Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 14 из 17

1_{б.нас.мин}.

Через 1_{к.порог}обозначен ток коллектора, соответствую­щий напряжению и_{бэ.порог}.

Интервал t₁...t₂называют интервалом задержки вклю­чения, интервал t₂....t₃— интервалом формирования фрон­та, а интервал t₃...t₄— интервалом накопления заряда. Раз­ность t₃—t₁называют временем включения.

Длительность интервала формирования фронта опре­деляется током базы, током насыщения коллектора 1_к.нас, величиной b транзистора, а также временем жизни не­основных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напря­жения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэто­му изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это находит отражение в том, что возникают токи электродов транзистора. Но ток коллек­тора на рассматриваемом интервале мал. Указанное явле­ние изменения зарядов условно называют перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного пере­ходов. Однако не следует забывать, что барьерные емкос­ти, как и диффузионные, являются по определению дифференциальными емкостями. Поэтому к термину «пе­резаряд» следует относиться с осторожностью. Например, если напряжение между базой и эмиттером равно нулю, это Не означает, что некомпенсированный заряд в обла­сти эмиттерного перехода равен нулю (а заряд «обычной» емкости равен нулю при нулевом напряжении). К концу интервала задержки напряжение между базой и эмиттером увеличивается до значения и_{бэ.парог}.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора являются значительными. В начале этого ин­тервала продолжается изменение напряжения на эмиттер-ном переходе. В течение всего интервала изменяется на­пряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изме­нение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме это­го, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это условно называют процессом накопления неосновных носителей. Но следует учитывать, что заряд неосновных носителей практически мгновенно компенсируется зарядом основных носителей. Подробнее этот вопрос рассмотрен при изучении полу­проводникового диода и явления диэлектрической релак­сации (релаксации Максвелла). Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта t_ф.

На интервале накопления заряда продолжается накоп­ление неравновесных носителей электричества. При этом напряжение и_кэнезначительно уменьшается, а ток коллек­тора незначительно увеличивается.

Изобразим временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выключения (рис. 3.9).

На рис. 3.9 введены следующие обозначения интерва­лов времени:

• 
  t₁...t₂— рассасывания заряда;
  
• 
  t₂....t₃ — формирования спада;
  
• 
  t₃....t₄— установления.
  

Разность t₃ — t₁называют временем выключения. На интервале рассасывания ток базы отрицательный и ограничивается резистором R_б. .Если пренебречь напряжением и_6э, то

i₆=-U₂/R_б . На этом интервале происходит уменьшение концентрации неравновесных носителей электричества, и к концу интервала транзистор выходит из режима насыщения. Чем больше коэффициент насы­щения, тем больше время рассасывания t_pac. Чем больше по модулю ток i₆, тем меньше время рассасывания.

На интервале форсирования спада продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток i_кзначительно уменьшается, а напряжение на коллектор­ном переходе и напряжение и_кэзначительно возрастает. Изменение напряжения на коллекторном переходе при­водит к изменению объемных нескомпенсированых заря­дов в области этого перехода (говорят, что барьерная кол­лекторная емкость перезаряжается).

На интервале установления напряжение и_бэизменяет­ся от величины и_{бэ.порог}до —U₂. При этом изменяются не-скомпенсированные объемные заряды переходов транзи­стора.

После момента времени t₃ток коллектора становится равным току базы, эмиттерный переход смещается в об­ратном направлении, ток базы быстро уменьшается по мо­дулю и становится нулевым.

Количественный анализ динамических режимов тран­зисторных ключей настоятельно рекомендуется выпол­нить с помощью пакетов программ для машинного ана­лиза электронных схем (Micro-Cap V и др.). Эти пакеты программ позволяют анализировать переходные процес­сы при самых сложных входных сигналах. Ранее для рас­чета переходных процессов в транзисторных ключах при­менялись упрощенные методики, предполагающие к тому же использование простых входных сигналов. В настоящее время эти методики рекомендуются применять только в учебных целях.






Из изложенного следует, что время включения ключа можно уменьшить, увеличивая отпирающий ток базы. В то же время увеличивать коэффициент насыщения неже­лательно, так как это удлиняет время выключения. Ана­логично время выключения можно уменьшить, увеличи­вая запирающий (отрицательный) ток базы.

Представим схему транзисторного ключа с форсирую­щим конденсатором, который увеличивает положитель­ную и отрицательную амплитуды тока базы и тем самым повышает быстродействие (рис. 3.10). Работу ключа пояс­няют временные диаграммы. Подобные схемы широко ис­пользуются на практике.

