Система моделювання Electronics Workbench
Вступ
Electronics Workbench (EWB) — розробка фірми Interactive ImageTechnologies (www.interactiv.com). Особливістю програми EWB є наявністьконтрольно-вимірювальних приладів; по зовнішньому вигляді, органах керування іхарактеристиках максимально наближених до їхніх промислових аналогів, що сприяєпридбанню практичних навичок роботи з найбільш розповсюдженими приладами:мультиметром, осцилографом, вимірювальним генератором і ін. Програма легко освоюєтьсяі досить зручна в роботі. Після складання схеми і її спрощення шляхомоформлення підсхем моделювання починається щигликом звичайного вимикача.
Історія створення програми Electronics Workbench (EWB) починаєтьсяз 1989 р. Ранні версії програми складалися з двох незалежних частин. Задопомогою однієї половини програми можна було моделювати аналогові пристрої задопомогою іншої — цифрові. Такий роздвоєний стан створював визначенінезручності, особливо при моделюванні змішаних аналого-цифрових пристроїв. У1996 р. у версії 4.1 ці частини були об'єднані, а через півроку була випущенап'ята версія програми з розширеними можливостями при розмірному аналізі вобсязі програми Micro-Cap V і переробленою бібліотекою компонентів. Додатковізасоби аналізу ланцюгів у EWB 5.0 виконані в типовому для всієї програми ключі— мінімум зусиль з боку користувача. Подальшим розвитком EWB є програма EWBLayout, призначена для розробки друкованих плат, а також EWB версії 6.02.
Програма EWB має наступність знизу нагору, тобто всі схеми,створені у версіях 3.0 і 4.1, можуть бути промодельовані у версії 5.0. Крімтого EWB дозволяє також моделювати пристрої, для яких завдання на моделюванняпідготовлено в текстовому форматі SPICE, чим забезпечується сумісність ізпрограмами Micro-Cap і PSpice .
Програма EWB 4.1 розрахована для роботи в середовищі Windows З.ххабо 95/98 і займає близько 5 Мбайт дискової пам'яті, EWB 5.0 — у середовищіWindows 95/98 і NT 3.51, необхідний обсяг дискової пам'яті — близько 16 Мбайт.Для розміщення тимчасових файлів потрібно додатково 10...20 Мбайт вільногопростору.
1. Структура вікна і система меню
Робочі вікна програм версій 4.1 і 5.0 показані на мал. 1.1 і 1.2відповідно.
Вікно програми EWB 4.1 (мал. 1.1) містить поле меню, лінійкуконтрольно-вимірювальних приладів і лінійку бібліотек компонентів, одна з якиху розгорнутому виді показана в лівій частині вікна. У робочому полі програмирозташовується моделююча схема з підключеними до неї іконкамиконтрольно-вимірювальних приладів і короткий опис схеми (description), нажаль,тільки англійською мовою. При необхідності кожний із приладів може бутирозгорнутий для установки режимів його роботи і спостереження результатів.Лінійки прокручування використовуються тільки для переміщення схеми.
Вікно програми EWB 5.0 (мал. 1.2) відрізняється додатковим менюAnalysis, наявністю лінійки інструментів і більш компактним представленнямбібліотек у розгорнутому виді. Крім того, лінійка контрольно-вимірювальнихприладів розташована в одному полі з бібліотеками компонентів. Варто згадатитакож про наявність підсвічуваних підказок призначення всіх кнопок.
Подальший виклад матеріалу будемо вести паралельно по програмахверсій 4.1 і 5.0, причому спочатку буде розглядатися версія 4.1, як більшпростому і доступна, а потім у плані відмітних ознак і додаткових можливостей —версія 5.0.
Розглянемо команди меню програми EWB 4.1 у порядку їхньогопроходження на мал. 1.1.
1.1 Меню File
Меню File призначено для завантаження і запису файлів, одержаннятвердої копії обраних для друкування складових частин схеми, а також дляімпорту/експорту файлів у форматах інших систем моделювання і програм розробкидрукованих плат.
/>
Мал.1.1. Вікнопрограми EWB 4.1.
/>
Мал 1.2.Вікнопрограми EWB 5.0
1. Перші чотири команди цього меню: New (Ctrl+N), Open… (Ctrl+O),Save (Ctrl+S), Save As… — типові для Windows команди роботи з файлами і по цьомупояснень не вимагають. Для цих команд у п'ятої версії існують кнопки (іконки)зі стандартним зображенням. Схемні файли програми EWB мають наступнірозширення:.саЗ H.cd3 — аналогові і цифрові схеми для EWB 3.0,.са4 —аналого-цифрові схеми для EWB 4.1 H.ewb — аналогові-цифрові схеми для EWB 5.O.
2. Revent to Saved… — стирання всіх змін, внесених у поточномусеансі редагування, і відновлення схеми в первісному виді.
3. Print… (CTRL+P) — вибір даних для висновку на принтер: Schematic— схеми (опція включена за замовчуванням); Description — опису до схеми;
Part list — переліку виведених на принтер документів; Label list —списку позначень елементів схеми; Model list — списку наявних у схемікомпонентів;
Subcircuits — підсхем (частин схеми, що є закінченими функціональнимивузлами й позначаємих прямокутниками з назвою усередині);
Analysis options — переліку режимів моделювання; Instruments —списку приладів (див. гл. 3).
У цьому ж підменю можна вибрати опції друкування (кнопка Setup) івідправити матеріал на принтер (кнопка Print). У програмі EWB 5.0 передбаченатакож можливість зміни масштабу виведених на принтер даних у межах від 20 до500%.
4. Print Setup… — настроювання принтера.
5. Exit (ALT + F4) — вихід із програми.
6. Install… — установка додаткових програм із гнучких дисків.
7.Import from SPICE — імпорт текстових файлів опису схеми ізавдання на моделювання у форматі SPICE (з розширенням.cir) і автоматичнапобудова схеми по її текстовому описі.
8.Export to SPICE — складання текстового опису схеми і завдання намоделі у форматі SPICE.
7. Export to PCB — складання списків з'єднань схеми у форматі OrCAD іінших програм розробки друкованих плат.
Однойменне меню програми EWB п'ятої версії відрізняється відрозглянутого тим, що в підменю Import/Export передбачені можливості обмінуданими з програмою розробки друкованих плат EWB Layout.
1.2 Меню Edit
Меню Edit дозволяє виконувати команди редагування схем ікопіювання екрана.
1. Cut (CTRL+X) — стирання (вирізання) виділеної частини схеми зізбереженням її в буфері обміну (Clipboard). Виділення одного компонентавиробляється кліком миші на зображенні (значку) компонента. Для виділеннячастини схеми або декількох компонентів необхідно поставити курсор миші в лівийкут уявного прямокутника, що охоплює виділювану частину, натиснути ліву кнопкумиші і, не відпускаючи її, простягнути курсор по діагоналі цього прямокутника(косинця), контури якого з'являються вже на початку руху миші, і потімвідпустити кнопку. Виділені компоненти офарбовуються в червоний колір.
2. Copy (CTRL+C) — копіювання виділеної частини схеми в буфер обміну.
3. Paste (CTRL+V) — вставка вмісту буфера обміну на робоче полепрограми. Оскільки в EWB немає можливості поміщати імпортоване зображення схемиабо її фрагмента в точно зазначене місце, то безпосередньо після вставки, колизображення ще є відзначеним (виділене червоним) і може виявитися накладеним настворювану схему, його можна перемістити в потрібне місце клавішами курсору абосхопивши мишею за один з відмічених компонентів. У такий же спосібпереміщаються і попередньо виділені фрагменти вже наявної на робочому полісхеми.
4. Delete (Del) — стирання виділеної частини схеми.
5. Select All (CTRL+A) — виділення всієї схеми.
6. Copybits (CTRL+I) — команда перетворює курсор миші в хрестик, яким за правиломпрямокутника можна виділити потрібну частину екрана, після відпускання лівоїкнопки миші виділена частина копіюється в буфер обміну, після чого його вмістможе бути імпортований в будь-який додаток Windows. Копіювання всього екранавиробляється натисканням клавіші Print Screen; копіювання активної в даниймомент частини екрана, наприклад, діалогового вікна — комбінацією Alt+PrintScreen. Перераховані команди дуже зручні при підготовці звітів по моделюванні,наприклад, при оформленні лабораторних робіт.
7. Show Clipboard — показати вміст буфера обміну.
Однойменне меню EWB 5.0 аналогічно розглянутому, за винятком назвикоманди копіювання екрана в п. 6. Вона називається Copy As Bitmap і, нажаль, немає клавіатурного дублювання (комбінації CTRL+I для EWB 4.1), що в деякихвипадках утрудняє можливість копіювання елементів схеми.
/>
/>
Мал.1.3.Вікно вводу позиційного значення резистора.
/>
Мал1.4. Вікно вводу номінального значення компонента.
/>
Мал1.5. Меню вибору моделі операційного підсилювача з можливістю редагування йогопараметрів.
6. Model… (CTRL+M) — вибір моделі компонента(напівпровідникового приладу, операційного підсилювача, трансформатора й ін.);команда виконується також подвійним щигликом по компоненті. У меню команди(мал. 1.5) вибираються:
Library — перелік бібліотек, у яких знаходяться компонентиобраного типу;
Model -перелік моделей компонентів обраної бібліотеки;
Bd-після натискання цієї кнопки викликається діалогове вікно зпараметрами вибраної моделі, показане для операційного підсилювача на мал. 1.6.При необхідності редагування доцільно по команді New Library створити окремубібліотеку (щоб не псувати параметри бібліотечного компонента), кудипереноситься компонент, що редагується, за допомогою команд:
Сору — копіювання відзначеного в колонку Model компонента в буферобміну;
Paste — вставка скопійованої в буфер обміну моделі компонента вобрану в колонку Library бібліотеку (у тому числі і знову створену) з наступнимредагуванням її параметрів без зміни характеристик компонента основноїбібліотеки;
Rename — перейменування відзначеної моделі компонента.
/>
Мал.1.6.Вікно редагування параметрів моделі операційного підсилювача
Робота з меню, як і у всіх інших подібних випадках, закінчуєтьсянатисканням кнопок Accept або Cancel — зі збереженням або без збереженнявведених змін.При створенні бібліотеки моделей вітчизняних компонентів доцільнодіяти в наступній послідовності:
Ø створитибібліотеку, наприклад, під ім'ям rus_lib;
Ø скопіювати в цюбібліотеку модель компонента, найбільш близького по параметрах до вітчизняногокомпонента;
Ø перейменувати скопійованумодель, привласнивши їй, наприклад, ім'я K140UD5 (латинська транскрипціяДО140УД5);
Ø при необхідностівідредагувати значення параметрів перейменованої моделі, використовуючи данікаталогів вітчизняних мікросхем або літературних джерел [4 — 11].
7. Zoom (CTRL+Z) — розкриття (розгортання) виділеної підсхеми абоконтрольно-вимірювального приладу, команда виконується також подвійнимклацанням миші по іконці компонента або приладу.
8. Rotate (CTRL+R) — обертання виділеного компонента; більшістькомпонентів повертаються по годинній стрілці (у EWB 5.0 — проти) на 90° прикожному виконанні команди, для вимірювальних приладів (амперметр, вольтметр іін.) міняються місцями клеми підключення; команда використовується припідготуванні схем. У готовій схемі користуватися командою недоцільно, оскількице найчастіше приводить до плутанини, — у таких випадках компонентів потрібноспочатку відключити, а потім обертати.
9. Fault (CTRL+F) — імітація несправності виділеного компонента шляхомвведеня:
Leakage — опору витоку;
Short — короткого замикання;
Open — обриву;
None — несправність відсутня (включена за замовчуванням).
10. Subcircuit… (CTRL+B) — перетворення попереднє виділеноїчастини схеми в підсхему. Виділювана частина схеми повинна бути розташованатаким чином, щоб у виділену область не потрапили не стосовні до неї провідникиі компоненти. У результаті виконання команди викликається діалогове вікно, урядку Name якого вводиться ім'я підсхеми, після чого можливі наступні варіанти:
Copy from Circuit — підсхема копіюється з зазначеною назвою вбібліотеку Custom без внесення змін у вихідну схему;
Move from Circuit — виділена частина вирізує з загальної схеми й увиді підсхеми з привласненим їй ім'ям копіюється в бібліотеку Custom;
Replace in Circuit — виділена частина заміняється у вихідній схеміпідсхемою із привласненим їй ім'ям з одночасним копіюванням у бібліотекуCustom.
Для перегляду або редагування підсхеми потрібно двічі клацнутимишею по її значку. Редагування підсхеми виробляється за загальними правиламиредагування схем. При створенні додаткового висновку необхідно з відповідноїкрапки підсхеми курсором миші простягнути провідник до краю її вікна до появинезафарбованої прямокутної контактної площадки, після чого відпустити лівукнопку миші. Для видалення висновку необхідно курсором миші схопитися за йогопрямокутну площадку в краю вікна підсхеми і винести її за межі вікна.
