Circuite logice cu diode. poarta si

CIRCUITE LOGICE CU DIODE. POARTA SI

SCOPUL LUCRARII

Se vor studia circutele logice cu disde semiconductoare in regim static si dinamic.

CONSIDERATII TEORETICE

Circuitul SI cu diode

V_S V_AA Tabelul 1 Tabelul 2

V_I

A D₁ Y

V_s

D₂

B V_I

C

D₃

Fig.1

Circuitul logic SI cu rezistente si diode e reprezentat in fig.1. Functionarea circutului este descrisa in tabelele 1 si 2. Au fost notate cu A, B si C semnalele de intrare si Y semnalul de iesire. Nivelului logic "0" ii corespunde tensiunea V_I (tensiunea inferioara), iar nivelului logic "1" ii corespunde tensiunea V_S (tensiunea inferioara). Circuitul functioneaza corect daca V_AA>V_S>V_I. Se presupune ca pe diodele utilizate, caderea de tensiune este neglijabila in comparatie cu tensiunea de alimentare V_AA. In aceste conditii functionarea circuitului se poate explica:

a)     Daca: V_A=V_C=V_B=V_S diodele D₁, D₂, D₃ conduc deoarece sunt polarizate direct (V_AA>V_S) iar la iesire se stabileste un potential V_T=V_S+V_D≈V_S unde V_D este caderea de tensiune pe dioda si care s-a neglijat.

b)     Daca la cel putin o intrare se aplica un nivel de tensiune inferior V_I (ex. V_A=V_I si V_C=V_B=V_S) atunci dioda in catodul careia s-a aplicat V_I va conduce si va fixa in anodul ei un potential V₁. Acest potential va determina ca diodele in catodul carora avem V₂ sa fie polarizate invers.

Functionatea circuitului este descrisa in tabelul 1 iar functionarea logica in tabelul 2. Fuctia logica obtinuta este: .

Din cele prezentate rezulta ca: dintre diodele D₁, D₂, D₃ va conduce numai dioda care are catodul conectat la tensiunea cea mai mica.

2.1. Relatii de dimensionare

V_AA V_AA

R_A R_A

I_RA I_RA

V_A=V_S  D₁ I_A V_A=V_I I_A

V_Y=V_S V_Y=V_I

I_S I_S

D₂ I_B V_B=V_S I_B

V_B=V_S

D₃ I_C V_C=V_S I_C

V_C=V_S

a) b)

Fig. 2

Dimensionarea rezistentei R_A se face din conditia asigurarii unui curent de iesire I_S in cazul cel mai defavorabil adica atunci cand V_T=V_S. In acest caz facand suma curentilor in nodul de iesire se obtine (fig. 2 (a)):

(10)

sau:

(11)

se constata ca valoarea curentului I_RA in acst caz are valoarea minima ceea ce face ca generarea unui curent I_S dat sa fie obtinuta cu mai mare dificultate pe masura ce V_AA are valoarea apropiata de V_S. Din acest motiv se recomanda ca V_AA= (2+6)V_S.

In relatia (11) daca se accepta ca I_S>>(I_A, I_B, I_C) se obtine:

; sau (12)

Pentru determinarea curentului necesar a comanda poarta SI se constata ca situatia cea mai defavorabila se obtine cand acest curent de intrare are valoarea maxima adica cand V_Y=V_I.

(13)

unde:

(14)

dar cum V_Y=V_I se obtine in sapte cazuri (vezi tabelul 1) dintre acestea doar in trei cazuri se obtin curenti de intrare maximi si anume cand la o singura intrare se aplica V₁. In acest caz diodele D₂ si D₃ sunt blocate. Scriind suma ecuatiilor se obtine:

(15)

unde:

sau:

(16)

unde n- numar de intrari.

Se poate constata din relatia 16 ca valoarea maxima a curentului I_A se obtine atunci cand curentul de sarcina este 0.

Analiza regimului dinamic

V_I

V_S

0,5 (V_S-V_I) 0,5 (V_S-V_I)

V_I t t

0,5 (V_S-V_I) 0,5 (V_S-V_I)

t

t_piH t_piL

Fig. 3

Regimul dinamic al unei porti SI se caracterizeaza prin timpii de comutare al diodelor la care se adauga timpul de incarcare/descarcare ale capacitatilor parazite de la iesirea circuitului. Acest regim dinamic este caracterizat prin timpul de propagare definit ca in fig. 3. In practica diodele utilizate sunt diode de comutare, ceea ce face ca o pondere insemnata din comportarea dinamica a circuitului sa fie influentata de sarcina capacitiva.

U_i

V_AA

U

R_A 0

t

D₁ I_inc b)

A U_e

U

+ C_p 0,9U 0,9U

B -

D₂ 0 0,1U 0,1U t

I_des t₁ t₂ t₃ t₄

a) t_r t_c

c)

Fig. 4

Analiza influentei acestei capacitati de sarcina se prezinta in fig. 4 unde capacitatea C_P influenteaza asupra timpului de ridicare si coborare a semnalului de iesire:

(17)

(18)

unde: n rerprezinta numarul de diode, R_b este rezistenta inversa a diodei

dar: V₀(∞)=V_A, V₀(t1)=0,1U, V₀(t2)=0,9U, R_A<<R_b/n, U=V_s-V_i deci : R_E≈R_A

(19)

Timpul de coborare:

(20)

unde:

(21)

iar:

(22)

si R_c este rezistenta directa a unei diode deci:

(23)

MERSUL LUCRARII

Se realizeaza porta SI din fig. 5 cu V_AA= 15V, R_A= 10 kΩ, V_I= 0V, V_S= 5V. Se cere sa se masoare valoarea tensiunii de la iesire pentru urmatoarele cazuri:

a)     V_A=V_B=V_C=V_I

b)    V_A=V_B=V_C=V_S

c)     V_A=V_I, V_B=V_C=V_S

d)    V_A=V_B=V_I, V_C=V_S

3.2. Tot pentru cazurile prezentate la 3.1. se va masura curentul de intrare pe intrarea A realizandu-se montajul din fig.5.

V_AA

R_A

D₁

A

Y

D₂ +

B V

-

C

D₃

Fig. 5

3.3. Se va verifica daca circuitul realizeaza functia logica SI.

Pe baza valoilor de la 3.1. si pentru cazul V_A=V_B=V_C= 5V se aplica la intrare un semnal rectangular

avand parametrii definiti in fig.4 si valorile T₁= 10 μs, U= 5V, T= 20 μs. Se cere sa se vizualizeze semnalul de la iesirea portii si sa se oscilografieze acest semnal. Se va masura cu multa atentie timpul de ridicare/coborare a semnalului de iesire cat si ceilalti parametrii legati de acest semnal.

In continuare se va analiza modul cu care se modifica T_c si T_r functie de capacitatea conectata la iesire. In acest sens se conecteaza la iesire pe rand cate o capacitate de: 100 pF, 220 pF, 470 pF, 1 nF, 1,5 nF.

se vor masura la osciloscop fronturile tensiunii de iesire (t_c si t_r) si se compara cu valoarea initiala

se modifica tensiunea V_AA adoptandu-se valorile: 5, 10, 20 V. Pentru o capacitate de 100 pF se va masura pentru fiecare valoare timpul de ridicare si de coborare a semnalului de iesire. Se va compara cu timpii masurati pentru V_AA= 15V

se vor prezenta concluziile privind modul cum sunt influentati cei doi timpi de tensiunea de alimentare si de capacitatea de sarcina