3.2.2. Ненасыщенные ключи

на биполярных транзисторах

Одним из способов повышения быстродействия явля­ется предотвращение насыщения транзистора. Это, как отмечалось выше, уменьшает время рассасывания. Важно учитывать, что предотвращение насыщения обычно дос­тигается не уменьшением отпирающего базового тока, так как этот способ предотвращения насыщения имеет суще­ственные недостатки. Во-первых, если ориентироваться на уменьшение тока базы, то придется принять меры по точной регулировке этого тока. Иначе ключ на одном эк­земпляре транзистора, имеющего малый коэффициент р, не будет полностью открываться, а ключ на другом экзем­пляре транзистора, имеющего большой коэффициент р, все-таки будет входить в режим насыщения. Во-вторых, работа ключа может оказаться нестабильной. Например, су­щественное дестабилизирующее воздействие может оказать температура. В-третьих, длительность фронта импульса будет значительной.

Вначале рассмотрим идеализированную схему ненасы­щенного ключа (рис. 3.11, а), принцип действия которо­го легко понять. Напряжение смещения U_смдолжно быть порядка 0,4...0,6 В. До тех пор, пока режим работы тран­зистора не приближается к режиму насыщения, диод VD остается закрытым и весь ток источника входного сигна­ла поступает в базу транзистора, вызывая его быстрое от­пирание. На границе активного режима и режима насы­щения напряжение и_кбоказывается близким к нулевому, и







диод начинает открываться. После этого часть тока источ­ника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток базы уменьшается, и транзистор не входит в режим насыщения. Таким образом, в схеме имеет место нелинейная отрица­тельная обратная связь по напряжению. В таких схемах должны использоваться высокочастотные диоды.

Очень хорошие результаты дает использование диодов Шоттки (рис. 3.11, б). При рассмотрении этих диодов от­мечалось, что они отличаются большим быстродействием и малым падением напряжения (время восстановления может быть порядка 0,1 нс и меньше, напряжение отпи­рания около 0,25 В). При использовании диодов Шоттки источники напряжения смещения не требуются. Биполяр­ный транзистор с диодом Шоттки стали называть «тран­зистор Шоттки» и обозначать, как показано на рис. 3.11, в.

Кроме достоинств, следует иметь в виду и следующие недостатки ненасыщенных ключей:

• 
  повышенное напряжение на открытом ключе;
  
• 
  пониженная помехоустойчивость;
  
• 
  пониженная температурная стабильность.
  Несмотря на указанные недостатки, ненасыщенные ключи широко используются на практике.
  

3.2.3. Аналоговые коммутаторы (аналоговые ключи) на биполярных транзисторах

Выше рассмотрены ключи, в выходных цепях которых используются источники постоянного напряжения (ис­точники питания). Назначение таких ключей состоит в том, чтобы создать на выходе или напряжение, близкое к нулю (когда ключ открыт), или напряжение, близкое к напряжению питания (когда ключ закрыт, а ток, потреб­ляемый нагрузкой, подсоединенной к ключу, достаточно мал). Такая работа характерна для ключей цифровой элек­троники (их называют цифровыми ключами) и силовой электроники.

В информативной электронике используются также и ключи, имеющие другое назначение. Оно состоит в том, чтобы соединять или рассоединять источник входного, содержащего информацию аналогового сигнала и прием­ник этого сигнала. Такие ключи принято называть анало­говыми. Их также называют аналоговыми коммутаторами.







Рассмотрим простейшие схемы аналоговых ключей на биполярных транзисторах. На рис. 3.12, а представлена схема с общим эмиттером. Изобразим выходные характе­ристики транзистора для прямого и инверсного включе­ния в области, близкой к началу координат (рис. 3.12, б).

Через и_вхобозначено входное напряжение, которое в зависимости от управляющего сигнала и_упрподается или не подается на нагрузку R_H. Напряжение и_вх может быть как положительным, так и отрицательным. Если и_ех > 0, то рассматриваемый аналоговый ключ работает так же, как изученный ключ с постоянным напряжением питания. Если и_вх < 0, транзистор работает в инверсном режиме.

Одним из недостатков биполярного транзистора с точ­ки зрения применения его в аналоговых ключах является то, что выходные характеристики не проходят через нача­ло координат. Вследствие этого ток i_ки напряжение и_вых будут равны нулю не тогда, когда и_вх = 0, а при некотором положительном входном напряжении U. Напряжение Uобычно составляет 10... 100 мВ. Это напряжение называ­ют остаточным или напряжением смещения.

На практике для уменьшения величины Uтранзистор включают так, чтобы роль эмиттера играл коллектор, а роль коллектора — эмиттер. Изобразим соответствующие характеристики и схему, которую иногда назьгеают схемой с общим эмиттером при инверсном включении транзис­тора (рис. 3.13).

Из-за несимметрии структуры транзистора, различия в концентрациях примесей в различных его областях оста­точное напряжение для инверсного включения U_инвобыч­но значительно меньше напряжения U. Часто U_инвсостав­ляет 1...5мВ. Но, используя инверсное включение, следует помнить, что максимально допустимое запирающее на­пряжение эмиттерного перехода обычно значительно меньше соответствующего напряжения для коллекторно­го перехода.

