
0,3 |
2,7 |
|
30 |
0,3 |
2,7 |
,В
,В
На основе таблицы 7 построены графики, представленные на рисунке 21.
Рисунок
21 – Зависимость уровней 
и 
от C1
На графиках рисунка 21 не видно изменений по уровню логической единицы и логического нуля при изменении C1 от 5 пФ до 30 пФ.