Як приклад на мал. 1.7. приведена підсхема sensor підсилювача, щонеінвертує, на ОП, використовуваного у фільтрі (див. мал. 1.22). Тут доречновідзначити, що введення в підсхему «землі» недоцільно, оскільки привеликій кількості таких підсхем сповільнюється процес моделювання. Тому в схеміна мал. 1.7 для резистора R передбачений окремий висновок, що у схемі фільтрана мал. 1.22 заземлюється.
/>
Мал.1.7.Підсхема сенсор.
/>
Мал.1.8.Вибіркольору провідника.
/>
Мал.1.9.Вибірелементів оформлення схеми.
11.Wire Color… — зміна кольорупопередньо виділеного провідника (виділений провідник товщає). Більш простийспосіб виконання команди — подвійний щиглик мишею на провіднику, після чого вменю (мал. 1.8) вибирається один із шести пропонованих кольорів. Необхідністьрозцвічення особливо важлива для провідників, що з'єднують контрольні крапки(вузли) схеми з осцилографом або логічним аналізатором, — у цьому випадку колірпровідника визначає колір осцилограми.
12.Preferences… (CTRL+E) — вибірелементів оформлення схеми відповідно до меню (див. мал. 1.9), у якому опціїмають наступні призначення:
Show grid — показувати сітку для зручності малювання схеми (зазамовчуванням ця опція виключена, інші включені); опція активна тільки привключеній опції Use grid — використовувати сітку;
Show labels — показувати позиційні позначення компонентів,наприклад, Cl, C2 для конденсаторів;
Show models — показувати найменування моделей компонентів,наприклад, типів транзисторів;
Show values — показувати номінали компонентів, наприклад, опорурезисторів.
Слід зазначити, що в програмі EWB 3.0 у розглянутій команді можнабуло використовувати пароль. Наприклад, висновок на екран номінальних значенькомпонентів або їхніх типів можливий тільки при знанні пароля. А це дозволяло,у свою чергу, навмисно вводити сховані в такий спосіб несправності компонентіві відпрацьовувати учнями навички їхнього пошуку.
/>
Мал.1.12.Вікно вибору режимів моделювання.
13. Analysis Options… (RL+Y) — вибір режимів моделювання вдіалоговому вікні (див. мал. 1.12) з установкою наступних опцій:
Transient — розрахунок перехідних процесів після включення джерелаживлення (результати представляються на екрані осцилографа в графічному виді);
Steady-state — розрахунок стаціонарного режиму схеми (режиму попостійному струмі);
Assume linear operation — при розрахунку прийняти лінеаризованумодель активних компонентів (Active Component Simulation);
Pause after each screen — пауза після заповнення екранаосцилографа (Oscilloscope Display);
Store results for all nodes — збереження (запам'ятовування)результатів моделювання для всіх контрольних крапок (вузлів) схеми;
Tolerance — завдання припустимої похибки моделювання (зазамовчуванням 1%); чим менша похибка моделювання, тим більша витрати часу намоделювання;
Time domain points per cycle — вибір кількості відрахунківвідображуваного на екрані осцилографа сигналу (за замовчуванням — 100 крапок наперіод, може бути збільшене у 100 разів). Зі збільшенням кількості відрахунківформа сигналу розраховується більш точно при одночасному уповільненні процесумоделювання; у деяких випадках занижене (установлене за замовчуванням) значенняпараметра може привести до істотних перекручувань результатів моделювання;
Bode Analysis points per cycle — вибір кількості розрахунковихкрапок для відображення результатів моделювання на екрані вимірникаамплітудно-частотних і фазово-частотних характеристик; збільшення кількостікрапок дозволяє зменшити похибку від дискретності установки візирної лінійки поосі X (осі частот).
Temporary file size for simulation [Mb] — розмір тимчасового файлудля збереження результатів моделювання (за замовчуванням 10 Мбайт), принеобхідності може бути змінений.
Меню Circuit у п'ятої версії EWB помітно відрізняється відрозглянутого. Відмінності полягають у наступному:
1. Виключено команди по пп. 1, 2 і 3, вони перенесені в менюAnalysis і можуть виконуватися також натисканням кнопок/>,/>.
2. Уведено додаткові команди керування розташуваннямграфічного зображення компонентів: Flip Horizontal — дзеркальне відображеннякомпонента по горизонталі і Flip Vertical — те ж, але по вертикалі. Команди Rotate,Flip Horizontal і Flip Vertical можуть бути виконані також натисканням кнопок />.
Введені доповнення дуже корисні, оскільки істотно розширюютьможливості оформлення схем. Наприклад, у версіях 3.0 і 4.1 не вдавалосявідповідним чином розташувати на схемі транзистори, конденсатори перемінноїємності й інші компоненти у відповідності зі стандартами. Як приклад на мал.1.13 приведені результати застосування зазначених команд для перетворенняграфічного зображення конденсатора перемінної ємності: на мал. 1.13, а —зображення конденсатора у вихідному стані, на мал. 1.13, б — після застосуваннякоманди Rotate (поворот на 90 проти годинниковох стрілки), на мал. 1.13, у —після застосування команди Flip Horizontal (дзеркальне відображення погоризонталі) і на мал. 1.13, м — після застосування команди Flip Vertical(дзеркальне відображення по вертикалі).
/>
а) б) в) г)
3. Команди по пп. 4, 5 і 6 об'єднані в команду ComponentProperties (властивості компонента). Команда виконується також після подвійногоклацання по компоненту або натискання кнопки/>, При виконанні команди відкривається діалогове вікно (мал.1.14) з декількох закладок. Зміст закладки Label відповідає команді по п. 4 завинятком рядка Reference ID: у ній вказується позиційне позначення компонента,використовуване надалі при виконанні команд меню Analysis. При виборі закладкиValue задаються номінальний опір компонента (резистора), значеннялінійного(ТС1), квадратичного (ТС2), температурних коефіцієнтів опору. Зобліком цих параметрів дійсний опір резистора Rд визначається вираженням[2]:
RД =R(1+ТС1(Т-Тn)+ТС2(Т-Тn)2)
де R — номінальний опір резистора; Tn= 27C — номінальнатемпература; Т — поточне значення температури резистора.
/>
Мал.1.14.Діалогове вікно команди Component (закладка Fault).
Привиборі закладки Fault (мал. 1.14, а) приводяться умови моделювання по п. 9 інабір висновків компонента з опцією на кожен висновок, що дозволяє вибірковоімітувати ту або іншу несправність. Наприклад, якщо потрібно імітуватипорушення контакту висновку 1 резистора, то в цьому випадку включаються опції 1і Open (відкрита — обривши). Уведення таких дефектів у схему дозволяєвідпрацьовувати учнями навички пошуку і локалізації несправностей.
Привиборі закладки Display задається характер висновку на екран позначенькомпонента; при виборі опції Use Schematic Options global settingвикористовуються установки, прийняті для всієї схеми, у протилежному випадкувикористовується індивідуальне настроювання висновку на екран позиційногопозначення і номінального значення для кожного компонента.
Діалогове вікно при виборі закладки Analysis Setup дозволяєустановити температуру для кожного компонента індивідуально або використовуватиїї номінальне значення, прийняте для всієї схеми (Use global temperature).
Для активних компонентів меню команди Component Properties міститьменю Models, за допомогою якого вибирається тип бібліотечного компонента,редагуються його параметри, створюється нова бібліотека і виконуються іншікоманди по п. 6 (див. мал.1.6).
а) />
б) />
Мал.1.15. Вікно команди Schematic Options, закладки Fonts (а) з установкоютипу шрифта і його атрибутів (б).
Уведено додаткові команди: масштабування схеми: збільшення Zoom In і зменшенняZoom Out із указівкою масштабу в діапазоні 50 — 200%. Такі команди можуть бутивиконані також за допомогою мнемонічних засобів з її стандартним позначенням:/>.
5. Замість команди Preferences (п. 12) уведена команда SchematicOptions, діалогове вікно якої (мал. 1.15) складається з ряду закладок. ЗакладкиGrid у Show/Hide, у порівнянні з EWB 4.1, містять наступні додаткові опції:
Show Nodes — показувати нумерацію нод — усіх крапок з'єднаннякомпонентів;
Autohide part bins — за замовчуванням не показувати складбібліотеки компонентів використовуваної в даній схемі;
Keep parts bin positions — зберігати положення використовуваноїбібліотеки компонентів на екрані при оформленні схеми. Звичайно вибір новоїбібліотеки компонентів приводить до вимикання попередньої. Для збереження наекрані зразу декількох бібліотек їх необхідно рознести по екрані, при цьому їхположення при виборі нової бібліотеки залишиться незмінним.
При виборі закладки Fonts (мал. 1.15, а) можна установити тип (Fontname і розмір (Font size) шрифту роздільно для позначення компонента (кнопка Selabel font) і номінального значення його параметра (кнопка Set value font). Iякості приклада на мал. 1.15, б показане вікно установки типу і розміру шрифтапозначення компонента. Помітимо, що для міток (і тільки) можна вибрати шрифтикирилиці Ма Суг і Mt Cyr (для EWB 5.0с).
/>
Мал.1.16. Вікно команди Schematic Options, закладка Wiring.
Вікно команди Schematic Options при виборі закладки Wiring (мал.1.16) містить опції, зв'язані з прокладкою провідників на схемі й організацієюїхніх взаємних з'єднань (Routing options), видаленням провідників (Rewiringoptions) і з'єднань (Auto-delete connectors — автоматичне видаленняневикористовуваних з'єднань, наприклад, що дублюють один одного). При виборізакладки Printing можна установити масштаб виведеної на принтер інформації.Варто помітити, що в мережній версії EWB 5.0з передбачена (за аналогією з EWB3.0) установка пароля і режиму «тільки для читання» (менюCicuit/Restrictions..., закладка General), що обмежує доступ до інформації звведеного в схему несправностям, за схемою підсхеми, по використовуваним усхемі моделям компонентів і їхніх номінальних значень (наприклад, опорамрезисторів) (закладка Componets) і можливостям вибіркового використаннярозглянутих нижче методів аналізу з меню Analysis (однойменна закладка у вікніменю Cicuit/Restrictions...).
2. Створення схем
У даній главі розглядається процес підготовки схем, складбібліотек компонентів EWB 4.1 і 5.0 і їхні короткі характеристики.
2.1 Технологія підготовки схем
Перш ніж створювати креслення принципової схеми засобами програмиЕWB, необхідно на листі папера підготувати її ескіз зі зразковим розташуваннямкомпонентів і з урахуванням можливості оформлення окремих фрагментів у видіпідсхем. Доцільно також ознайомитися з бібліотекою готових схем програми длявибору аналога (прототипу) або використання наявних рішень у якості підсхем.
У загальному випадку процес створення схеми починається зрозміщення на робочому полі EWB компонентів з бібліотек програми відповідно допідготовленого ескізу. Одинадцять розділів бібліотеки програми EBW 4.1 по черзіможуть бути викликані за допомогою меню Window або за допомогою іконок,розташованих під лінійкою контрольно-вимірювальних приладів (див. мал. 1.1).Каталог обраної бібліотеки розташовується у вертикальному вікні праворуч аболіворуч від робочого поля (встановлюється в будь-яке місце перетаскуваннямстандартним способом — за шапку заголовка). Для відкриття каталогу потрібноїбібліотеки необхідно підвести курсор миші до відповідної іконки і натиснутиодин раз її ліву кнопку, після чого сірий фон іконки міняється на жовтий.Необхідний для створення схеми значок (символ) компонента переноситься зкаталогу на робоче поле програми рухом миші при натиснутій лівій кнопці, післячого кнопка відпускається (для фіксування символу) і виробляється подвійнеклацання по значку компонента. У діалоговому вікні, що розкривається,установлюються необхідні параметри (опір резистора, тип транзистора і т.д.) івибір підтверджується натисканням кнопки Accept або клавіші Enter. На цьомуетапі необхідно передбачити місце для розміщення контрольних крапок і іконокконтрольно-вимірювальних приладів.
Якщо в схемі використовуються компоненти однакового номіналу(наприклад, резистори з однаковим опором), то номінал такого компонентарекомендується задати безпосередньо в каталозі бібліотеки і потім переноситикомпоненти в потрібній кількості на робоче поле. Для зміни номіналу компонентанеобхідно два рази клацнути мишею по символі його графічного зображення й упослу, що розкривається, цього вікні внести зміни.
При розміщенні компонентів схеми на робочому полі програми EWB 5.0можна скористатися динамічним меню, описаним наприкінці глави.