Обратимся к третьей простейшей схеме — схеме с об­щим коллектором (рис. 3.14). Можно заметить, что пос­ледняя схема фактически повторяет предыдущую, отлича­ясь только условно-положительными направлениями токов и напряжений. Подобным образом соотносятся и характеристики.

Рассмотрим компенсационный аналоговый ключ на биполярных транзисторах. С целью уменьшения напряже­ния на открытом ключе используют последовательное включение одинаковых транзисторов. Промышленность выпускает интегральные схемы, содержащие пары транзисторов,

предназначенные для такого использования. Изобразим принципиальную схему интегральной микро­схемы 101КТ1А (рис. 3.15). Такие устройства называют также прерывателями. Изобразим схему аналогового клю­ча на основе такой микросхемы (рис. 3.16). Входной сиг­нал и_ехможет быть постоянным любой полярности или переменным. Управляющий сигнал передается через трансформатор.

Пусть в некоторый момент времени имеют место те по­лярности входного напряжения и напряжения на вторич­ной обмотке трансформатора, которые указаны без ско­бок, тогда транзисторы будет открыты и входной ток i_exбудет положительным. Транзистор Т₁ будет работать в нор­мальном режиме, причем он включен по схеме с общим коллектором. В соответствии с приведенными выше ха­рактеристиками в режиме насыщения и_кэ1 < 0. Транзистор Т₂будет работать в инверсном режиме. В соответствии с приведенными выше характеристиками для схемы с об­щим эмиттером при инверсном включении и_эк2> 0. Таким образом, остаточные напряжения на транзисторах будут взаимно компенсироваться. Поэтому такие аналоговые



ключи называют компенсированными. Благодаря этому общее напряжение на транзисторах оказывается очень малым. Для указанной микросхемы это напряжение не бо­лее 100 мкВ.

Для уяснения особенностей работы схемы полезно учи­тывать сделанное выше замечание о том, что используе­мые в рассматриваемом ключе простейшие схемы факти­чески совпадают. В случае такой полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, которая указана в скобках, ключ будет закрыт. Для данной микросхемы ток утечки не более 40 нА. Максимальный ток открытого клю­ча — 10 мА.

Компенсированные транзисторные ключи входят в со­став различных микросхем серий 124, 129, 162.

3.2.4. Ключи на полевых транзисторах

Ключи на полевых транзисторах широко используют­ся для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.

В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным кана­лом. В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать сла­бые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это след­ствие того, что выходные характеристики полевых тран­зисторов проходят через начало координат.

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом р-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 3.17). Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте


соответствуют заданным напряжениям между затво­ром и стоком.

Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой кру­то поднимающейся характеристики полевого транзисто­ра может быть меньше, чем наклон соответствующей ха­рактеристики на биполярном транзисторе). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом тран­зисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе.

Иногда остаточным напряжением на ключе называют не то напряжение, которое соответствует нулевому току, а то, которое соответствует некоторому значительному току ключа. Это нужно иметь в виду, чтобы понять смысл на первый взгляд парадоксального утверждения, встреча­ющегося у некоторых авторов и состоящего в том, что ос­таточное напряжение ключей на полевых транзисторах больше, чем ключей на биполярных транзисторах, и поэтому «полевой транзистор обладает худшими ключевы­ми свойствами по сравнению с биполярным». Кстати бу­дет сказать, что наличие подобных на первый взгляд про­тиворечивых утверждений полезно воспринимать как знак того, что выбор конкретного решения (в данном случае выбор для коммутации полевого или биполярного тран­зистора) следует осуществлять на основе всестороннего анализа.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисто­ре потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на поле­вых транзисторах фактически обеспечивает гальваничес­кую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления. Клю­чи на полевых транзисторах часто менее быстродейству­ющие в сравнении с ключами на биполярных транзисто­рах.

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзис-торе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы (рис. 3.18). На схеме изображена емкость нагрузки С_н, модели­рующая емкость устройств, подключенных к транзистор­ному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и и_сн= E_с. Если напряжение и_вх больше порогового напряжения U_{зи.порог}транзистора, то он откры­вается и напряжение и_сиуменьшается.

Ключи на полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом входят в состав различных микросхем серий 284, 504 и др..

Напряжение на ключе в его включенном состоянии U_вкл зависит от сопротивления стока R_c, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзи­стора. Скорость изменения напряжения на выходе опре­деляется сопротивлением R_c, емкостью С_ни частотными свойствами транзистора.





Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой) (рис. 3.19). Отметим, что при использовании интегральной технологии такой ключ, как ни странно на первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмот­ренным выше, имеющим нагрузочный резистор. Транзи­стор Т₁называют активным, а транзистор Т₂— нагрузоч­ным.

Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При этом и_вх< U_зи.nopoгl ,где U_зи.nopoгl— пороговое напряжение для транзистора T_1.


В этом случае транзистор Т₁закрыт и через оба тран­зистора протекает очень малый ток (обычно не более 1 нА). При этом напряжение и_си1близко к напряжению Е_с, а напряжение и_си1близко к нулю. В рассматриваемом со­стоянии транзистор Т₂также закрыт, хотя напряжение между затвором и истоком этого транзистора положитель­но (очевидно, что и_зи2= и_си2). Но соотношение между па­раметрами транзисторов обеспечивается именно такое, чтобы в закрытом состоянии ключа выполнялось соотно­шение и_си1= Е_с. По крайней мере очевидно, что напря­жение и_си2не может быть больше порогового напряжения U_зu.nopoe2для транзистора Т₂, иначе бы транзистор Т₂от­крылся и напряжение на нем уменьшилось.

Теперь рассмотрим открытое состояние ключа. При этом и_вх>и_{зи.пврог1}. Транзистор Т₁открыт и напряжение и_си1 близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т₂близко к напряжению питания. В рассматриваемом состоянии транзистор Т₂также открыт, при этом и_зи2 = и_си2= Е_с. Но транзисторы конструируют таким образом, чтобы удель­ная крутизна транзистора Т₂была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора T₁ .Именно поэтому в от­крытом состоянии ключа и_си1 = 0 (часто это напряжение лежит в пределах 50...100 мВ). Так как удельная крутизна

транзистора Т₂мала, ток, протекающий через открытый ключ, сравнительно мал.

Изобразим схему цифрового ключа на комплементар­ных МДП-транзисторах (комплементарный МДП-ключ, КМОП-ключ) (рис. 3.20). Здесь использованы взаимодо­полняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор Т, с каналом n-типа и транзистор Т₂с кана­лом p-типа. Обозначим через U_{зи.порог1}и U_{зи.порог2}пороговые напряжения для транзисторов соответственно Т₁и Т₂. Стоит обратить внимание, что каждое из указанных поро­говых напряжений является положительным.

Пусть и_вх= 0, тогда, очевидно, транзистор T₁закрыт, а транзистор Т₂открыт. При этом и_сн1 = Е_с, и_ис2 = 0. Если и_ех > U_{зи.порог1l}, тогда транзистор Т₁открыт. Пусть, кроме того,

и_вх>Е_с— U_{зи.порог2}, тогда транзистор Т₂закрыт. При этом и_си1 =0, и_ис2=Е_с.

Надо отметить, что если Е_с < U_{зи.порог1} + U_{зи.порог2}, то при изменении входного сигнала не возникает ситуация, ког­да оба транзистора включены. Но если данное неравенство не выполняется, то такая ситуация будет иметь место при некотором промежуточном напряжении и_ех, и тогда через транзисторы протекает так называемый сквозной ток. Если длительность переднего фронта и длительность среза (заднего фронта) входного импульса мала, то сквозной ток



протекает короткое время, но и в этом случае он оказы­вает негативное влияние на работу схемы.

Как следует из изложенного, в каждом из двух устано­вившихся режимов, т. е. и в открытом, и в закрытом состо­янии, ключ практически не потребляет ток от источника питания. Это первое важное достоинство комплементар­ного ключа. Вторым важным достоинством комплемен­тарного ключа является резкое отличие выходного напря­жения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт и менее) и выходного напряжения в закрытом состоянии (это напряжение меньше напряжения питания всего лишь на единицы микровольт и менее). Это обеспечивает вы­сокую помехоустойчивость цифровых схем на комплемен­тарных ключах.

Третьим важным достоинством комплементарного ключа является его повышенное быстродействие. Оно может быть на порядок больше, чем у двух других ранее изученных ключей на полевых транзисторах. Повышенное быстродействие объясняется тем, что как разряд емкости С_н, так и ее заряд происходит через соответствующий от­крытый транзистор (емкость разряжается через транзис­тор T₁и заряжается через транзистор Т₂). При этом в на­чале заряда или разряда через соответствующий транзистор протекает большой ток, который быстро изме­няет напряжение емкости. Естественно предположить, что входной сигнал поступает от такого же ключа, т. е. или и_вх=0, или и_вх= Е_с. В этом случае, чем больше напряжение питания Е_с, тем больше отпирающий сигнал на соответ­ствующем транзисторе и тем больше его начальный ток (к примеру, при и_вх=0, и_из2= Е_с). Поэтому при увеличении на­пряжения питания быстродействие комплементарного ключа увеличивается.

Описанные достоинства, а также отработанность тех­нологии изготовления явились причиной широкого ис­пользования КМОП-ключей.

