ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БАЗОВОГО ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ТТЛ СО СЛОЖНЫМ ИНВЕРТОРОМ

Музылева И.В.¹, Музылев К.А.², Пикалов В.В.³ , Белокопытов Р.Н.⁴

¹ORCID: 0000-0001-5958-5144, Кандидат технических наук, доцент, ²ORCID 0000-0003-2014-6114, Магистрант, ³ORCID 0000-0003-2414-9689, Лаборант, ⁴ ORCID 0000-0001-8203-1318, Аспирант, Липецкий государственный технический университет

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БАЗОВОГО ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ТТЛ СО СЛОЖНЫМ ИНВЕРТОРОМ

 Аннотация

Статья посвящена физической модели базового логического элемента И-НЕ, реализованного по технологии транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Подробно рассмотрена функциональная схема варианта со сложным инвертором, приведены результаты её моделирования в программной среде Multisim. Проанализирована работа модели в различных режимах. Представлена принципиальная схема стенда с подключением электроизмерительных приборов. Раскрыта возможность его эффективного использования при изучении основ автоматики и электроники.

Ключевые слова: ТТЛ, лабораторный стенд по автоматике, лабораторный стенд по электронике, транзисторно-транзисторная логика.

Muzyleva I.V.¹, Muzylev K.A.², Pikalov V.V.³, Belokopytov R.N.⁴

¹ORCID: 0000-0001-5958-5144, PhD in Engineering, Associate professor, ²ORCID 0000-0003-2014-6114, Undergraduate student, ³ORCID 0000-0003-2414-9689, Laboratory assistant, ⁴ORCID 0000-0001-8203-1318, Postgraduate student, Lipetsk State Technical University

PHYSICAL MODELING OF THE BASIC LOGICAL ELEMENT OF TTL WITH A COMPLEX INVERTER

 Abstract

The article is devoted to the topic of physical model of the basic logical element of NAND, implemented with the help of transistor-transistor logic (TTL) technology. Functional scheme of the variant with a complex inverter is considered in detail, the results of its simulation in the Multisim software environment are presented. The work of the model in various modes is analyzed. Basic scheme of the stand with the connection of electrical measuring instruments is presented. The possibility of its effective use in studying the fundamentals of automation and electronics is discussed.

Keywords: TTL, laboratory stand on automation, laboratory stand on electronics, transistor-transistor logic.

На начальном этапе изучения дисциплины «Элементы систем автоматики» [1] сложным для понимания является переход от аналоговой элементной базы к дискретному представлению логических функций. Особое затруднение всегда вызывает раздел, посвященный реализации логических элементов на биполярных транзисторах [2]. Для преодоления этого затруднения разработан лабораторный стенд «Базовые схемы ТТЛ», предназначенный для наглядного изучения внутренней структуры логических микросхем и отработки навыков отладки транзисторных электрических схем. Он позволяет осуществить настройки схемы и оценить соотношение рабочих параметров её элементов.

В основе работы стенда лежит физическое моделирование базового элемента, реализующего логическую функцию И-НЕ по одной из основных технологий изготовления интегральных схем среднего и высокого быстродействия - транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). Рассматривается наиболее популярный вариант с включением транзистора в буферной схеме в качестве нагрузки.

Функциональная реализация предлагаемой физической модели отличается от своего интегрального прототипа [3, с. 91] наличием потенциометров и цепи визуализации выхода (рис. 1), позволяющим проводить исследование параметров.

Конъюнкция сигналов A и B, поступающих на входы, реализуется на много-эмиттерном транзисторе VT1 (рис. 1). При подаче хотя бы одного логического нуля на его эмиттеры (для определённости – на вход A) образуется следующий путь протекания тока: +5 В, потенциометр R1, переход между базой и верхним эмиттером, общая точка. При этом транзистор VT2 закрыт: потенциал на его коллекторе будет практически равен потенциалу источника питания, а потенциал на эмиттере - потенциалу земли. Таким образом, база транзистора  VT3 оказывается подключенной к  + 5 В, и он открывается.  В это же время на базе VT4 - потенциал земли, поэтому он остаётся закрытым. Следовательно, выходная цепь (R3, VT3, VD1, VT4) разомкнута, ток по ней не протекает, падения напряжения нет, следовательно, в точке Y будет потенциал источника питания, Y=1. При этом замыкается цепь визуализации через диод VD2: + 5 В, R3, VT3, VD1, R5, VD2, земля. Диод VD1 предназначен для создания разности потенциалов между эмиттером VT3 и коллектором VT4.

Таким образом, выполняется правило И-НЕ [4, с. 10]: при подаче хотя бы одного логического нуля на выходе схемы получаем Y=1, о чём свидетельствует включенный светодиод VD2.

Рис. 1 - Функциональная схема элемента ТТЛ со сложным инвертором

В состоянии А=B=1 ток протекает по пути: +5 В, резистор R2, транзистор VT2, резистор R4, земля.

Состояние транзисторов VT3 и VT4 будет определяться величиной сопротивлений потенциометров R2 и R4. Для корректной работы логического элемента они подбираются такими, чтобы оба транзистора были открыты: падение напряжения на потенциометре R2 поддерживает открытое состояние VT3, а падение напряжения на потенциометре R4 поддерживает открытое состояние VT4. В этом случае путь тока: +5 В, резистор R4, транзистор VT3,  диод VD1, транзистор VT4,  земля. Следовательно, на выходе Y будет потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом транзисторе VT3,  примерно равный  0,4 В. Таким образом, Y=0.

Поскольку цепь визуализации (резистор R5 и светодиод VD2) имеет большее сопротивление, чем открытый транзистор VT4, ток по ней не протекает, светодиод не горит, что соответствует визуализации логического нуля на выходе логического элемента.