Після розміщення компонентів виробляється з'єднання їхніхвисновків провідниками. При цьому необхідно враховувати, що до висновкукомпонента можна підключити тільки один провідник. Для виконання підключеннякурсор миші підводиться до висновку компонента і після появі прямокутноїплощадки синього кольору натискається ліва кнопка і провідник, що з'являєтьсяпри цьому, протягається до висновку іншого компонента до появи на ньому такої жпрямокутної площадки, після чого кнопка миші відпускається, і з'єднання готове.При необхідності підключення до цих висновків інших провідників у бібліотеціPassive вибирається крапка (символ з'єднання) і переноситься на ранішевстановлений провідник. Щоб крапка почорніла (спочатку вона має червонийколір), необхідно клацнути мишею по вільному місцю робочого поля. Якщо цякрапка дійсно має електричне з'єднання з провідником, то вона цілкомофарблюється чорним кольором. Якщо на ній видний слід від провідника, щоперетинає, то електричного з'єднання немає і крапку необхідно установити заново.Після вдалої установки до крапки з'єднання можна підключити ще два провідники.Якщо з'єднання потрібно розірвати, курсор підводиться до одному з висновківкомпонентів або крапці з'єднання і з появою площадки натискається ліва кнопка,провідник приділяється на вільне місце робочого поля, після чого кнопкавідпускається. Якщо необхідно підключити висновок до наявного на схеміпровідникові, то провідник від висновку компонента курсором підводиться дозазначеного провідника і після появи крапки з'єднання кнопка мишівідпускається. Слід зазначити, що прокладка сполучних провідників виробляється автоматично,причому перешкоди — компонента й інших провідників — обгинаються поортогональних напрямках (по горизонталі або вертикалі).
Крапка з'єднання може бути використана не тільки для підключенняпровідників, але і для введення написів (наприклад, указівки величини струму впровіднику, його функціонального призначення і т.п.). Для цього необхідно двічіклацнути по крапці й у вікні, що розкрилося, увести необхідний запис (не більше14 символів), причому запис можна зміщати вправо шляхом уведення ліворучпотрібної кількості пробілів. Ця властивість може бути використано й у томувипадку, коли позиційне позначення компонента (наприклад Cl, R10) накладаєтьсяна поруч минаючий провідник або інші елементи схеми.
Якщо необхідно перемістити окремий сегмент провідника, до ньогопідводиться курсор, натискається ліва кнопка і після появи у вертикальній абогоризонтальній площині подвійного курсору виробляються потрібні переміщення.
Підключення до схеми контрольно-вимірювальних приладіввиробляється аналогічно. Причому для таких приладів, як осцилограф або логічнийаналізатор, з'єднання доцільно проводити кольоровими провідниками, оскількиїхній колір визначає колір відповідної осцилограми. Кольорові провідникидоцільні не тільки для позначення провідників однакового функціональногопризначення, але і для провідників, що знаходяться в різних частинах схеми(наприклад, провідники, шини даних до і після буферного елемента). Прикладитакого оформлення можна знайти в каталогах готових схем (див. файлadc-dacl.ca4).
При позначенні компонентів необхідно дотримувати рекомендацій іправил, передбачених ЄСКД (єдиною системою конструкторської документації). Щостосується пасивних компонентів, то при виборі їхніх позначень особливихтруднощів не виникає. Труднощі виникають при виборі активних елементів —:мікросхем, транзисторів і т.п., особливо при необхідності використаннякомпонентів вітчизняного виробництва, коли потрібно установити точнавідповідність функціональних позначень висновків і параметрів закордонних івітчизняних компонентів. Для полегшення цієї задачі можна скористатисятаблицями відповідності закордонних і вітчизняних компонентів..
При імпортуванні в створювану схему іншої схеми або її фрагментівдоцільно діяти в наступній послідовності:
командою File>Save As записати у файл створювану схему,указавши його ім'я в діалоговому вікні (розширення імені файлу вказувати необов'язково, програма зробить це автоматично);
командою File>Open завантажити на робоче поле імпортовану схемустандартним для Windows методом (деякі особливості описані наприкінці глави);
командою Edit>Select All виділити схему, якщо імпортується всясхема, або виділити її потрібну частину;
3. Елементна база
У цій главі приводяться короткі зведення про моделі компонентіврадіоелектронної апаратури (РЕА), що є в програмі EWB. Додаткові зведення потаких компонентах будуть приводитися в інших главах у міру їхнього використанняв конкретних схемах. Додаткова інформація про реальні елементи РЕА (умови йобласті застосування, класифікаційні параметри, конструктивні особливості йін.) поміщені в додатку 2.
3.1 Джерела струму
У загальному випадку джерела токи можуть бути представлені увигляді генератора напруги або генератора струму (див. розд. 5.1). Джереластруму поділяються на джерела постійного струму, змінного струму і керовані(функціональні) джерела. Крім того, вони підрозділяються на вимірювальніджерела і джерела для електроживлення.
Прикладом вимірювального джерела є розглянутий у гл. 3функціональний генератор. З джерел постійного струму в якості вимірювальногошироко використовується так називаний нормальний елемент (електрохімічнеджерело), що володіє високою стабільністю вихідної напруги і використовуваний увисокоточних зразкових установках для перевірки вольтметрів, амперметрів іінших вимірювальних приладів (див. розд. 16.6).
Джерела для електроживлення є самими масовими пристроями (див.додаток 6). Їх прийнято поділяти на первинні і вторинні. До первинних джерелвідносяться: електрогенератори, що перетворять механічну енергію в електричну, термоелектрогенератори,сонячні й атомні батареї, електрохімічні джерела. В вторинних джерелах струмувиробляється перетворення струму первинного джерела (див. гл. 12).
Джерела постійного струму в програмі EWB представлені на мал. 3.1.
/>
а) б) в) г)
Мал.3.1.Джерела постійного струму.
/>
Мал.3.2.Вікно задання ЕРС джерелу живлення.
Ідеальний (із внутрішнім опір Ri = 0) джерело постійної напруги +5В (мал. 3.1, а) призначений, в основному, для логічних схем. На мал. 3.1. показанеідеальне джерело постійної напруги. ЕРС задається в діалоговому вікні на мал.3.2.
Значення параметрів джерела напруги, які характеризуються ЕРС(Pull-Up Voltage) і внутрішнім опором (Resistance) (мал. 3.1, в),установлюються допомогою діалогового вікна (див. мал. 3.3).
/>
Мал.3.3.Вікно установки параметрів джерела живлення.
Установка струму ідеального джерела струму (мал. 3.1, г)виробляється аналогічно установці ЭРС. Джерела змінного струму в програмі EWBпідрозділяються на джерела не модульованих (мал. 3.4) і модульованих (мал. 3.8)сигналів. Для ідеального генератора змінної напруги (мал. 3.4, а) напруга(Voltage), частота (Frequency) і початкова фаза (Phase) синусоїдального сигналузадаються у вікні на мал. 3.5.
/>
а) б) в)
Мал.3.3.Джерела змінного струму.
/>
Мал.3.5.Вікно установки параметрів джерела синусоїдальної напруги.
/>
Мал.3.6.Вікно установки параметрів джерела імпульсної напруги прямокутної форми.
Установкаструму, частоти і початкової фази ідеального генератора змінного струму (мал. 3.4,б) здійснюється аналогічно джерелу синусоїдальної напруги.
Ідеальний генератор імпульсної напруги (мал. 3.4, в) є джереломполярних імпульсів із задаються амплітудою, частотою проходження і коефіцієнтомзаповнення (Duty Cycle), (вікно на мал. 3.6).
При зазначеному на мал. 3.6 значенні коефіцієнта заповнення 50%(тривалість імпульсу дорівнює половині періоду) періодична імпульснапослідовність називається меандром. Такий сигнал може бути представлений у видісуми гармонійних складових (простих синусоїд) шляхом розкладання в ряд Фур'є[35]:
U(x) = Um/2 + (2Um/7п)[cos(2п) — 0,333 cos(6 п F) + 0,2cos(10 п F) — ...]. (3.1)
Перший доданок вираження (3.1) — постійній складовій, рівнаполовині амплітуди Um, перше доданок у квадратних дужках — першагармоніка, друге — третя гармоніка і т.д. У графічному виді таке розкладаннязвичайне представляється у виді так називаного лінійчатого спектра, коли по осіX відкладається частота (номер гармоніки), а по осі Y у виді вертикальної лінії— амплітуда гармоніки. Для одержання такого спектра засобами програми EWB 5.0(див. гл. 1) необхідно скласти ланцюг із джерела (мал. 3.4, в), резистора,заземлення і застосувати команду Analysis>Fourier. Отримане при цьомуспектральний розподіл гармонік для розглянутої імпульсної послідовності при Um= 2 В показано на мал. 3.7. Для того щоб у чорно-білому зображенні була виднапостійна складова, у меню Graph Properties>Left Axis був обраний білий колірдля осі X. З мал. 3.7 видно, що постійна складова дійсно дорівнює Um/2= 1 В, амплітуда першої гармоніки 2Um/7i = 1,27 В. Помітимо, що дляімпульсної послідовності при шпаруватості, не рівної 2, вираження (3.1) трохиускладнюється [51].
/>
Мал.3.7.Лінійчастий спектр послідовності прямокутних імпульсів типу меандр.
/>
а) б)
Джерела модульованої напруги в програмі EWB представленікомпонентами, показаними на мал. 3.8.
Джерело на мал. 3.8, а — ідеальний генераторамплітудно-модульованих коливань (AM), параметри якого задаються в діалоговомувікні (мал. 3.9), у якому позначено: Carrier Amplitude — амплітуда несучої,Carrier Frequency — частота несучої, Modulation Index — коефіцієнт модуляції,Modulation Frequency — частота коливання, що модулює.
Осцилограмма АМ-сигнала при М = 0,5 і значеннях інших параметрів,зазначених у вікні на мал. 3.9, показана на мал. 3.10. Коефіцієнт модуляціївизначається як відношення амплітуди що обгинає (на осцилограмі — 0,5 В) до їїсереднього значення, тобто до амплітуди несучої (1 В). Коефіцієнт модуляціїзавжди менше або дорівнює одиниці.
Аналітичне вираження для АМ-сигнала записується в наступному виді[51]:
U(t) = Uc[l+ Msin(2пFm)t]sin(2пFс t)
Це вираження після тригонометричних перетворень може бутипредставлене в більш наочному виді [51]:
U(t) = Uc[cos(2пFc)t + 0,5Mcos2п(Fc+ Fm)t + 0,5Mcos2п(Fc — Fm)t]. (3.2)
Перший доданок вираження (3.2) називається несущим коливанням,другий доданок — коливанням з верхньої бічний, третє — коливанням з нижньоюбічною частотою.
Параметри джерела частотно-модульованих коливань (ЧМ) на мал. 3.8,б задаються в діалоговому вікні (мал. 3.11), аналогічному по наборі параметріввікну на мал. 3.9.
/>
Мал.3.9.Вікно установки параметрів джерела АМ-коливань.
/>
Мал.3.10.Осцифалограма АМ-коливань.
/>
Мал.3.11.Вікно установки параметрів джерела ЧM-коливань.
Аналітичневираження для ЧМ-сигнала має такий вигляд [51]:
U(t)=Ucsin[27п, + M sin(2пFm)t]. Це вираження для зручностіінтерпретації перетворюється до виду [51]:
U(t)=UcJo(z)cos(27пFr)t + Uc£Jn(z) cos27п(Fс + n)t + Uс £cos2п(FСГм )t,
n-l n-1
J0(z),J (z) — функції Бесселя нульового і л-го порядку відаргументу z = М.
У приведеному вираженні, як і у випадку АМ-сигнала, перший доданокназивається несучим коливанням, другий доданок — гармонійними складовоїверхньої бічної смуги частот, третє — складової нижньої бічної смуги частот.Кількість верхніх і нижніх бічних частот теоретично нескінченно. Практично жпри великих значеннях М складові, починаючи приблизно з n = М+ 1, можна невраховувати.
Осцилограма Чм-коливання, отримана при індексі модуляції М = 5,приведена на мал. 3.12.
/>
Мал.3.12.Осцифалограма ЧМ-коливань.
Керовані джерела програми EWB показані на мал. 3.13. Джерело намал. 3.13, а являє собою джерело напруги, керований струмом (ИНУТ). Удіалоговому вікні цього джерела задається єдиний параметр — коефіцієнтпередачі, дорівнює відношенню вихідної напруги до струму керування; параметрмає розмірність опору. Для джерела струму, керованого напругою (ИТУН, мал. 3.13,б), цей параметр має розмірність провідності, оскільки коефіцієнт передачідорівнює відношенню вихідного струму до напруги керування.
Джерела на мал. 3.13, у, м являють собою джерела напруги і струму,керовані відповідно напругою і струмом (ИНУН і ИТУТ). Коефіцієнт передачі цихпристроїв — величина безрозмірна.
/>
а) б) в) г) д)
Мал.3.13.Керуємі джерела напруги і струму.
/>
/>
Мал.3.13.Схеми включення поліномінального джерела.
Вихідний сигнал керованого джерела на мал. 3.13, д визначаєтьсяполіноміальною функцією. Для більш детального знайомства з таким джереломрозглянемо деякі схеми їхнього включення (мал. 3.14). Перша (верхня) схемавиконує підсумовування напруг VI і V3, середня схема — множення однойменнихнапруг, а нижня підносить до кубічну степеня напруга VI.