Рассмотрим простейшую схему аналогового ключа на МДП-транзисторе (рис. 3.21). Эта схема получается из предыдущей при замене транзистора Т₁резистором на­грузки, а источника питания — источником входного сиг­нала.




Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания, т. е. к точке с наибольшим потенциалом, для того чтобы p-n-переходы между под­ложкой и истоком и подложкой и стоком не открывались.

Транзистор этого аналогового ключа работает подобно тому, как работает транзистор Т₂рассмотренного компле­ментарного ключа. Например, для отпирания транзисто­ра необходимо, чтобы напряжение и_упр было малым.

Ключ может коммутировать как положительное, так и отрицательное входное напряжение.

Рассмотрим теперь двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах (рис. 3.22). Ключ предназначен для передачи напряжения и_ас вывода А на вывод В или напряжение и_ьс вывода В на вывод А. Предполагается, что эти напряжения находят­ся в пределах от 0 до +Е_п. Транзисторы Т₁ и Т₂образуют рассмотренный выше комплементарный ключ. Двуна­правленный ключ открыт, когда и_упр= +Е_n. В этом случае по крайней мере один из транзисторов Т₃ и Т₄открыт. Ключ закрыт, когда и_упр= 0.

Если схему изменить и на затворы транзисторов Т₃и Т₄ подавать не только положительные, но и отрицательные напряжения, то ключ будет в состоянии работать не толь­ко при положительных, но и отрицательных напряжени­ях и_аи и_b .

Ключи на полевых транзисторах с изолированным за­твором входят в состав микросхем серий 168, 547 и др., а на комплементарных транзисторах — в состав микросхем серий 590, 591, 176, 561, 1564.

3.3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логический элемент (логический вентиль) — это элек­тронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 3.23 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логичес­ких элементов.

Логический элемент может быть реализован в виде от­дельной интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит несколько логических элементов.



Логические элементы используются в устройствах циф­ровой электроники (логических устройствах) для выпол­нения простого преобразования логических сигналов.

3.3.1. Классификация и основные параметры

Рассмотрим наиболее широко используемую истори­чески сложившуюся классификацию. Она построена и с учетом того, какие электронные приборы являются основ­ными в соответствующих интегральных схемах, и с учетом особенностей использованных схемотехнических реше­ний.

Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):

• 
  резисторно-транзисторная логика (РТЛ);
  
• 
  диодно-транзисторная логика (ДТЛ);
  
• 
  транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
  
• 
  эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
  

• 
  транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);
  
• 
  логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа р (р-МДП);
  
• 
  логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа п (п -МДП);
  
• 
  логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);
  

• 
  интегральная инжекционная логика И²Л;
  
• 
  логика на основе полупроводника из арсенида гал­лия GaAs;
  

В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Устарела и практически не используется РТЛ. Для разрабатываемых в настоящее время устройств можно рекомендовать ис­пользовать КМОП-логику, а также логику на основе GaAs.

Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем. Се­рия микросхем — это совокупность микросхем, характе­ризуемых общими технологическими и схемотехнически­ми решениями, а также уровнями электрических сигналов и напряжения питания.

Приведенная классификация охватывает не только соб­ственно логические элементы, но и другие цифровые ус­тройства, в том числе микропроцессорные. Однако здесь следует учитывать, что при производстве сложных цифро­вых устройств некоторые логики не использовались и не используются.

Приведем примеры серии микросхем: ТТЛ — К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ - 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533; ЭСЛ - 100, К500, К1500; КМОП - 564, К561, 1564, КР1554; GaAs -К6500;

Каждая серия микросхем, несмотря на то, что она обычно содержит самые разнообразные цифровые устрой­ства, характеризуется некоторым набором параметров, дающих достаточно подробное представление об этой се­рии. При определении этих параметров ориентируются именно на логические элементы — простейшие устройства серии микросхем. В соответствии с этим говорят о пара­метрах не серии микросхем, а о параметрах логических элементов данной серии.

Рассмотрим наиболее важные из параметров.

Быстродействие характеризуют временем задержки распространения сигнала t_зри максимальной рабочей ча­стотой F_мaкс. Обратимся к идеализированным временным диаграммам, соответствующим элементу НЕ (инвертору) (рис. 3.24). Через U_вхlи U_выxlобозначены уровни входного и выходного напряжений, соответствующие логической единице, а через U_вх0 и U_выx0— соответствующие логичес­кому нулю. Различают время задержки t_зр10 распростране­ния при переключении из состояния 1 в состояние 0 и при переключении из состояния 0 в состояние 1 — t_зр01 ,а так­же среднее время задержки распространения t_зр ,причем t_зр=0,5(t_зр10+t_зр01). Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5ΔU_вхи 0,5ΔU_выx. Максимальная ра­бочая частота F_мaкс — это частота, при которой сохраня­ется работоспособность схемы.

