Разработка аналого-цифрового преобразователя

U_{пор. VT2} + U_{пор. VT3} £ Е.

Рис. 10. Схема преобразования уровней

 

      Схема ПУ работает следующим образом. При  U_вх = U⁰_ттл транзистор VT₁ находится в отсечке, и на выходе первого каскада U » + Е. Транзистор VT₂ заперт, a VT₃ открыт, на выходе схемы U_вых » 0 £ U⁰_кмдп.

      При U_вх = U^-1_ттл транзистор VT₁ отпирается до насыщения благодаря базовому току, равному (U_вх – е_об)/R_б, где - е_об напряжение на р-n-переходе Б-Э насыщенного транзистора (для кремниевых транзисторов е„б ^я< 0,6 В). Остаточное напряжение между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора U_{кэ н} близко к нулю (для кремниевых транзисторов U_{кэ н} » 0,2 В), и транзистор VT₂ открыт, а VТ₃ заперт. Следовательно, U_вых » + Е ³ U¹_кмдп. Недостаток схемы – одновременное использование и биполярных, и полевых транзисторов в одной микросхеме, что затрудняет ее изготовление в виде интегральной полупроводниковой схемы, хотя эту схему ПУ можно изготовить в виде гибридной микросборки. В случае, когда ставится задача спроектировать ПУ ТТЛ ® КМДП для расположенных на одной и той же плате конкретных ТТЛ ИС и КМДП ИС с заданными нагрузочной способностью ПУ - n, частотой переключения П – f и температурным диапазоном работы ПУ, схема преобразователя может содержать только один биполярный транзистор VT, а также резисторы R_к и R_б (рис. 10, б).

      Напряжение  Е выбирается равным напряжению питания  КМДП ИС.

Если  U_вх = U⁰_ттл < е_об, то VT находится в режиме отсечки (рис. 11, а), и напряжение на его коллекторе, равное напряжению на входе ПУ, не должно быть меньше  уровня логической 1 КМДП-элементов, т.е. U¹_кмдп:

U_вых = Е – (nI¹_{вх кмдп} + I_{кб о})R_к ³ U¹_кмдп,                                        (1)

   где: n – нагрузочная способность ПУ;

I¹_{вх кмдп} – малый ток, обусловленный в основном охранными диодами,                 подключенными к затворным входам транзисторов (р-n-переходы, смешенные в обратном направлении);

     I_{кб о} – обратный ток коллекторного перехода транзистора VT.

Рис. 11. Эквивалентные схемы преобразования уровней

 

      Если  U_вх = U_ттл, целесообразно обеспечить насыщение транзистора VT со степенью насыщения S = 1,5 ¸2, т.е.

                                                   (2)

   где: I_кн – ток коллектора насыщенного транзистора VТ.

      Из  рис. 11, б видно, что ток I_б, протекающий в цепи базы транзистора VТ при условии, что U_вх = U¹_ттл, равен

                                  (3)

вычисленной по формуле (3) ток I_б не должен превышать выходной ток I¹_{вых ттл}, обеспечиваемый ТТЛ-элементом в состоянии логической 1, а также должен быть меньше максимального допустимого тока I_{б макс} выбранного транзистора VT, т.е.:

                                                      I_б £ I_{вых ттл};                                                   (4, а)

                                                       I_б < I_{б макс}.                                                    (4, б)

      В коллектор насыщенного транзистора  VT (рис. 11, б) втекает ток I_{к н}, который складывается из тока I_к, протекающего через резистор R_к и n входных токов I⁰_{вх кмдп} КМДП-элемента, т.е.

                           (5)

      Ток I_{к н}, найденный по формуле (5), должен быть меньше максимально допустимого тока I_{к макс} выбранного транзистора VT, т.е.

I_{к н} < I_{б макс}.                                                    (6)

      Напряжение  U_вых на выходе ПУ, равное потенциалу на коллекторе насыщенного транзистора VT U_{кэ н}, не должно превышать уровня логического 0 КМДП-элемента U⁰_кмдп

U⁰_вых = U_{кэ н} £ U⁰_кмдп.

      Статические свойства схемы ПУ наглядно отражаются ее передаточной характеристикой –  зависимостью U_вых = f(U_вх).

      На  передаточной характеристике рассматриваемой  схемы ПУ можно выделить три участка.

      Если  U_вх £ е_об, то VT находится в режиме отсечки и U_вых определяется по формуле (1).

      Если  U_вх £ е_об, то VT открыт, и ток базы определяется по формуле (3). Пока VT работает в активном режиме и

             (7)

мы  пренебрегли малым током n I⁰_{вх кмдп}.

      Ток I_б достигает значения I_{б н} при U_вх = е_об + I_{б н}R_б, поэтому, если U_вх > (е_об + I_бнR_б), то VT находится в насыщении и U_вых = U_кен.

      На  графике U_вых = f(U_вх) ПУ проводят уровни U¹_кмдп и U⁰_кмдп. Абсцисса точки пересечения характеристики U_вых = f(U_вх) с уровнем U¹_{кмдп мин} соответствует пороговому напряжению U¹_пор входного сигнала ПУ. Абсцисса точки пересечения характеристики U_вых = f(U_вх) с уровнем U⁰_{кмдп макс} равна пороговому значению U⁰_пор входного сигнала ПУ.