Вихідна напруга розглянутого джерела описується поліномомнаступного виду:
Y=A+B*V1+C*V2+D*V3+E(V1)2+F*V1*V2+G*V1*V2+H(V2)+I*V1*V2+J(V3)2+K*V1*V2*V3(3.3)
Коефіцієнти полінома задаються за допомогою вікна(мал.3.15)
/>
Мал.3.15.Значення параметрів поліномінального джерела для піднесення V1 до другогостепеня.
Контрольні питання і завдання
1- Мається джерело напруги 10 В с внутрішнім опором 10 МОм інавантаженням, що змінюється в межах від 10 до 100 Ом. Чи можна таке джерелоназвати генератором струму?
2- Проведіть розрахунок вираження, що складається, (3.1) при Um= 2 В и порівняйте отримані результати з даними мал. 3.7.
3. Формула (3.3) отримана шляхом зіставлення даних на мал. 3.14 ізначень коефіцієнтів полінома в діалоговому вікні джерела для кожної схеми.Проведіть такий порівняльний аналіз самостійно. Яким іншим, більш простимспособом можна одержати формулу (3.3)?
3. Керуючись формулою (3.3), досліджуйте можливі варіанти зведенняпостійної напруги 3 В в кубічний ступінь, у четвертий і п'ятий ступінь на базіодного поліноміального джерела. Складіть схеми пристроїв і перевірте їхнюпрацездатність.
Складіть схему для дослідження спектрального складу AM- іЧМ-сигналів.
Результати моделювання зіставте з розрахунковими по формулах (3.2)і (3.2а).
6. Як відомо, потужність у ланцюзі постійного струмувизначається за формулою: W = VI = V2/R- Для створення моделінайпростішого ватметра, що реалізує цю I формулу, використовуйте поліноміальнеджерело, а в якості що показує I приладу — амперметр W, включений послідовно знавантаженням R = 100 Ом. I
7. Ознайомтеся з утворювачами математичних функцій звикористанням керованих джерел (схемний файл math.ca4).
3.2 Індикаторні прилади
Індикаторні прилади програми EWB 3.1 показані на мал. 3.16.
Вольтметри й амперметри забезпечують відлік вимірюваної величини зточністю до третього знака (у EWB 5.0 — до четвертого). Параметри приладівзадаються в діалоговому вікні (для вольтметра — на мал. 3.17). У поле першогопараметра задається вхідний опір вольтметра, у поле другого — режим вимірупостійного (DC) або перемінного (АС) струму. Діалогове вікно для амперметра —аналогічне розглянутому з тією лише різницею, що перший параметр — цевнутрішній опір амперметра, що значно менше вхідного опору вольтметра. Негативна клемадля підключення цих приладів позначена широкої I чорною смугою і може бутирозміщена на будь-якій грані іконки при обертанні зображення компонента(обертання виконується натисканням комбінації клавіш Ctrl + R).
/>
Мал.3.16.Індикаторні прилади.
/>
Мал.3.17.Вікно установки параметрів вольтметра.
7-сегментний цифровий індикатор — модель широко використовуваних уцифровій техніці алфавітно-цифрових індикаторів. Параметри індикатора задаютьсяв діалоговому вікні (мал. 3.18), у якому перший параметр — максимальне значеннявхідної напруги, другий — його мінімальне значення, третій і четвертийпараметри — час затримки переключення при переході від низького (мінімального)рівня вхідної напруги до верхнього (максимальному) і навпаки, п'ятий пари* метр— гранична вхідна напруга, при якому починається світіння. Вітчизнянимианалогами таких приладів є індикатори типу АЛС, ЗЛС і ін.
Чотирьохвхідний індикатор відрізняється від розглянутого наявністювбудованого дешифратора, що дозволяє підключати його безпосередньо до виходівдвійково-десяткових лічильників з кодом 8-4-2-1. Правий висновок такогоіндикатора — молодший або нульовий розряд, при його активізації на індикаторівисвічується 1. Лівий висновок індикатора — старший або третій розряд, при йогоактивізації відображається цифра 8. Якщо сигнал логічної одиниці подати на усівходи індикатора, то буде відображатися буква F, що позначає вшістнатцятірковій системі числення десяткове число 15 (сума чисел 8, 4, 2 і 1).При всіх можливих комбінаціях вхідних сигналів на індикаторі можна відображатичисла 0...9 і букви А, У, З, D, Е и F. Вітчизняними аналогами таких приладів єіндикатори типу 490ИП1, 490ИП2 з тією відмінністю, що вони можуть відображатитільки цифри .
Світлодіод — параметри цього індикатора будуть описані прирозгляді напівпровідникових діодів.
/>
Мал.3.18.Вікно установки параметрів 7-сегментного індикатора
/>
Мал.3.19.Вікно установки параметрів звукової сигналізації.
/>
Мал.3.20.Вікно установки параметрів лампи розжарення.
Запобіжник — модель плавкого запобіжника, спрацьовування якого призаданому струмі супроводжується проваллям на його значку зиґзаґоподібноїперемички між вихідними затискачами.
Логічний пробник — характеризується напругою спрацьовування 2,4 В,що відповідає мінімальному значенню сигналу логічної одиниці цифрових ІзТТЛ-серії (з живленням +5 В). Спрацьовування супроводжується червоним або синімсвітінням.
Звукова сигналізація (зумер) — параметри задаються в діалоговомувікні (3.19), у якому перший параметр — частота сигналу, подаваного на гучномовецькомп'ютера, два інших — напруга і струм спрацьовування.
Лампа розжарення характеризується потужністю і номінальною напругою_(3.20).Напруга, при якому лампочка запалюється, приблизно дорівнює половиніномінального. При напрузі, що перевищує номінальне на невелику величину,лампочка перегоряє і ланцюг обривається, тобто цей компонент може бутивикористаний також як запобіжник, що спрацьовує при заданих значеннях напруги іструму, рівного відношенню потужності до напруги.
Десятисегментний індикатор містить лінійку з десяти незалежнихіндикаторів, параметри яких встановлюються в діалоговому вікні (мал. 3.21), деперший параметр — напруга спрацьовування, другий і третій — номінальний імінімальний струм. Вітчизняними аналогами цього індикатора є так називаємішкальні індикатори типу ЗЛС317, ЗЛС343А, ЗЛС362 і ін. [36].
/>
Мал.3.21.Вікно установки параметрів 10-сегментного індикатора.
/>
Мал.3.22.Схема включення десятисегментного індикатора.
Приклад використання 10-сегментного індикатора приведений на мал. 3.22.Ця схема в трохи зміненому виді запозичена з каталогу готових схем програмиEWB. Вона містить 10 компараторів напруги на ОУ (див. роздягнув 10.7). На одинвхід кожного ОУ подається опорна напруга, формоване джерел напруги Uo ідільником на резисторах R1...R11. Другі входи всіх ОУ об’єднані і підключені довиходу функціонального генератора, використовуваного в режимі синусоїдальнихабо трикутних коливань з постійною складовою. Амплітуда вихідного сигналувибирається рівною Uo/2, частота — близько 1 Гц. Виходи ОУ підключені до сегментівіндикатора, додаткові резистори R12...R21 служать для установки струму через коженсегмент.
Після включення джерела харчування (початок моделювання) вихіднанапруга функціонального генератора порівнюється з опорним. Це приводить допослідовного спрацьовування компараторів, що фіксується індикатором і візуальносприймається в такий же спосіб, як і індикація рівня в аудіосистемах (безупинноі синхронно з рівнем голосності світіння, що переміщається по довжинііндикатора,).
Принцип роботи розглянутої схеми використаний в іншомудесятисегментного індикаторі (мал. 3.16), у якого всього два висновки.Параметри індикатора задаються в діалоговому вікні (мал. 3.23), у якому першийпараметр визначає напруга спрацьовування першого (нижнього) сегмента, другий —напруга спрацьовування верхнього (десятого) сегмента. Для визначення напругиспрацьовування інших сегментів можна скористатися простою схемою, щоскладається з послідовно включених індикатора і джерела постійної напруги.Змінюючи напругу джерела, неважко визначити напруга спрацьовування кожногосегмента візуальним контролем за його світінням.
/>
Мал.3.23.Установка параметрів 10-сегментного індикатора.
Контрольні питання і завдання
1. Визначите напруги спрацьовування кожного сегмента 10-сегментногоіндикатора при вихідних даних, зазначених на мал. 3.23. Встановіть характерзалежності напруги спрацьовування від номера сегмента.
2. Використовуючи схему на мал. 3.24, визначите струм I, при якомулампочка L перегоряє при різних значеннях припустимої потужності.
/>
Мал.3.23.Застосування лампи розжарення в якості запобіжника.
3- Складіть схему з джерела постійної напруги і логічного пробника. Змінюючинапругу джерела, встановіть напругу спрацьовування пробника з точністю додесятих часток вольта.
4- Складіть схему, що складається зі звукового сигналізатора(зумера), джерела постійної напруги, резистора, амперметра і вольтметра.Переконаєтеся в правильності спрацьовування звукової сигналізації привстановлених у діалоговому вікні значеннях струму і напруги спрацьовування.
5.Яка кількість амперметрів і вольтметрів можна використовувати вмоделюємій схемі?
6. Проведіть випробування семисегментного індикатора (схемний файл7segdemo.ca4).
7. Практична конструкція запобіжників являє собою найчастішетрубчастий скляний або керамічний корпус з металевими ковпачками-клемами наторцях, до яких припаюється протягнена в порожнині корпуса тонкий дріт,матеріал і діаметр якої визначає струм плавлення. При діаметрі d = 0,02...0,2мм струм плавлення визначається формулою I = (d — 0,005)/k, [А], у якійкоефіцієнт до = 0,034 — для міді; 0,05 — для латуні; 0,07 — для константану;0,127 — для заліза [45]. Для більш товстих провідників струм плавлення I = m(d3)1/2,[А], де m = 80 — для міді; 24,6 — для заліза; 12,8 — для олова. Оскількирозплавлювання супроводжується своєрідним вибухом і розбризкуваннямрозплавленого металу, то зі збільшенням струму і відповідно діаметра проводудіаметр захисного трубчастого корпуса збільшується для запобігання йогоруйнування. Розрахуйте струм плавлення мідних дротів діаметрами1,3;2,2;3;4,5;7і10 мм.
3.3 Комутаційні пристрої
Під комутаційними пристроями (КУ) розуміються пристрої, щострибкоподібно змінюють значення своїх параметрів при визначеному (граничному)значенні керуючого сигналу. У пристроях, призначених для комутації електричнихланцюгів, це реалізується практично миттєвою зміною електричного опору абопровідності їхніх виконавчих систем (безпосередньо комутуючих елементів). Комутаційніпристрої програми EWB 3.1 представлені на мал. 3.25 (зведення по реальнихпристроях — у розд. 13.5).
Пристрій на мал. 3.25, а — перемикач типу однополюсного тумблера,керованого натисканням призначеної клавіші клавіатури (за замовчуванням клавішіSpace — пробіл). Ім'я клавіші встановлюється в діалоговому вікні (мал. 3.26).
/>
а) б) в) г) д)
Мал.3.25.Комутаційні пристрої.
/>
Мал.3.26.Вікно установки клавіші управління ключем.
КУ на мал. 3.25, б — реле часу (перемикач із програмувальним часомперемикання). Його параметри задаються в діалоговому вікні (мал. 3.27), депараметр Топ — час включення розімкнутого у вихідному стані контакту післяпочатку моделювання; параметр Toff — час вимикання (переклад контактів упочатковий стан), цей час також відраховується від моменту початку моделювання.
Як приклад використання програмувального КУ розглянемо схемі>ис. 3.28. Вона містить джерело живлення U = 5 В, два перемикачі SI, S2 іалфавітно-цифровий індикатор. Параметри перемикачів обрані наступної для першийТоп = 3 з, Toff = 10 з; для другий Топ = 6 з, Toff =15 с. Після включенняживлення (початок моделювання) сигнал логічної одиниці (+5 В) буде поданий нависновки 0 і 2 індикатори. Оскільки індикатор працює в коді 8-4-2-1, то прицьому висвічується цифра 5 (сума чисел 4 і 1). Через 3 із ключ S1 переводитьсяу верхнє положення і сигнал +5 В подається на вхід 3 — займе цифра 9 (сумачисел 8 і 1). Оскільки початок відліку для всіх проміжків часу однаково, течерез 3 зі спрацює перемикач S2, у результаті чого сигнал +5 В буде поданий навхід 1 — займе буква А (шістнатцятірковій еквівалент десяткової цифри 10 = 8 +2). Потім через 4с спрацює перемикач S1, у результаті чого напруга +5 В будеподана на вхід 2 і займе цифра 6 (сума 4 + 2). І нарешті через 5 зі спрацюєперемикач S2, і схема повернеться у вихідний стан.