Физическая модель рассмотренной схемы реализована на транзисторах 2n5551. Предварительная проверка её работоспособности осуществлена в программе Multisim (рис. 2 и 3) с подбором постоянных резисторов в первом приближении.

Много-эмиттерный транзистор реализован  за счёт параллельного подключения транзисторов Q1 и Q2 (соединены их базы и коллекторы).

При заземлении эмиттера хотя бы одного из этих транзисторов, т.е. при подаче логического нуля хотя бы на один вход с помощью переключателей S1 и S2, соответствующие транзисторы начинают работать в режиме насыщения (рис. 2). При этом транзистор Q3 закрывается. Потенциал, приходящий на базу транзистора Q4, мал и ток через резистор R5 не протекает, поэтому ток базы транзистора Q4 близок к нулю. Его величина недостаточна для открытия транзистора Q4. Резистор R7 выбран таким образом, чтобы транзистор Q5 работал в режиме эмиттерного повторителя.  Через транзистор Q5 и диод D1протекает ток нагрузки логического элемента.  Для визуального отображения уровня выходного сигнала используется светодиод LED1. Резистор R6 является токоограничивающим, он предназначен для обеспечения допустимого значения тока через светодиод.

Если на эмиттеры обоих транзисторов Q1 и Q2 подаётся уровень питания, т.е. логическая единица (рис. 3), то закрыты все их эмиттерные переходы. Следовательно, ток, протекая через резистор R1, проходит через открытый коллекторный переход в базу транзистора Q3, открывая его. Ток протекает через резистор R4 и открытый транзистор Q3. Усиленный ток с эмиттера транзистора Q3 протекает в базу выходного инвертирующего транзистора Q4, открывая его до состояния насыщения, тем самым замыкая выход на землю.

Рис. 2 - Моделирование в Multisim режима А=0, B=1

Рис. 3 - Моделирование в Multisim режима А=1, B=1

Технические параметры модели, представленной на рис. 2 и 3:

• напряжение питания 5 В DC;
• потребление тока:
  • 16,5 мА при наличии логической единицы на выходе;
  • 157,7 мА при наличии логического нуля на выходе.

Основой стенда является печатная плата, изготовленная по методике, представленной в [5]. Её принципиальная схема показана на рис. 4. На ней показано подключение не входящих в состав стенда электроизмерительных приборов: амперметров А1 и А2 и вольтметра V1.

Рис. 4 - Принципиальная схема стенда

При выполнении лабораторной работы кроме нормальных режимов работы логического элемента можно моделировать и режим разрушения логической единицы, что способствует чёткому пониманию соответствия диапазонов аналоговых величин и уровней цифровых сигналов.

Стенд успешно применяется в лабораторном практикуме дисциплины «Элементы систем автоматики» по образовательным программам направлений «Электроэнергетика и электротехника» и «Мехатроника и робототехника».

Список литературы / References

1. И.В. Музылева. Элементы систем автоматики [Электронный ресурс] / И.В. Музылева //Изучаем цифровую технику. Преподавательский сайт Инны Васильевны Музылевой. –URL: http://cifra.studentmiv.ru/elementyi-sistem-avtomatiki(дата обращения: 30.03.17).
2. Музылева И.В. Основы цифровой техники[Электронный ресурс] / И.В. Музылева //Учебный курс в Национальном открытом университете ИНТУИТ. – URL: http://www.intuit.ru/studies/courses/4734/541/lecture/12194 (дата обращения: 30.03.17).
3. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники / А.Г. Алексеенко. – 3-е изд. – М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. – 448 с.
4. Музылева И.В. Элементная база для построения цифровых систем управления / И.В. Музылева. – М: Техносфера, 2006. – 144 с.
5. Музылева И. В. Проектирование печатных плат: метод. указ. к практическим занятиям по дисциплине «Схемотехника дискретных устройств»/ И.В. Музылева, В.В. Пикалов. - Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2015. – 12 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. V. Muzyleva. Elementy sistem avtomatiki [Elements of automation systems] [Electronic resource] / I.V. Muzyleva // Izuchayem tsifrovuyu tekhniku. Prepodavatel'skiy sayt Inny Vasil'yevny Muzylevoy [We study digital equipment. Teaching site of Inna Vasilyevna Muzyleva]. - URL: http://cifra.studentmiv.ru/elementyi-sistem-avtomatiki (accessed: 30.03.2017). [in Russian]
2. Muzyleva I.V. Osnovy tsifrovoy tekhniki [Fundamentals of digital technology] [Electronic resource] / I.V. Muzyleva // Uchebnyy kurs v Natsional'nom otkrytom universitete INTUIT. - URL: http://www.intuit.ru/studies/courses/4734/541/lecture/12194 (accessed: 30.03.2017). [in Russian]
3. Alekseyenko A.G. Osnovy mikroskhemotekhniki [Fundamentals of microcircuitry] / A.G. Alekseyenko. – 3rd edition. - M.: YUNIMEDIASTAYL, 2002. - 448 p. [in Russian]
4. Muzyleva I.V. Elementnaya baza dlya postroyeniya tsifrovykh si-stem upravleniya [Element base for building digital control systems] / I.V. Muzyleva. - M: Tekhnosfera, 2006. - 144 p. [in Russian]
5. Muzyleva I. V. Proyektirovaniye pechatnykh plat: metod. ukaz. k prakticheskim zanyatiyam po distsipline «Skhemotekhnika diskretnykh ustroystv» [Design of printed circuit boards: method. decree to practical lessons on discipline "Circuitry of Discrete Devices"] / I.V. Muzyleva, V.V. Pikalov. - Lipetsk: Izd-vo Lipetskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2015. - 12 p. [in Russian]