Нагрузочная способность характеризуется коэффици­ентом объединения по входу К_об и коэффициентом развет­вления по выходу K_раз (иногда используют термин «ко-




эффициент объединения по выходу»). Величина К_о6 — это число логических входов, величина К_раз — максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемен­та. Типичные значения их таковы: К_о6 = 2...8, К_раз = 4...10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью К_раз = 20...30.

Помехоустойчивость в статическом режиме характери­зуют напряжением U_пст, которое называют статической по­мехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логичес­кого элемента.

Важным параметром является мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность раз­лична для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.

Важными являются также следующие параметры:

• 
  напряжение питания;
  
• 
  входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня U_{вх1.порог}и U_вх.0nopor, соответствующие изменению состояния логического элемента;
  
• 
  выходные напряжения высокого и низкого уровней U_вых1 иU_вых0.
  

Используют и другие параметры.

3.3.2. Особенности выходных каскадов цифровых микросхем

Часто возникает необходимость подключения выходов нескольких цифровых микросхем к одной нагрузке. Одним из способов объединения выходов является использование в выходных каскадах микросхем транзисторов, один из выводов которых (коллектор, эмиттер, сток, исток) нику­да не подключен. Такой вывод называют открытым.

Покажем схематически (рис. 3.25), как объединяются выходы микросхем с открытым коллектором. Такую схе­му называют «монтажным (проводным) ИЛИ».

Если открытым является коллектор транзистора п-р-п-типа, эмиттер транзистора р-n-р-типа, сток транзи­стора с каналом n-типа, исток транзистора с каналом р-типа, то вывод обозначают символом Q. . Если откры­тым является коллектор транзистора р-п-р-типа, эмиттер транзистора п-р-п-типа, сток транзистора с каналом р-типа, исток транзистора с каналом и-типа, вывод обозна­чают символом О.

Выходные каскады некоторых микросхем могут рабо­тать в таком режиме, когда микросхема оказывается фак­тически отключенной от нагрузки. Это так называемое третье (высокоимпедансное) состояние микросхемы. Ис­пользование третьего состояния является еще одним спо­собом объединения выходов микросхем, который широ­ко используется в вычислительной технике, при подключении к общей шине многих устройств. Приведем фрагмент схемы, поясняющей возникновение третьего состояния (рис. 3.26). Если оба транзистора закрыты, то микросхема и нагрузка фактически являются разъединен­ными. Наличие третьего состояния обозначают символом ◊.



При использовании в едином цифровом устройстве микросхем различных серий, и в особенности различных логик, может возникнуть проблема согласования уровней входных и выходных напряжений. Для указанных целей производятся специальные микросхемы, которые называ­ют преобразователями уровня сигналов.

3.3.3. Особенности логических

элементов различных логик

Для конкретной серии микросхем характерно исполь­зование типового электронного узла — базового логичес­кого элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических эле­ментов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики. Харак­терной особенностью ТТЛ является использование мно-гоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструи­рованы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру со­ответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзистор может моделироваться схе­мой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене многоэмиттерного транзис­тора диодами получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низ­кий уровень напряжения, то ток базы транзистора Т₂ бу­дет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т₂ будет вы­сокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т₂ транзисто­ра будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора Т₂ будет низкий уровень напряжения, т. е.

данный элемент реализует функцию И-НЕ: и_вых = и₁ и₂ . Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и

сложный инвертор (рис. 3.28). Если на один или оба вхо­да одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии на­сыщения и транзистор Т₂ закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т₄, т. е. на выходе будет высокий уровень на­пряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то

транзистор Т₂ открыва­ется и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т₄ и запиранию транзис­тора Т₃, т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ ис­пользуются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).



Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29,а изобра­жена схема этого элемента, а условное графическое обо­значение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29,б. Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. Транзистор VT4 — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения и_вх1и и_вх2имеют высо­кий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отме­тить, что транзисторы VT3 и VT4 образуют так называе­мый составной транзистор (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются сле­дующими параметрами:

• 
  напряжение питания +5 В;
  
• 
  выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;
  
• 
  выходное напряжение высокого уровня — не менее 2,5 В;
  
• 
  помехоустойчивость — не менее 0,3 В;
  

• 
  среднее время задержки распространения сигнала —20 нс;
  

• 
  максимальная рабочая частота — 25 МГц.
  

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логичес­ким уровням, помехоустойчивости и напряжению пита­ния с микросхемами ТТЛ. Время задержки распростране­ния сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.