КУ на мал. 3.25, у, м — однополюсні вимикачі, керовані напругоюабо струмом. Параметри ланцюга керування задаються в діалоговому вікні на мал. 3.29(для компонента на мал. 3.25, в), де перший параметр — напруга включення,другий — напруга вимикання (для компонента на мал. 3.25, м — струм включення івимикання відповідно).
Як приклад розглянемо схему на мал. 3.30. У ній маються двікерованих напруги ключа SI, S2.
/>
Мал.3.27. Вікно установки параметрів реле часу.
/>
Мал.3.28. Схема з програмувальним КУ.
/>
Мал.3.29. Вікно установки параметрів КУ, який керується напругою.
Керування ключами здійснюється від функціонального генератора, вихіднанапруга якого контролюється осцилографом. У силовій частині схеми використанеджерело напруги U, логічний пробник Р и лампочка L. Параметри ланцюга керуванняключів обрані в такий спосіб: для першого ключа Uon = 1 В, Uoff = 2 В; длядругого ключа Uоп=5 В, Uoff = 7 В. Режим роботи функціонального генераторапоказаний на мал.3.31, а, осцилограма його вихідної напруги — на мал. 3.31, б.Як видно з осцилограми, генератор дозволяє одержати пилкоподібні однополярніімпульси. З мал. 3.31 видно, що швидкість наростання пилкоподібної напругискладає10 В/с. Якщо розглянути роботу схеми за один період, то включеннялогічного пробника відбудеться через 0,1 з послу початку формуванняпилкоподібного імпульсу, оскільки для ключа S1 напруга спрацьовування обранарівним 1 В («пройдений шлях» у 1 В потрібно розділити на швидкість 10В/с). Потім при напрузі 2 В, тобто через 0,1 з, ключ S1 розмикається і логічнийпробник вимикається. Коли пилкоподібна напруга досягає 5 В (0,5 з послу початкуформування імпульсу), спрацьовує ключ S1, запалюється лампочка і залишається втакому стані 0,2 з, поки пилкоподібний імпульс не досягне значення 7 В, приякому ключ S2 розмикається. Через 0,3 із процес повторюється, оскількипилкоподібний імпульс досягає свого максимального значення 10 В.
/> />
а) б)
Мал. 3.31.Режим роботи функціонального генератора (а) Іосцифалограма його вихідної напруги.
/>
Мал.3.32. Вікно установки параметрів електромагнітного реле.
/>
Мал.3.33. Схема включення електромагнітного реле.
Пристрій на мал. 3.25, д — електромагнітне реле з перекиднимиконтактами Параметри його керуючого ланцюга задаються в діалоговому вікні намал. 3.3: перший параметр — індуктивність котушки реле, другий і третій — струмспрацювання й утримання.
Як приклад на мал. 3.33 приведена схема включення реле зкеруванням від КУ (напруга включення 1 В, вимикання 8 В). Для індикації стануконтактів реле використовується логічний пробник Р. Другий канал осцилографапідключений у ланцюг живлення обмотки після струмозадаючого резистора Rd.Осцилограми сигналів (другий канал зміщений униз) показані на мал. 3.34 приіндуктивності обмотки 0,001 і 0,1 Гн. З порівняння осцилограм видно, що привеликій індуктивності в ланцюзі керування спостерігаються загасаючі коливання.
/>
а) б)
Мал.3.33.Осцифалограми напруги на обмотці електромагнітного реле при індуктивностіобмотки 0,001Гн (а) і 0,1(б).
3.4 Конденсатори
Конденсатори відносяться до одному з найбільш розповсюдженихкомпонентів РЭА. У програмі EWB 3.1 конденсатори представлені трьома типами(Рис. 3.35, а).
Перший тип охоплює практично всі конденсатори, другий — електролітичні,третій — підстроювальні; значення ємності кожного конденсатора може бутивстановлене в межах від 10"' пф до 10' Ф. Ємність підстроювальногоконденсатора може змінюватися натисканням призначеної користувачем клавішіклавіатури (за замовчуванням — клавіші З), починаючи від максимального значеннядо мінімального з заданим кроком (від 1 до 100%) (рис. 3.36).
При розрахунку перехідних процесів у програмі використовуєтьсясхема заміщення конденсатора (мал. 3.35, б), параметри якої визначаютьсявираженнями [671:
Rcn=h/2C;Icn=2C*Un/h+In
при чисельному інтегруванні по методу трапецій;
Rcn=h/C; Icn=C*Un/h
при використанні методу Гіра.
Тут h — збільшення часу на кожнім кроці інтегрування; 1П— значення струму еквівалентного джерела на певному кроці; Rcn, Unі Icn — опір шунтуючого резистора, напруга на конденсаторі і струмна певному кроці.
Як приклад розглянемо використовувану на практиці схему ємнісногодільника (мал. 3.37), вихідна напруга якого, вимірюване мультиметром,визначається формулою:
U0=Ui*C1/(C1+C2) (3.4)
/>
а) б)
мал.3.35.Графічне позначення конденсаторів(а) і схема їх заміщення в режимі розрахункуперехідних процесів(б).
/>
Мал.3.36.Вікно установки параметрів підстроювального конденсатора.
Оскільки виміру можна проводити при різній формі напругифункціонального генератора, то при зіставленні результатів розрахунку поформулі (3.4) і результатів моделювання необхідно враховувати, що мультиметрвимірює ефективне значення напруги, що для синусоїдального сигналу складає0,707 від амплітудного, 0,578 — для трикутного і 1 — для меандру (прямокутнийсигнал зі шпаруватістю 2). Розглянемо можливість використання в якостіпідстроювального конденсатора варікапа — спеціально сконструйованого діода,бар’єрна ємність р-n-перехода якого залежить від зворотної напруги відповідно доформули: *
Cu=Ci/(1+Ut/Uc)m (3.5)
де С" — ємність переходу при зворотній напрузі U,., З, —ємність при нульовій напрузі, U, — температурний потенціал (при кімнатнійтемпературі він складає 26 мв), m = 0,5 — для різких (сплавних) і 0,333 — дляплавних (дифузійних) переходів.
Основний параметр варікапа — ємність Сп при номінальнійнапрузі зсуву. Крім того, указуються максимальна Смакс і мінімальнаСмнн ємності при мінімальній і максимальній напругах зсувувідповідно. Інколи, в числі характеристик варікапа приводиться коефіцієнтперекриття ємності — відношення максимальної ємності до мінімального.
/>
Мал.3.37. Ємнісний двигун.
Якість конденсатора характеризується добротністю, що визначаєтьсяяк відношення реактивного опору до повного опору втрат діода на заданій частоті.Підвищення добротності досягається шляхом зменшення витоків.
/>
Мал.3.38. Діалогове вікно установки параметрів діодів.
У програмі EWB немає спеціальної моделі варікапа, замість неї можнавикористовувати модель діода. У перелік параметрів діода входять наступні (див.мал. 3.38, у квадратних дужках приведені позначення параметрів, прийняті вEWB5.0):
Saturation current Is [IS], A — зворотний струм діода (зазамовчуванням 1014 А);
Ohmic Resistance rs [RS], Ом — об'ємний опір (від десятків додесятих часток Ом);
Zero-bias junction capacitance Cj [CJO], Ф — бар'єрна ємністьр-n-переходу при нульовій напрузі (від одиниць до десятків пф);
Junction potential vj [VJ], У — контактна різниця потенціалів(0,75 В);
Tranzit time х [ТТ], з — час переносу заряду;
Junction grading coefficient m [M] — конструктивний параметрр-n-переходу: див. формулу (3.5), у більшості випадків m = 0,333;
Revers Bias Breakdown Voltage Vbr [BV], У — максимальну зворотну напругу(задається зі знаком мінус, для стабілітронів параметр не нормується).
Для стабілітронів у перелік параметрів включаються:
Zener test current Izt [IZT], A — номінальний струм стабілізації(від одиниць до десятків мА);
Zener test Voltage at Izt Uzt [VZT], У — напругу стабілізації приномінальному струмі стабілізації.
/>
Мал.3.39. Ємнісний дільник з діодом.
Схема ємнісного дільника з використанням діода (мал. 3.39)містить; ланцюг зсуву (ланцюг керування бар'єрною ємністю), що складається зджерела напруги Uc і резистора R, генератор (амплітуда 1 В, частота 1 МГц),мультиметр, еталонний конденсатор З і досліджуваний діод VD типу kl(перейменована модель Ideal для можливості редагування параметрів) з бар'єрноюємністю Ci = 100 пФ при нульовій напрузі на переході. Конденсатори З і Ci утворятьємнісної дільник, вихідне напруга якого визначається вираженням (3.4).
Ci=C0(Ui/U0-1).
За допомогою цього вираження можна визначити ємність.
3.5 Резистори
Резистори є самими масовими виробами електронної техніки. Упрограмі EWB 3.1 резистори представлені трьома типами — постійним,підстроювальним і набором з восьми резисторів (мал. 3.40).
/>
Мал.3.40. Графічні позначення резисторів.
Зміна опору підстроювального резистора здійснюється по тім жепринципі, що і для підстроювального конденсатора (див. мал. 3.41). У наборірезисторів опір встановлюється однаковим для усіх восьми резисторів3.6.
Індуктивні елементи
До індуктивних елементів відносяться котушка постійноїіндуктивності, що підбудовується котушка індуктивності і трансформатор (див.мал. 3.44, а).
При розрахунку перехідних процесів у програмі використовуєтьсясхема заміщення котушки індуктивності (мал. 3.44, б), параметри якоївизначаються вираженнями [67]:
Rln=2L/h; Iln=hUn/2L+In
при чисельному інтегруванні по методу трапецій;
Rln=L/h; Iln=hUn/L
при використанні методу Гіра.
У приведених формулах h — крок збільшення часу; 1П-струм еквівалентного джерела на певному кроці; Rln, Un іIln — опір шунтуючого резистора, напруга на індуктивності і струм напевному кроці.
Математична модель трансформатора (мал. 3.44, в) містить керованіджерела струму і напруги, за допомогою яких установлюється коефіцієнттрансформації, а також елементи, параметри яких задаються в діалоговому вікні(див. мал. 3.45) [67]. Відповідно до керівництва користувача [67] висновки 2 і5 при використанні трансформатора повинні бути заземлені, що в деяких випадкахістотно знижує можливості його застосування.
/>
а) б) в)
Мал.3.43.Індуктивні компоненти EWB(а), схеми заміщення індуктивності(б) ітрансформатора(в).
Параметри котушок з постійною й індуктивністю, що підбудовується,задаються за допомогою діалогових вікон, аналогічних вікнам для конденсаторів ірізі рів. У діалоговому вікні установки параметрів лінійних трансформаторів (їхще 1 називають повітряними) задаються (див. мал. 3.45): коефіцієнттрансформації п, індуктивність розсіювання Le, індуктивність первинної обмоткиLm, опір первинної Rp і вторинної Rs обмоток. При п>1 трансформатор єпонижуючої, при п
/>
Мал.3.45. Вікно установки параметрів трансформаторів.
3.6 Напівпровідникові діоди
Комбінація двох напівпровідникових шарів з різним типомпровідності (р —діркової і n — електронної) має випрямляючі властивості: вонанабагато краще пропускає струм в одному напрямку, чим в іншому. Полярністьнапруги, що відповідає великим струмам, називається прямій, а меншим —зворотної. Звичайно користуються термінами пряма і зворотна напруга, прямій ізворотний струм. Поверхня, по якій контактують р- і n-шари, називаєтьсяметалургійною границею, а прилягаюча до неї область об'ємних зарядів —електронно-дірковим переходом.
Електронно-діркові переходи класифікують по різкості металургійноїграниці і співвідношенню питомих опорів шарів.
Східчастими переходами (коефіцієнт плавності переходу m = 0,5, уEWB 5.0 має позначення М) називають переходи з ідеальною границею, по однусторону якої знаходяться дірки, а по іншу — електрони. Такі переходи найбільшпрості для аналізу, тому всі реальні переходи намагаються, якщо це можливо,розглядати як східчасті.
Плавними переходами (ш = 0,333) називають такі, у яких в областіметалургійної границі концентрація одного типу домішки поступово зменшується, аіншого типу — росте. Сама металургійна границя в цьому випадку відповідаєрівності концентрацій домішок. Усі реальні р-n-переходи — плавні,ступінь їхнього наближення до східчастого залежить від градієнта ефективноїконцентрації в районі металургійної границі.
По співвідношенню концентрацій домішок у р- і n-шарах переходиподіляються на симетричні, несиметричні і однобічні. Симетричні переходи нетипові для напівпровідникової техніки. Основне поширення мають несиметричніпереходи, у яких концентрації не однакові. У випадку різкої асиметрії, коликонцентрації домішок (а виходить, і основних носіїв) розрізняються на один-двапорядків і більш, переходи називають однобічними.
Вольт-амперна характеристика р-n-перехода описуєтьсявираженням [12]:
I=I0(exp(U/Ut-1) (3.7)
де i — струм через перехід при напрузі U, 1ОБ —зворотний струм, Ut — температурний потенціал, рівний при кімнатнійтемпературі 26 мв.