      Для того чтобы уровни выходных сигналов ТТЛ-элемента могли использоваться в качестве уровней входного сигнала  ПУ, необходимо соблюдать условия:

      U⁰_{ттл макс}  £ U¹ _пор;

                                                       U¹_{ттл макс}  £ U⁰_пор.                                            (8)

      Указанные неравенства выполняются с некоторым  запасом. Так как U⁰_{ттл макс} < U¹_пор, то допускается некоторые паразитные (помеховые) измерения входного сигнала, которые не приводят к изменения сигнала, которые не приводят к изменению сигнала на входе ПУ до уровня, меньшего U¹_{кмдп мин}. статическую помехоустойчивость ПУ характеризуют параметрами U⁺_п и U^-_п. Напряжение U⁺_п = U^-_пор – U⁰_{ттл макс} (рис. 12) характеризует помехоустойчивость схемы ПУ к помеховым выбросам положительной полярности уровня логического 0 на его входе.

      Аналогично  U^-_п = U¹ _{ттл макс} – U⁰ _пор характеризуется помехоустойчивость схемы ПУ к отрицательным измерениям уровня логической 1 на его входе.

      

Рис. 12. Выходная характеристика ТТЛ-элемента

 

      Значения  U⁺_п и U^-_п можно определить аналитически и графически.

      Более точный анализ помехозащищенности следует  проводить для наихудшего сочетания параметров ПУ и температуры. В этом случае будет не одна передаточная характеристика ПУ, а 0целое семейство, по которому более корректно определяют U⁺_п и U^-_п.

      Важной  характеристикой ПУ является его  быстродействие, которое определяется максимально допустимой частотой следования входных сигналов, представляющих кодовые символы 0 и 1 каждый из которых приводит к переключению ПУ.

      Очевидно, что быстродействие зависит от общей  длительности переходного процесса, возникающего при воздействии переключающего сигнала и обусловленного инерционностью транзистора и перезарядом паразитных емкостей в процессе переключения. В рассматриваемой схеме ПУ обычно процесс переключения из состояния логического 0 в состояние логической 1 происходит медленнее и определяется процессом заряда нагрузочной емкости С_н через резистор R_н.

      Если  выбрать транзистор VT, у которого граничная частота переключения в несколько раз выше заданной частоты переключения ПУ, то при запирании транзистора его инерционностью можно пренебречь и длительность t^0,1 можно рассчитать, исходя из упрощенной схемы:

t^0,1 = 2,3R_кС_н,

где С_н = nС_вх + С_м;

   где: n - нагрузочная способность ПУ;

С_вх - входная емкость КМДП-элемента;

С_м - емкость монтажа.

      Если  задана частота переключения ПУ –  f, то время переключения и необходимо обеспечить условие

f^0.1 £ t_пер.                                                    (10)

      Если  частота переключения f не задана, то спроектировать ПУ нужно так, чтобы он не ухудшал быстродействия цифрового устройства, в котором он используется, т.е. должно выполняться неравенство:

f^0.1 £ t_макс.                                                   (11)

где: f’^0,1 – наибольшее время задержки распространении сигнала дин ТТЛ и КМДП-элементов, t^0,1_макс = max(t^0,1_{эд р ттл}, t^0,1 _{эд р кмдп}).

      Значения  резисторов R_к и R_б определяются из условий двухсторонних ограничений, изложенных ниже.          

      Из  условия, что напряжение на выходе ПУ не должно быть меньше напряжения U¹_кмдп, для наихудшего соотношения параметров определяем первое ограничение сверху на величину R_к:

                                     (12)

   где: - минимальное напряжение питания при заданном допуске;

    - максимальное значение входного  тока КМДП-элемента и обратного  тока коллектора транзистора  VT, которые достигаются при максимальной температуре Т_макс заданного температурного диапазона работы ПУ.

      Для нахождения и можно использовать известное упрощенное выражение, описывающее зависимость обратного тока р-n-перехода I₀ от температуры окружающей среды Т,

где: Т^* - приращение температуры, при которой обратный ток I₀(Т₀) удваивается (Т^* » (8 ¸ 10)° С для германия и Т^* » (6 - 7)° С для кремния);

   Т – температура, при которой определяют ток I₀;

I₀(Т₀) – ток I₀ при некоторой исходной температуре Т₀, который приводится в справочнике.

      Второе  ограничение сверху на величину R_к определяется требованиями обеспечения заданного быстродействия ПУ (формулы (9) и (10))

                                                  (13, а)

при выполнении условия, что спроектированный ПУ не ухудшит быстродействие электронной  схемы, построенной на ТТЛ и КМДП-элементах (формулы (9) и (11))

                                             (14)

где: - максимальное напряжение питания при заданном допуске.

      Таким образом, получаем двустороннее ограничение  на величину R_к – формулы (12) – (14).

      С точки зрения уменьшения мощности, потребляемой ПУ необходимо выбрать  величину R_к наибольшей, удовлетворяющей двустороннее ограничение и в соответствии со стандартным рядом номиналов резистора.