Особенности других логик. Основой базового логическо­го элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального уси­лителя. Необходимо обратить внимание на то, что микро­схемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, —4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT2 подано отрицательное постоянное опорное напряже­ние U_оп. .Изменение входного напряжения и_вх1 приводит к перераспределению постоянного тока /_эо, заданного со­противлением R_э между транзисторами, что имеет след­ствием изменение напряжений на их коллекторах. Тран­зисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие пара­метры: напряжение питания- -5,2 В; потребляемая мощ­ность — 100 мВт; коэффициент разветвления по выходу — 15; задержка распространения сигнала — 2,9 нс.



В микросхемах n-МОП и р-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и ди­намической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики п-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31). Он состоит из нагрузочного транзистора Т₃ и двух управляю­щих транзисторов Т₁ и Т₂. Если оба транзистора Т₁и Т₂ закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень



напряжения. Если одно или оба напряжения и₁ и и₂име­ют высокий уровень, то открывается один или оба тран­зистора Т₁ и Т₂ и на выходе устанавливается низкий уро­вень напряжения, т. е. реализуется функция и_вых =и₁+и₂ . Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комп­лементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они от­личаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализую­щий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32). Если входные напря­жения имеют низкие уровни (и, и и₂ меньше порогового напряжения n-МОП-транзистора U_{зи.порог.п}), то транзисто­ры Т₁ и Т₂ закрыты, транзисторы Т₃ и Т₄ открыты и вы­ходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных напряжения и₁ и и₂имеют высокий уро­вень, превышающий U_{зи.порог.п}, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂, а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄ устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обо­их транзисторов Т₃ и Т₄, а следовательно, на выходе уста­навливается низкое напряжение. Таким образом, этот элемент реализует функцию и_вых=и₁+и₂и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие проме­жутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И²Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и техноло­гических решений. Для нее характерно очень экономич­ное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И²Л могут быть реализованы только в интег­ральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике.



Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что тран­зистор T₁ (р-п-р) расположен горизонтально, а многоколлек­торный транзистор Т₂ (п-р-п) расположен вертикально. Транзистор T₁ выполняет роль инжектора, обеспечиваю­щего поступление дырок из эмиттера транзистора T₁ (при подаче на него положительного напряжения через огра­ничивающий резистор) в базу транзистора Т₂. Если и₁со­ответствует логическому «0», то инжекционный ток не протекает по базе многоколлекторного транзистора Т₂ и токи в цепях коллекторов транзистора Т₂ не протекают,



т. е. на выходах транзистора Т₂ устанавливаются логичес­кие «1». При напряжении и₁соответствующем логической «1», инжекционный ток протекает по базе транзистора Т₂ и на выходах транзистора Т₂ — логические нули.

Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-НЕ на основе элемента, представленного на рис. 3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т₃ и Т₄ на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то напряжение и_еыхсоот­ветствует логическому нулю. Если на обоих входах логи­ческие сигналы «0», то напряжение и_еыхсоответствует ло­гической единице.

Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействи­ем, что является следствием высокой подвижности элек­тронов (в 3...6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более.



3.4. КОМБИНАЦИОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Логические устройства разделяют на два класса: ком­бинационные и последовательностные.

Устройство называют комбинационным, если его вы­ходные сигналы в некоторый момент времени однозначно определяются входными сигналами, имеющими место
в этот момент времени. .

Иначе устройство называют последовательностным или конечным автоматом (цифровым автоматом, автоматом с памятью). В последовательностных устройствах обязатель­но имеются элементы памяти. Состояние этих элементов зависит от предыстории поступления входных сигналов. Выходные сигналы последовательностных устройств оп­ределяются не только сигналами, имеющимися на входах в данный момент времени, но и состоянием элементов памяти. Таким образом, реакция последовательностного устройства на определенные входные сигналы зависит от предыстории его работы.

Среди как комбинационных, так и последовательност­ных устройств выделяются типовые, наиболее широко используемые на практике.

3.4.1. Шифраторы, дешифраторы и преобразователи кодов

Шифратор — это комбинационное устройство, преоб­разующее десятичные числа в двоичную систему счисле­ния, причем каждому входу может быть поставлено в соот­ветствие десятичное число, а набор выходных логических сигналов соответствует определенному двоичному коду. Шифратор иногда называют «кодером» (от англ. coder) и используют, например, для перевода десятичных чисел, набранных на клавиатуре кнопочного пульта управления, в двоичные числа. Если количество входов настолько ве­лико, что в шифраторе используются все возможные ком­бинации сигналов на выходе, то такой шифратор называ­ется полным, если не все, то неполным. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением п = 2^т, где п — число входов, т — число выходов. Так, для пре­образования кода кнопочного пульта в четырехразрядное двоичное число достаточно использовать лишь 10 входов, в то время как полное число возможных входов будет рав­но 16 (n = 2⁴= 16), поэтому шифратор 10x4 (из 10 в 4) будет неполным.