Якщо до переходу підключити зворотна напруга, то при визначеномуйого значенні перехід пробивається. Розрізняють три види пробою: тунельний,лавинний і тепловий. Перші два зв'язані зі збільшенням напруженостіелектричного поля в переході, а третій — зі збільшенням потужності, щорозсіюється, і, відповідно, температури.
В основі тунельного пробою лежить тунельний ефект, тобто«просочування» електронів крізь тонкий потенційний бар'єр переходу. Воснові лавинного пробою лежить «розмноження» носіїв у сильномуелектричному полі, що діє в області переходу. Електрон і дірка, прискореніполем на довжині вільного пробігу, можуть розірвати одну з ковалентних зв'язківнапівпровідника. У результаті народжується нова пара електрон-дірка і процесповторюється вже за участю нових носіїв. При досить великій напруженостіполючи, коли вихідна пара носіїв у середньому породжує більш однієї нової пари,іонізація здобуває лавинний характер, подібно самостійному розрядові в газі.При цьому струм буде обмежуватися тільки зовнішнім опором. Явище пробоюзнаходить практичне застосування в стабілітронах — приладах, призначених длястабілізації напруги.
В основі теплового пробою лежить саморозігрів переходу припротіканні зворотного струму. З ростом температури зворотні струми різкозростають, відповідно збільшується потужність, що розсіюється в переході; цевикликає додатковий ріст температури і т.д. Як правило, тепловий пробій не маєсамостійного значення: він може початися лише тоді, коли зворотний струм ужепридбав досить велику величину в результаті лавинного або тунельного пробою.
Раніше (у розд. 3.4) ми вже говорили про бар'єрну ємність. Їїприйнято розділяти на дві складові: бар'єрні ємності, що відбиває перерозподілзарядів у переході, і дифузійну ємність, що відбиває перерозподіл носіїв убазі. Такий поділ у загальному умовно, але воно зручно на практиці, оскількиспіввідношення обох ємностей по-різному при зміні полярності прикладеноїнапруги. При прямій напрузі головну роль грають надлишкові заряди в базі і,відповідно, дифузійна ємність. При зворотній напрузі надлишкові заряди в базімала і головна роль грає бар'єрна ємність. Обидві ємності нелінійні: дифузійнаємність залежить від прямого струму, а бар'єрна — від зворотної напруги.
Набір параметрів, що задаються, для діодів у EWB 5.0 помітнобільше в порівнянні з EWB 3.1. Діалогове вікно для завдання параметрів діодів уEWB 5.0 складається з двох однакових по зовнішньому вигляді закладок (перша зних показана на Рис. 3.49), за допомогою яких можна додатково (у порівнянні звікном на Рис. 3.38) задати наступні параметри:
N- коефіцієнт інжекції;
EG — ширина забороненої зони, ев; (для германія — 0,72 эв, длякремнію — 1,1 эв); FC — коефіцієнт нелінійності бар'єрної ємності прямозміщеного переходу; BV — напруга пробою (позитивна величина, у EWB 3.1 вонаприйнята негативної), У; для стабілітронів замість цього параметравикористовується параметр VZT — напруга стабілізації;
IBV — початковий струм пробою при напрузі BV (позитивна величина),А; Для стабілітронів замість цього параметра використовується параметр IZT —початковий струм стабілізації;
XTI — температурний коефіцієнт струму насичення; KF — коефіцієнтфліккер-шума;
AF — показник ступеня у формулі для фліккер-шума; TNOM —температура діода, °С.
/>
Мал.3.49. Діалогове вікно параметрів діодів.
/>
а) б) в) г)
Мал.3.50. Еквівалентні схеми діода при розрахунку на постійномуструмі(а), в діапазоні частот (б, в) і схема для дослідження прямої гілкиВАХ(г).
Еквівалентні схеми діода показані на мал. 3.50, а, б, на якихпозначено: А — анод, ДО — катод, I — джерело струму, Rs — об'ємний опір, З —ємність переходу, Gmin — провідність, обумовлена витоками (у EWB 5.0 задаєтьсяв діалоговому вікні, див. мал. 1.17). Вольт-амперна характеристика
для прямої галузі
I=I0(exp(U/(N*Ut))-1)+U*Gmin для U≥-5N*Ut;
для зворотньої гілки
I=I0(exp(U/(N*Ut))-1)+U*Gminдля 0≥U≥-5N*Ut;
I=-I0+Uч*Gmin для -BV
I=-IBV для U=-BV;
I=I0{exp(-(U+BV)/(N*Ut)))-1)+BV/Utдля U
Тут IО = Is — зворотний струм діода притемпературі TNOM; N — коефіцієнт інжекції; BV, IBV — напруга і струм пробою; U,— температурний потенціал переходу; U — напруга на діоді.
При розрахунку перехідних процесів використовується еквівалентнасхема діода (див. Рис. 3.50, б), для якої ємність переходу визначається задопомогою виражень [67]:
С=τ(di/dU)+CJO(1-U/Ut)-m для U
С=τ(di/dU)+CJO(F3-mU/Ut)/F2 для U≥FC*VJ;
У приведених формулах т — час переносу заряду; CJO — бар'єрнаємність при нульовому зсуві на переході; VJ — контактна різниця потенціалів; m= 0,33...0,5 — параметр переходу.
При малих рівнях сигналів використовується линеалізованаеквівалентна схема (мал. 3.50, в), на якій провідність G = dl/d = Ioexp(U/(NUt))/(NUt).При цьому ємність переходу визначається формулами [67]:
С=τG+CJO(1-U/Ut)-m для U
С=τG+CJO(F3-mU/Ut)/F2 для U≥FC*VJ;
Дослідження прямої галузі ВАХ діодів може бути проведене задопомогою схеми на мал. 3.50, м. Вона складається з джерела струму I,амперметра А (можна обійтися і без нього, оскільки регістрований струм точнодорівнює що задається), досліджуваного діода VD і вольтметра V для вимірунапруги на діоді.
а)
/> б) />
/>
Мал.3.51.Схема характеріографа (а), отримана на ньому ВАХ діода (в) і схема длядослідження його зворотньої гілки.
Процес дослідження ВАХ може бути автоматизований за допомогоюхарактеристик осцилографа (мал. 3.51, а, в), у якому формування зображення ВАХ виконуєтьсяв режимі розгорнення В/А осцилографа, при цьому використовуються сигнал зфункціонального генератора і з навантаження діода.
Для дослідження зворотної галузі ВАХ діода використовується схемаI див. мал. 3.51, б. У ній замість джерела струму використовується джерелонапруги \]\ I із захисним резистором Rz для обмеження струму через діод увипадку його пробою.
Крім одиночних діодів, у бібліотеці EWB мається також діодниймісток, I для якого можна додатково задати коефіцієнт емісії N (Emission ICoefficient). Світлодіод — спеціально сконструйований діод, у якому передбаченаможливість висновку світлового випромінювання з області переходу крізь прозоревікно в корпусі.
При проходженні через діод струму в прилягаючим до переходуобластях напівпровідника відбувається інтенсивна рекомбінація носіїв зарядів —електронів і дірок. Частина вивільнюваної енергії виділяється у виді квантівсвітла. У залежності від ширини забороненої зони напівпровідника випромінюванняможе мати довжину хвилі або в області видимого світла, або невидимогоінфрачервоного випромінювання. Випромінювання переходів на основі арсенідугалію має довжину хвилі близько 0,8 мкм. Переходи з карбіду кремнію або фосфідугалію випромінюють видиме світло в діапазоні від червоного до блакитногокольору. Найважливішими параметрами світлодіода є яскравість, вимірювана внітах при визначеному значенні прямого струму, і колір світіння (абоспектральний склад випромінювання). Для світлодіода додатково вказуєтьсямінімальний струм у прямому напрямку Turn-on current (Ion), при перевищенніякого світлодіод запалюється. Для виміру ВАХ світлодіодів можна використовуватиприведені вище схеми. Перемикаючі діоди з р-п-р-п- або п-р-п-р-структурами — цетірістори [86]. Тиристори, що мають висновки від крайніх електродів, називаютьдіністорами, а прилади з третім висновком (від одного із середніх електродів) —тріністорами. Крім того, до класу тірісторів відносяться сімістори — симетричнідіністори (діаки), симетричні тріністори (тріаки) і досить рідкий тип діністора— діод Шоклі, у якому структура п-р-п організована за рахунок наявності вр-гс-переході пасток, формованих шляхом легування. На мал. 3.52 приведеніпозначення перемикаючих діодів, моделі яких маються в програмі EWB 3.1:(ліворуч праворуч) діод Шоклі, симетричний діністор (діак, двохнаправленийдіністор), тріністор (тріодний тірістор) і симетричний тріністор (тріак,сімістор).
/>
Мал.3.52.Діоди, які самі перемикаються.
Дляперемикальних діодів задаються значення наступних параметрів (для EWB 5.0 їхніпозначення вказуються в квадратних дужках):
Saturation current Is [IS], A — зворотний струм діністора;
Peak Off-state Current Idrm [IDRM], A — те ж, але для тріністора;
Switching Voltage Vs [VS], У — напругу, при якому діністорпереключається у відкритий стан;
Forward Breakover Voltage Vdrm [VDRM], У — те ж, але длятріністора при нульовій напрузі на керуючому електроді; Peak On-State VoltageVtm [VTM], У — спадання напруги у відкритому стані; Foward Current at wich Vtmis measured Itm [ITM], A — струм у відкритому стані;
Turn-off time Tg [TG], з — час переключення в закритий стан;Holding current Ih [IH], A — мінімальний струм у відкритому стані (якщо вінмень-ші встановленого, то прилад переходить у закритий стан);
Critical rate of f-state Voltage rise dv/dt [DV/DT], У/мкс —припустима швидкість зміни напруги на аноді тринйетора, при якому він продовжуєзалишатися в закритому стані (при більшій швидкості тріністор відкривається);Zero-bias junction capacitance Cj [CJO], Ф — бар'єрна ємність діністора принульовій напрузі на переході;
Gate Trigger Voltage Vgt [VGT], У — напругу на керуючому електродівідкритого тринйетора;
Gate Trigger current Igt [IGT], A — струм керуючого електрода;Voltage at which Igt is measured Vd [VD], У — напругу, що відмикає, накеруючому електроді.
Перераховані параметри можна задати за допомогою діалогових вікон,аналогічних приведеному на мал. 3.53 для тринйетора.
Дослідження прямої гілки ВАХ тринйетора можна проводити звикористанням схеми (мал.3.54), на якій показані джерела вхідної напруги Ui.
/>
Мал.3.53. Діалогове вікно установки параметрів тріністора.
/>
Мал.3.53. Схема для дослідження тріністорів.
3.7 Цифрові мікросхеми
Напівпровідникова електроніка бере свій початок у 1948 р., колигрупою розробників фірми Bell був створений перший транзистор. Через 11 роківінженерами фірми Texas Instruments була розроблена перша мікросхема, щоскладалася усього із шести транзисторів, а в 1971 р. нині всесвітньо відомафірма Intel розробила перший 4-розрядний мікропроцесор 4004, що містив більш2000 транзисторів. Надалі мікромініатюризація електронних компонентів досяглатаких темпів, що це послужило приводом для досить образного порівняння вжурналі Sientific American (1982 р.): «Якби авіапромисловість в останні 25років розвивалася настільки ж стрімко, як і промисловість засобів обчислювальноїтехніки, то зараз літак „Боїнг-767“ коштував би 500 доларів і робивобліт земної кулі за 20 хвилин, затрачаючи при цьому 5 галонів палива».Разючі результати, досягнуті в мікроелектроніці, стали можливі завдяки нетільки новітнім напівпровідниковим технологіям, але і величезному багажевісхемотехнічних рішень, накопиченому протягом десятиліть багатомільйонною армієюрозроблювачів. Незважаючи на вражаючу уяву кількості транзисторів, зібраних намалюсіньких напівпровідникових кристалах, варто все-таки пам'ятати, що вониявляють собою набори з найпростіших елементів, до розгляду яких ми і перейдемо.
У залежності від технології виготовлення інтегральні мікросхеми(ІМС) підрозділяються на серії (сімейства), що розрізняються фізичнимипараметрами базових елементів і їхнім функціональним призначенням. Найбільшепоширення одержали ІМС, виготовлені по ТТЛ- і КМДН-технологіям. (ТТЛ —транзисторно-транзисторна логіка з використанням біполярних транзисторів, КМДН— з використанням комплементарних МДН-транзисторів).
Першої була випущена ТТЛ-серія SN74/SN54 (74 — комерційна, 54 —для військових застосувань). Вітчизняним аналогом серії SN74 стала популярна усвій час серія 155. У 1967 р. додатково розроблені сімейства SN74H/54H (Highspeed — швидкодіюча, вітчизняні аналоги — серії 131 і 130) і SN74L/54L (Lowpower — малопотужна, аналоги — серії 158 і 136).
