работа

Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ)

Кафедра «Электроника и защита информации»



































Курсовая работа

Преобразователи уровней интегральных схем









Студент: 

Группа: ВУИ-411





















Вариант №15











Москва 2007



Исходные данные



Вариант №15

Согласуемые элементы серии ИС – К155(КМ155) – К176    (ТТЛ - КМДП)

Нагрузочная способность ПУ – 10

Частота переключения f – 0.5 МГц

Температурный диапазон - 1085оС

Монтажная емкость См=50 пФ

Входная емкость элементов Свх=15 пФ



Задание на курсовую работу



Выбрать конкретные микросхемы из указанных серий, начертить их принципиальные схемы.

Выбрать схему преобразователя уровней и описать его работу.

Выбрать типы биполярных транзисторов и диодов для схемы ПУ, привести необходимые справочные данные.

Рассчитать схему ПУ в заданном температурном диапазоне и выбрать номиналы резисторов, обеспечивающие заданные характеристики ПУ.

Рассчитать мощность, потребляемую ПУ от источника питания.

 Рассчитать с  помощью ЭВМ передаточную характеристику ПУ Uвых(Uвх) для номинальных параметров и Т=25оС, построить её и определить запасы помехоустойчивости в состояниях лог. 0 и лог. 1 по входу ПУ.



























































Введение

Преобразователи уровней (ПУ) используются для согласования входных и выходных сигналов по напряжению и току при построении цифровых устройств на различных логических элементах.  ПУ должен обеспечить преобразование выходного логического уровня одного элемента ЛЭ1 во входной логический уровень другого элемента ЛЭ2 с заданным коэффициентом разветвления n, т.е. давать требуемый логический уровень для n элементов ЛЭ2, параллельно подключенных к выходу ПУ.

Логические элементы, в зависимости то элементарной базы, на которой они построены, имеют разные напряжения питания и разные значения входных и выходных сигналов.

Для микросхем  транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), которые построены на биполярных транзисторах, уровень логического «0» входного напряжения 0.8 В, уровень логического нуля выходного напряжения 0.4 В, уровень логической «1» входного напряжения 2.4 В, а уровень логической «1» выходного напряжения 2.8 В. Напряжение питания ТТЛ равно 5 В.

	Для микросхем КМДП напряжение питания Епит обычно лежит в пределах от 5 до 15 В, а уровень логического «0» входного напряжения 0.2 Епит, уровень логического «0» выходного напряжения равен 0 В, уровень логической «1» выходного напряжения 0.8 Епит, а уровень логической «1» выходного напряжения Епит.

	Пороговое напряжение переключения для ТТЛ составляет 1.2 В, а для КМДП Епит/2. Для согласования выходов ТТЛ микросхем со входами КМДП микросхемы применяются микросхемы К176ПУ5.



Описание микросхем



К155ЛА3(четыре логических элемента 2И-НЕ)
Условное графическое обозначение

1,2,4,5,9,10,12,13 - входы X1-X8;
3 - выход Y1;
6 - выход Y2;
7 - общий;
8 - выход Y3;
11 - выход Y4;
14 - напряжение питания; 








К176ЛА7 отличается от микросхемы К155ЛАЗ только нумерацией выводов двух средних (по схеме) логических элементов 2И-НЕ. 





Типовые статические параметры используемых микросхем



Параметр

ТТЛ

КМДП

Е,В





U0,В

0,4

0,3

U1,В

2,4

4,5

I1вх, мА

0,1

        1,5*10-3

I0вх, мА

1,6

1,5*10-3

I1вых, мА

1

2,5

I0вых, мА

16

2,5

Un, В

0,6

1











Справочные данные для К176ЛА7		



Параметр

    Е,В=9В

U0,В=0,3

U1,В=8,2

I1вх, мА=0,1

I0вх, мА=-0,1

I1вых, мА=0,3

I0вых, мА=0,3

Un(Помех-ть)=0.9







Справочные данные для К155ЛА3



Параметр

    Е,В=5В

U0,В=0,4

U1,В=2,4

I1вх, мА=0,04

I0вх, мА=-1,6

I1вых, мА=16

I0вых, мА=-0,4

Un(Помех-ть)=0.9

Краз=10







Принципиальные схемы











































































































Схема преобразователя ТТЛ - КМДП





Rk

Rб

+Е

Uвх

Uвых

VT1

VT2

VT3







Выбор напряжения питания П.У.



Напряжение питания ПУ выбрано равным напряжению питания элемента К176ЛА7. 

Uп=9В



Выбор номинала резистора Rk.



Составим систему двухсторонних неравенств, из которых найдем номинал резистора:



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

 где  - минимальное напряжения питания при заданном допуске.

минимальное напряжение питания при допуске 5%

n=10 – нагрузочная способность



 и  - максимальные значения входного тока КМДП-элемента и обратного тока коллектора транзистора VT, которые достигаются при минимальной температуре Tмакс, заданного температурного диапазона работы ПУ.











 уровень логической «1» на выходе К175ЛА7

кОм



Запишем второе ограничение сверху на величину Rk:



Сn=nCвх+См=10*15+50=200 пФ



Отсюда  кОм

Из условия тока коллектора насыщенного транзистора VT максимально допустимым током Iк макс для наихудшего соотношения параметров определим ограничение снизу на величину Rk:

  где  - максимальное напряжения питания при заданном допуске.

Таким образом, мы получаем двухсторонне ограничение на величину Rk, где:

            где =9В+0,45В=9,45В       

           В – напряжение насыщения коллектор-эмиттер

             А – максимально допустимый ток коллектора транзистора

            мкА



 кОм



Таким образом, мы получили двухсторонне ограничение на Rk

                        кОм      кОм       кОм

Выберем величину Rk наиболее подходящую под двухсторонне ограничение:





Мощность, рассеиваемая на резисторе Rk при насыщении транзистора VT, определяется выражением:



Выбор номинала резистора Rб.



Составим систему неравенств, из которых выберем номинал резистора в соответствии со стандартным рядом номиналов.



Определим первое и второе ограничение снизу:



    

       U*=0.8В – напряжение насыщения база-эмиттер транзистора

        Iбmax =0.1 А – максимально допустимы ток базы транзистора



           кОм         кОм



Определим ограничение сверху на величину Rб.



 кОм



Выбираем величину сопротивления резистора в соответствии со стационарным рядом номиналов резисторов Rб=13кОм



Определение мощности потребляемой ПУ.



Мощность, потребляемая ПУ от источника питания Е в состоянии логической «1» на выходе для наихудшего соотношения параметров определяется выражением:



        мВт



Мощность, потребляемая ПУ от источника питания Е в состоянии логического «0» на выходе для наихудшего соотношения параметров определяется выражением:











Построение передаточной характеристики ПУ



На передаточной характеристике ПУ можно выделить три участка

а) Если Uвх, VT находится в отсечке и Uвых определяется выражением

         



б) Если Uвх==0,8В то VT открыт и его ток базы равен 





пока транзистор VT находится в активном режиме.

 мА





Ток Iб транзистора VT достигает значения IбНАС  при UВх=





в) Если Uвх1,3В то VT находится в насыщении и Uвых=UкэНАС=0,2В









Зависимость Uвых от Uвх выражается формулой