Рассмотрим пример построения шифратора для преоб­разования десятиразрядного единичного кода (десятичных чисел от 0 до 9) в двоичный код. При этом предполагает­ся, что сигнал, соответствующий логической единице, в каждый момент времени подается только на один вход. Условное обозначение такого шифратора и таблица соот­ветствия кода приведены на рис. 3.35. Используя данную таблицу соответствия, запишем логические выражения, включая в логическую сумму те входны переменные, ко­торые соответствуют единице некоторой выходной пере­менной. Так, на выходе у₁будет логическая «1» тогда, когда логическая «1» будет или на входе Х₁ ,или Х₃, или Х₅, или Х₇, или X₉, т. е.

у₁= Х₁ + Х₃ + Х₅ + Х₇ + X₉.

Аналогично получаем

у₂= Х₂ + Х₃ + Х₆ + X₇.

у₃= Х₄ + Х₅ + Х₆ + Х₇, у₄= Х₈ + X₉.

Представим на рис. 3.36 схему такого шифратора, ис­пользуя элементы ИЛИ.

На практике часто используют шифратор с приорите­том. В таких шифраторах код двоичного числа соответ­ствует наивысшему номеру входа, на который подан сигнал


«1», т. е. на приоритетный шифратор допускается по­давать сигналы на несколько входов, а он выставляет на выходе код числа, соответствующего старшему входу.

Рассмотрим в качестве примера (рис. 3.37) шифратор с приоритетом (приоритетный шифратор) К555ИВЗ серии микросхем К555 (ТТЛШ). Шифратор имеет 9 инверсных



входов, обозначенных через PRl,...,PR9 . Аббревиатура PRобозначает «приоритет». Шифратор имеет четыре ин­версных выхода Bl,...,B8 . Аббревиатура В означает «шина» (от англ. bus). Цифры определяют значение актив­ного уровня (нуля) в соответствующем разряде двоично­го числа. Например, B8обозначает, что ноль на этом вы­ходе соответствует числу 8. Очевидно, что это неполный шифратор.

Если на всех входах — логическая единица, то на всех выходах также логическая единица, что соответствует чис­лу 0 в так называемом инверсном коде (1111). Если хотя бы на одном входе имеется логический ноль, то состоя­ние выходных сигналов определяется наибольшим номе­ром входа, на котором имеется логический ноль, и не за­висит от сигналов на входах, имеющих меньший номер.

Например, если на входе PR1 — логический ноль, а на всех остальных входах — логическая единица, то на выходах име-

ются следующие сигналы: В1 - 0, В2 - 1,В4- 1,В8 - I, что соответствует числу 1 в инверсном коде (1110).

Если на входе PR9 логический ноль, то независимо от других входных сигналов на выходах имеются следующие

сигналы: В1-0 ,В2-1 ,В4-1, В8-0, что соответствует числу 9 в инверсном коде (0110).

Основное назначение шифратора — преобразование номера источника сигнала в код (например, номера нажа­той кнопки некоторой клавиатуры).

Дешифратором называется комбинационное устрой­ство, преобразующее n-разрядный двоичный код в логи­ческий сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Число вхо­дов и выходов в так называемом полном дешифраторе свя­зано соотношением т = 2ⁿ, где п — число входов, а т — число выходов. Если в работе дешифратора используется неполное число выходов, то такой дешифратор называет­ся неполным. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 16 выходов, будет полным, а если бы выходов было только 10, то он являлся бы неполным.

Обратимся для примера к дешифратору К555ИД6 се­рии К555 (рис. 3.38). Дешифратор имеет 4 прямых входа,



обозначенных через А1, ..., А8. Аббревиатура А обознача­ет «адрес» (от англ. address). Указанные входы называют адресными. Цифры определяют значения активного уров­ня (единицы) в соответствующем разряде двоичного числа.

Дешифратор имеет 10 инверсных выходов Y0,...,Y9 . Цифры определяют десятичное число, соответствующее заданному двоичному числу на входах. Очевидно, что этот дешифратор неполный.

Значение активного уровня (нуля) имеет тот выход, номер которого равен десятичному числу, определяемому двоичным числом на входе. Например, если на всех вхо­дах — логические нули, то на выходе Y0— логический ноль, а на остальных выходах — логическая единица. Если на входе А2 — логическая единица, а на остальных вхо­дах — логический ноль, то на выходе Y2 — логический ноль, а на остальных выходах — логическая единица. Если на входе — двоичное число, превышающее 9 (например, на всех входах единицы, что соответствует двоичному чис­лу 1111 и десятичному числу 15), то на всех выходах — ло­гическая единица.

Дешифратор — одно из широко используемых логичес­ких устройств. Его применяют для построения различных комбинационных устройств.

Рассмотренные шифраторы и дешифраторы являются примерами простейших преобразователей кодов.