У 1969 р. розроблена серія SN74S/54S (серії 531 і 530), у 1971 р.— серія SN74LS/54LS (серії 555 і 533), у 1979 р. — серія SN74F/54F фірмиFairchild (FAST — Fairchilds Advanced Schottky TTL, серія 1531), у 1980 р. —серія SN74ALS/54ALS (серія 1533), у 1982 р. — серія SN74AS/54AS (у позначенняхсерій S — Schottky, LS — Low power Schottky, ALS — Advanced Low power Schottky,AS — Advanced Schottky, Advanced — удосконалена). Використання діодів збар'єром Шоткі дозволило значно підвищити швидкодію ІМС за рахунок запобіганняглибокого насичення транзисторів у ключовому режимі. Приємною для розроблювачаособливістю всіх перерахованих серій є повне співпадання номерів висновків іпозначення типу для ІМС однакового функціонального призначення. Наприклад, якщоSN7472 — JK-тригер, то позначення 72 буде присутнє для нього у всіх серіях. Цейже принцип використовується й у вітчизняних ІМС, хоча тип тут позначаєтьсябуквами. Помітимо, що в EWB 5.0 для всіх цифрових IC уведена нумераціявисновків, що істотно полегшує задачу визначення їхнього функціональногопризначення при зіставленні з вітчизняними аналогами.
У бібліотеці програми EWB використовується тільки серія SN73. Учисло дактуючих параметрів цифрових ІМС входять наступні (у дужках приводятьсяпозначення для EWB 3.1):
VOH, VOL — верхній і нижній рівні вихідного сигналу (напругалогічної одиниці і логічного нуля); у EWB 3.1 ці параметри відсутні;
VIH (Vih), VIL (Vil) — верхній і нижній рівні вхідного сигналу;
TPLH (Tplh) — затримка поширення сигналу при включенні (звичайнодає на рівні 1,0);
TPHL (Tphl) — затримка при вимиканні (на рівні ОД); VTG (Vth) —середня напруга спрацьовування.
Для полегшення роботи з бібліотекою нижче приводиться списоквітчизняних аналогів серії SN74 (для стислості деякі повторювані символиопущені):
4 елементи 2І-НІ (цифра 2 означає двовхідний); 4 елементи 2АБО-НІ;
4 елементи 2І-НІ з відкритим колектором (дозволяють підключатинавантаження з живленням більш високовольтного джерела живлення);
6 елементів НІ;
6 елементів НІ з відкритим колектором;
6 елементів НІ з відкритим колектором;
6 буферних елементів з відкритим колектором;
4 елементи 2І;
4 елементи 2І с відкритим колектором;
3 елементи ЗІ-НІ;
3 елементи ЗІ;
3 елементи ЗИ-НІ з відкритим колектором;
6 тригерів Шмітта з інверсією (мають підвищенуперешкодозахищеність);
6 буферних елементів НІ;
6 буферних елементів з відкритим колектором;
2 елементи 4І-НІ;
2 елементи 4І;
2 елементи 4І-НІ з відкритим колектором;
2 елементи 4І-НІ з входом стробирования;
4 елементи 2І-НІ з відкритим колектором;
4 елементи 2АБО-НІ;
елемент 8І-НІ;
4 елементи 2АБО;
4 елементи 2І-НІ з відкритим колектором;
4 елементи 2І-НІ з відкритим колектором;
2 елементи 4І-НІ з підвищеною навантажувальною здатністю;
7442 555ИД6 дешифратор 4x10(декодування 4-розрядного двійкового числа в десяткове);
7451 155ЛР11 елементи 2-2І-2АБО-НІ (2 елементи 2І, виходи якихпідключені на кристалі ІМС до елемента 2АБО-НІ) і 2-ЗІ-2АБО-НІ (аналогічно для2-ЗИ);
7454 155ЛР13 елемент 2-3-3-2І-4АБО-НІ (2 елементи 2І и 2 елементиЗИ об’єднані через4АББО-НІ);
7455 155ЛР4 Елемент 4-4І-2АБО-НІ (2 елементи 4І об'єднані через2АБО-НІ) з можливістю об'єднання по АБО (вихідний каскад елемента 2ИЛИ-НІ маєдодаткові входи транзистора З — Collector і Е — Emitter, що і дозволяєздійснити об'єднання по АБО);
7472 155ТВ1 JK-тригер з елементом ЗИ на входах;
7474155ТМ2 2 D-тригери;
7475155ТМ7 4 D-тригери з прямими й інверснимивиходами;
7476155ТВ7 2 JK-тригери;
7477155ТМ5 4 D-тригери з прямими виходами;
7478134ТВ14 два JK-тригери;
7486155ЛП5 4 елементи що Виключає АБО;
7490 155ИЕ2 4-розряднийасинхронний двійково-десятковий лічильник;
7491 134ИР2 8-розряднийзміщуваний регістр;
7492 155ИЕ4 4-розряднийасинхронний лічильник-дільник на 12;
7493155ИЕ5 4-розрядний асинхронний двійковий лічильник;
74107155ТВ6 2 JK-тригери з роздільною установкою нуля;
74109155ТВ15 2 JK-тригери;
74112 155ТВ9 2 JK-тригери;
74113 155ТВ10 2 JK-тригери з предустановкою нуля або одиниці;
74114 55ТВ11 2 JK-тригери з предустановкою нуля або одиниці ізагальним пронуленням;
74125 155ЛП8 4 буфера з трьома станами;
74126155ЛП14 4 формуавтеля з трьома станами;
74132155ТЛЗ 4 тригери Шмітта;
74134155ЛА19 елемент 12І-НІ з трьома станами;
74138155ИД7 дешифратор-демультиплексор 3x8;
74139155ИД142 дешифратора-демультиплексора 2x4;
7414555ИД10 двійково-десятковий дешифратор з відкритим колектором;
74147555ИВЗ пріоритетний шифратор 10-4;
74148155ВЕРБ1 шифратор пріоритетів 8x3;
74150 155КП1 селектор-мультиплексор 16x1;
74151 155КП7 селектор-мультиплексор 8
74 152 155КП5 селектор-мультиплексор 8
74153 155КП2 2 селектора-мультиплексора 4х2.
74154 155ИДЗ дешифратор-демультиплексор 4x16;
74155 155ИД4 2 дешифратора-мультиплексора 2x4;
74156 555ИД5 2 дешифратора-демультиплексора 2x4 з відкритимколектором
74157 533КП16 4-розрядний селектор-мультиплексор 2x1;
74158 1533КП18 4-розрядний селектор-мультиплексор 2x1 з інверсією;74160 155ИЕ9 4- розрядний синхронний двійково-десятковий лічильник;
74162 1533ИЕ11 4-розрядний синхронний десятковий лічильник;
74163155ИЕ18 4-розрядний синхронний реверсивнийдвоїчно-десятковийлічильник;
74164 155ИР8 8-розрядний регістр зрушення з рівнобіжними виходами;
74165 555ИР9 8-розрядний регістр зрушення з рівнобіжним введеннямінформації;
74166 555ИР10 8-розрядний регістр зрушення із синхроннимрівнобіжним уведенням;
74169155ИЕ17 4-розрядний двійково- синхронний реверсивнийлічильник;
74173 155ИР15 4-розрядний регістр із трьома станами;
74174 155ТМ9 6 D-тригерів;
74175 155ТМ8 4 D-тригери; 74181 155ИПЗ 4-розрядне АЛУ;
74191 155ИЕ13 синхронний реверсивний двійковий лічильник;
74192 155ИЕ6 двійково-десятковий реверсивний лічильник;
74194 155ИР11 4-розрядний універсальний регістр зрушення;
74195 155ИР12 4-розрядний регістр зрушення з рівнобіжним уведенням;
74198 155ИР13 8-розрядний універсальний регістр зрушення;
74240 155АПЗ 8 буферів з інверсією і трьома станами;
74241 155АП4 8 буферів із трьома станами; 74244 155АП5 2x4 буферівіз трьома станами;
74251 155КП15 селектор-мультиплексор 8x1 із трьома станами;
74253 155КП12 2 селектора-мультиплексора 4x1 із трьома станами;
74257 155КП11 4 селектора-мультиплексора 2x1 із трьома станами;
74258 155КП14 4 селектора-мультиплексора 2x1 із трьома станами йінверсією;
74273 155ИР35 8-розрядний регістр з установкою нуля;
74279 555ТР2 4 RS-тригера-засувки;
74280 1533ИП5 9-розрядна схема контролю парності;
74283 155ЇМ6 4-розрядний повний суматор із прискореним переносом;
74298 155КП13 4 2-вхідних мультиплексора з запам'ятовуванням;
74353 555КП17 здвоєний мультиплексор 4x1 з інверсією і трьомастанами виходу;
74365 155ЛП10 6 повторювачів з керуванням по входах і трьомастанами
74367 155ЛП11 6 повторювачів з роздільним керуванням по входах ітрьома станами;
174373 155ИР22 8-розрядний буферний регістр із трьома станами іпотенціальним керуванням;
74347 155ИР23 8-розрядний буферний регістр із трьома станами йімпульсним керуванням;
174377 155ИР27 8-розрядний регістр із дозволом запису;
74395 533ИР25 4-розрядний рівнобіжний регістр зрушення.
Посилання в цьому переліку на ІМС інших серій викликано їхньоювідсутністю в серії 155, однак тут це не має істотного значення, оскільки мовайде тільки з'ясуванні функціонального призначення висновків.
Цифрові ІМС КМДН-серії одержали назву від свого базового елемента,
у якому використовується так називана комплементарна пара з двохМДН-транзисторів різної провідності. Такі ІМС характеризуються малимспоживанням потужності в статичному режимі (0,02… Л мквт на вентиль), великимдіапазоном живлячих напруга (3...18 У), високим вхідним опором(до десятківТім), великою навантажувальною здатністю, незначної залежності характеристиквід температури, малими розмірами транзисторів у інтегральному виконанні і, якнаслідок, більш високим ступенем інтеграції по порівнянні с ТТЛ-мікросхемами.
Перші ИМС по КМДН-технології розроблені фірмою RCA у 1968 р. Цясерія мала назву CD4000 (вітчизняні аналоги — серії 164 і 176), потім пішлисерії CD4000A, CD4000B (вітчизняні аналоги — 564, 561 і 1561) а також МС14000А иМС14000В фірми Motorola і 54НС фірми Nationa Semiconductor у 1981 р.(вітчизняний аналог — серія 1564). У програмі EWВ у якості бібліотечнихвикористовуються ІМС фірми RCA, більшість яких приведено в наступному переліку:
4000 176ЛП4 2 елементи З АБО-НІ і І-НЕ;
4001561ЛЕ5 4 елементи 2АБО-НІ;
4002561ЛЕ6 2 елементи 4АБО-НІ;
4008561ЇМ1 4-розрядний повний суматор;
4009176ПУ2 6 перетворювачів рівня з інверсією;
4010176ПУЗ 6 перетворювачів рівня без інверсії;
4011561ЛА7 4 елементи 2І-НІ;
4012561ЛА8 2 елементи 4І-НІ;
4013561ТМ2 2 D-тригери;
4015561ИР2 2 4-розрядних зміщуваних регістри;
4017561ИЕ8 десятковий лічильник з дешифратором;
4019561ЛС2 4 елементи І-ІЛІ;
4023561ЛА9 3 елементи ЗІ-НІ;
4024176ИЕ1 6-розрядний двійковий лічильник;
40251561ЛЕ10 3 елементи ЗАБО-НІ;
4027561 ТВ1 два JK-тригери;
4028561ИД1 двійково-десятковий дешифратор;
40294030561ЛП2 4 елементи ЩО ВИКЛЮЧАЄ АБО;
4040 1561ИЕ20 12-розрядний двійковий лічильник;
4042 561ТМЗ чотири D-тригери;
4043 561ТР2 чотири RS-тригери;
4049 561ЛН2 6 елементів НЕ;
4050 561ПУ4 6 перетворювачів рівня;
4066 561КТЗ 4 перемикачі (цифрового або аналогового сигналу);
4070 1561ЛП14 4 елементи ЩО ВИКЛЮЧАЄ АБО;
4081 1561ЧИ2 4 елементи 2И;
4502 561ЛН1 6 стробіруємих інверторів;
4516 561ИЕ11 4-розрядний реверсивний лічильник;
4520 561ИЕ10 2 4-розрядних лічильники;
4556 1561ИД7 двійковий декодер-демультиплексор.
Приведемо систему позначень входів і виходів найпростіших логічнихелементів, використовуваних у програмі EWB. Позначення для ТТЛ-серіїприводяться в перших круглих дужках, для КМДН — у других, при однаковихпозначеннях — без дужок:
Висновок для живлення — (Ucc), (Udd); Загальний висновок — (GND),(Uss); Висновок не підключений — NC;
Входи —(А, У, С...), (I); Виходи — (Y), (ПРО); Вхід стробіровання— G.
Приведемо приклад позначення послідовності висновків для 2-вхіднихлогічних елементів:
(1А IB 1Y, 2А 2В 2Y, ЗА ЗВ 3Y, 4А 4В 4Y), (II12 01,13 14 02,15 1603,17 18 04).
Для більш складних ІМС визначення функціонального призначенняїхніх висновків доцільно проводити шляхом зіставлення з вітчизняними аналогами[4—10]. Для більш оперативної орієнтації при роботі з цифровими ІМС приведемоперелік найбільш розповсюджених мнемонічних позначень на їхніх функціональнихсхемах і в таблицях станів [5, 7].
А = У (Parity) — вихід рівності операндів А і В.
A/S (Asynchro/Synchro) — вхід асинхронного і синхронного режимів.
B/D (Binary/Decimal) — вхід переключення рахунку з двійкового надесятковий.
З (Clock input) — вхід тактових імпульсів.
CD (Count down) — вхід тактових імпульсів на зменшеннярахунку (у реверсивних лічильниках).
Сс (Count up) — вхід тактових імпульсів на збільшеннярахунку.
СЕ (Clock enable) — вхід дозволу для тактових імпульсів.
СІРИЙ (Count enable parallel) — вхід рівнобіжного нарощуваннярозрядів лічильника.
СЕТ (Count enable trickle) — вхід дозволу рахунку при нарощуваннірозрядів лічильника.
CLR (Clear) — вхід скидання.
Cn (Carry in) — вхід для розряду переносу.
CS (Chip select) — вибір кристала; визначає доступ до однієї з ІМСпристрою.
D (Data input) — вхід даних тригера, лічильника, регістра.
DSI (Data serial input) — вхід послідовних даних.
DS(Data select) — вхід вибору даних.
DL, DR (Data left, Data right) — входи для послідовногозавантаження (регістра) ліворуч, праворуч.
DSL, DSR (Data shift left, Data shift right) — входи для зрушенняданих вліво, вправо.
Е (Enable) — вхід сигналу дозволу.
ЄС (Enable count) — вхід сигналу дозволу рахунку.
ЇЇ (Enable even) — вхід сигналу дозволу, рахунковий.
El (Enable input) — висновок ІМС, по якому дається дозвіл наприйом даних.
НЕЮ (Enable input/output) — висновок для одночасного дозволу повходу і виходу.
ЕО (Enable output) — висновок для дозволу по виходу.
LSB (Least significant bit) — молодший значущий розряд (МЗР).
М (Mode control) — вибір режиму «Арифметика-логіка» вАЛУ.
РЕ (Parallel enable load) — вхід дозволу рівнобіжногозавантаження.
P/S (Parallel/serial) — вхід переключення режимів рівнобіжного абопослідовного завантаження.
R (Reset) — асинхронне скидання даних.
RE (Read enable) — вхід дозволу читання.
S (Set) — установка тригера, лічильника, регістра.
S (Set enable) — дозвіл попереднього рівнобіжного запису.
SI (Serial input) — вхід послідовний.
SIR, SIL (Serial input right, SI left) — вхід послідовнийправоруч, ліворуч.
SR (Synchro reset) — вхід скидання синхронно з тактовим імпульсом.
ТС (Terminal count) — вихід закінчення рахунка.
TCD (Terminal count down) — те ж, на зменшення рахунка.
TCU (Terminal count up) — те ж, на збільшення рахунка.
Розглянемо базові елементи, з яких набираються самі складніцифрові ІМС.
Схема базового елемента (вентиля) ТТЛ-серії показана на мал. 3.70,а. Вона має три основних каскади: вхідний на транзисторі VT1, фазорозподільнийна транзисторі VT2 з можливістю реалізації на ньому функції АБО і вихіднийпідсилювач на транзисторах VT3 і VT4 [49].
Як транзистор VT1 використовується багатоемітерний транзистор,відсутній у бібліотеці EWB. Принцип дії вхідного каскаду легко зрозуміти, якщопереходи база-емітер представити у виді діодів, як показано на мал. 3.70, б. Тодіочевидно, що якщо вхідні діоди (входи А, В) підключені до шини з високоюнапругою (3...5 В), те струм резистора R1 потече через коллекторний діод у базутранзистора VT2. Якщо ж хоча б один із вхідних діодів підключений до заземляючоїшини або до шини з низькою напругою, то в такий же спосіб, виявиться підключенимі резистор R1. На базі транзистора VT1 при цьому буде низька напруга(перевищуюче вхідне на величину напруги база-емітер) і базовий струмтранзистора VT2 стане рівним нулеві.
Таким чином, при високих напругах на обох входах на колекторітранзистора VT1 також буде висока напруга; якщо ж хоча б на один із входівподана близька до нуля напруга, то на колекторі VT1 установиться низьканапруга, а це означає, що вхідний транзистор виконує логічну функцію І.
Фазорозподільний каскад виконаний на транзисторі VT2 і резисторахR2, R3, у яких приблизно рівні опори (близько 0,25...0,33 від R1). При цьомунасичення транзистора VT2 досягається вже при досить малому коефіцієнтіпідсилення струму. Коли на всі логічні входи схеми подана висока напруга, черезперехід бази-колектора транзистора VT1 у базу VT2 подається керуючий струм, урезультаті чого VT2 відкривається. При цьому напруга в точці Е може зроститільки до напруги база-емітер транзистора VT4, а напруга в точці З (наколекторі VT2) знизиться до значення, рівного сумі напруг відкритих діода VD ітранзистора VT3. Якщо хоча б на один з логічних входів подається низька напруга(сигнал логічного нуля), то транзистор VT1 відкривається, відключаючи керуючийбазовий струм транзистора VT2, у результаті чого VT2 закривається і черезрезистори R2, R3 протікає тільки струм витоку, тому напруги в точках Е и Сблизькі до нуля і Ucc відповідно. Логічна функція АБО може бути реалізована прирівнобіжному з'єднанні двох або більш подібних фазорозподільних каскадів (уточках С і Е).
Основним транзистором вихідного каскаду є транзистор VT3. Коли навходи А, В (мал. 3.70, б) подані висока напруга, транзистори VT2 і VT3відкриті. У цьому випадку напруга в точці З буде дорівнювати, як зазначеновище, напрузі двох відкритих р-n-переходів. Якщо тимчасово виключити з розглядутранзистор VT4 і розглядати тільки ланцюг, що містить діод VD і транзистор VT3,то напруга в точці S буде нижче напруги в крапці З на величину, рівну напрузіна двох р-n-переходах. При цьому напруга на базі транзистора VT4 буде достатнім(саме за рахунок діода VD) для підтримки його у відкритому стані, тобто навиході S буде діяти напруга, рівне напрузі насичення транзистора VT4 (сигналлогічного нуля).
Якщо хоча б на один із входів вентиля А або В подане низька напруга,то транзистори VT2 і VT4 закриті. Через резистор R2 тече тільки струм витокутранзистора VT2, тому напруга в крапці З близько до напруги харчування Vcc, апотенціал у крапці S нижче потенціалу З на величину спадання напруги на двохвідкритих переходах. Спаданням напруги на резисторі R2 від базового струмутранзистора VT4 можна зневажити. Таким чином, при наявності хоча б на одному звходів вентиля низької напруги вихідна напруга вентиля нижче напруги живленняна спадання напруги на двох р-n-переходах. У різних серіях ТТЛ використовуютьсярізні схеми вихідних каскадів, однак завжди між шиною Ucc і виходом S маєтьсядва послідовно включених р-n-переходи. Резистор R4 служить для захистутранзистора VT3 при закорочуванні виходу S на «землю».
Базовий елемент серії 54/74 (155) (мал. 3.71) небагатовідрізняється від розглянутого (мал. 3.70). Основна відмінність полягає в тім,що діод VD включений у емітерний, а не в базовий ланцюг транзистора. На мал. 3.71показаний також підключений до виходу мультиметр і імітатор вхідного сигналу,виконаний на ключі Z. У положенні ключа, показаному на малюнку, на входіформується сигнал логічної одиниці. При перекладі ключа в інше положення вхідвентиля підключається через резистор Ri до загальної шини, у результаті чого навході вентиля формується сигнал логічного нуля.
/>
а) б)
Мал.3.70.Базова схема елемента ТТЛ-серії (а) і еквівалентна схема багатоемітерноготранзистора(б).
/>
Мал.3.71.Базова схема елемента серії 54/73.
/>
а) б)
Мал.3.73.Базова схема інвертора (а) і елемента АБО-НІ (б) КМДН-серії.
Розглянемо тепер базові елементи ІМС КМДН-серії. Найпростішимелементом цієї серії є КМДН-інвертор, схема якого показана на мал. 3.72, а.Вона складена з КМДН-транзисторів різного типу провідності. Транзистор n-типупідключений джерелом до нульового потенціалу, транзистор р-типу до позитивноїшини джерела живлення. Схема реалізує логічну операцію НІ і забезпечує роботу врежимі позитивної логіки. У такому режимі працюють більшість ІМС КМДН-серій.
Для реалізації функції АБО-НІ (мал. 3.72, б) використовуєтьсярівнобіжне включення МДН-транзисторів n-типу і послідовне (ярусне) включеннятранзисторів p-типу. Крім того, кожний із вхідних транзисторів n-типу зв'язанийпо затворі з транзистором р-типу. Для реалізації функції І-НІ (мал. 3.73)napaлельно включаються транзистори р-типу і послідовно — транзистори n-типу.При подачі на вхід схеми АБО-НІ сигналу X1 високого рівня відкриєтьсятранзистортор VT1 і закриється VT3. У результаті на виході схеми формуєтьсянизький рівень напруги. При подачі на обидва входи (X1 і Х2) сигналів низькогорівня транзистори VT1 і VT2 закриваються, але відкриваються транзистори VT3 іVТ4, у результаті чого на виході схеми напруга буде близькою до напругиживлення Ucc. Таким чином, перезаряд ємності навантаження, що підключається міжвихідним затискачом Y і загальною шиною, завжди здійснюється через відкритийтранзистор р-або n-типу, що підвищує швидкодію схеми.
Потужність, споживана схемою на КМДП-транзисторах, витрачається восновному під час перехідного процесу на заряд вихідних паразитних ємкостейсхеми і власних ємкостей транзистора. Тому зі збільшенням частоти переключення,а також при збільшенні вихідної еквівалентної ємності споживана потужністьзростає відповідно до вираження Рдин = 2CxFxUсс2 де З — еквівалентнаємність навантаження; F — робоча частота; Ucc — напруга джерелаживлення.
У статичному режимі споживана потужність визначається напругоюживлення і струмами витоку закритого МДН-транзистора. Для зменшення потужності,споживаної в динамічному режимі, необхідно в першу чергу знижувати їмнавантаження.
Мінімальна напруга живлення схеми на КМДН-транзисторахвизначається напругою відмикання р-канального транзистора, тому що воно більше,ніж напруга відмикання n-канального транзистора. Природно, що живленнявибирається більше напруги відмикання. Це забезпечує схемі на КМДН-транзисторахвисоку завадостійкість і швидкодію.
/>
Мал.3.73.Схема базового елемента І-НІ КМДН-серії.
Схема І-НІ на мал. 3.73 містить імітатор вхідного сигналу наключах А, В і мультиметр для перевірки правильності функціонування схеми. Уположенні перемикачів, показаних на схемі, на входи А, В подаються сигналилогічної одиниці. При цьому транзистори VT1, VT2 будуть закриті, а транзисториVT3, VT4 — відкриті і на виході Y мультиметром буде фіксуватися низький рівеньсигналу логічного нуля. Досить один з вимикачів перевести в інше положення йодин із двох нижніх транзисторів закриється, при цьому на виході Y будефіксуватися високий рівень сигналу логічної одиниці, що і відповідає логіціроботи І-НІ.
Контрольні питання н завдання
1. Коли і де були створені перша мікросхема і першиймікропроцесор?
2. Що із себе представляють ТТЛ- і КМДН-серии цифрових ІМС?
3. Що дозволило радикально підвищити швидкодію ТТЛ-серії?
4. У чому полягає розходження в позначеннях цифрових ІКС закордонногой вітчизняного виробництва?
5. Яку основну перевагу мають цифрові КМДН-мікросхеми в порівнянні зТТЛ і на яких частотах воно виявляється?
6. Які функції виконує багатоемітерний транзистор у ІМС ТТЛ-серії?
7. З опису процесу формування на виході S сигналу логічного нуля всхемі вентиля на мал. 4.70, а не зовсім ясно, у якому стані при цьомузнаходиться транзистор VT3 — у відкритому або закритому. Для перевіркинеобхідно при логічній одиниці на входах А, У виміряти за допомогою мультиметранапругу на колекторі VT3, попередньо переконавшись, що на виході S сигналлогічного нуля. Якщо ця напруга дорівнює Ucc = + 5 В, то це означає, що черезрезистор R4 струм не тече і, отже, транзистор VT3 закритий. Якщо це так,спробуйте пояснити, чому?
8. Перевірте правильність функціонування схеми на рис 4.73.