Переключатель тока

Переключателем тока называют симметричную схему (рис. 3.5), в которой заданный ток I ₀ протекает через ту или иную ее ветвь в зависимости от потенциала U _вх на одном из входов. На втором входе поддерживается некоторое неизменное опорное напряжение U _оп.

а б

Рис. 3.5. Переключатель тока: а – электрическая схема;

б – временная диаграмма его работы

Опорное напряжение U _оп равно промежуточному значению между напряжениями высокого (В) и низкого (Н) уровней выходного напряжения.

Так как эмиттеры транзисторов соединены между собой, то падение напряжения U _э прикладывается одновременно к базам Т1 и Т2.

Если на вход переключателя подан высокий уровень (В), т. е.
U _вх = U _оп + d, то транзистор Т1 будет открытым, так как на его базе будет прямое напряжение U _dэ1 = U _вх – U _э > 0, а Т2 - закрыт (U _dэ2 = U _оп – U _э < 0). Каждая из ветвей переключателя представляет собой инвертор, поэтому на выходе U _вых1 будет низкий потенциал, на выходе U _вых2 – высокий.

Если на вход подан низкий уровень (Н), т. е. U _вх = U _оп – d, то откроется Т2, а Т1 закроется. Обычно величины ïdï= 0,1 … 0,5 В достаточно для перевода схемы из одного состояния в другое, сохраняя активный режим открытого транзистора.

Таким образом особенность переключателей тока состоит в использовании ненасыщенного режима работы транзисторов, что обеспечивает их повышенное быстродействие и по той же причине повышенные энергетические затраты в статическом режиме.

3.2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В КЛЮЧЕВЫХ СХЕМАХ

В реальных ключевых схемах изменение состояния транзисторов под действием ступенчатого входного напряжения происходит в течение некоторого времени, зависящего от целого ряда факторов: типа транзистора ключа, режимов его работы, характера нагрузки и т.д. При этом изменения выходных токов ключа при отпирании и запирании транзистора отличаются от линейного закона, а форма выходного напряжения значительно отличается от формы входного.

Переходные процессы биполярного ключа

Процесс переключения биполярного транзистора определяется двумя факторами: процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в базе, формирующих ток коллектора i_k, и наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов C _э и C _к, которые перезаряжаются при переключениях. Если входное напряжение U _вх равно нулю, то транзистор закрыт и ток коллектора i_k равен незначительному току I _к0 (рис. 3.6).

При подаче входного напряжения ступенчатой формы появляется базовый ток I _б такой же формы. Если величина I _б достаточна для ввода транзистора в насы-щение, то возрастающий ток коллектора будет стремиться к уровню b I _б, где b – коэф-фициент усиления тока транзистора. Нелинейный характер нарастания i_k определяется наличием емкостей переходов база-эмиттер (C _э) и база-коллектор (C _к). Максимальное значение i_k ограничено сопротивлением R_k и не может превысить величины .

Значение коллекторного тока, в тоже время, определяется количеством неосновных носителей в базе, поэтому, когда ток i_k достигнет величины I_{k нас}, его рост прекратится, но рост числа носителей заряда в базе будет продолжаться до величины соответствующей току I _б. Таким образом, в базе транзистора накапливается избыточный заряд неосновных носителей, не участвующих в создании коллекторного тока.

Как видно из диаграммы, процесс открывания транзистора занимает некоторый интервал времени t _вкл. Уменьшение этого времени на практике достигается повышением в 1,5¼3 раза базового тока, по отношению к току, достаточному для введения транзистора в насыщение. Однако, увеличение базового тока в этом случае приводит к увеличению избыточного заряда неосновных носителей в базе, которые после снятия входного сигнала (отключения тока I _б) продолжают поддерживать некоторое время t _р коллекторный ток неизменным. Отрезок времени t _р называют временем рассасывания неосновных носителей из базы. Только после удаления избыточного заряда из базы начинается процесс уменьшения коллекторного тока до уровня I _к0.

В быстродействующих ключевых схемах принимают меры для уменьшения t _р, и соответственно, t _выкл, в целом.

Ключевая схема на транзисторе Шоттки

Процесс рассасывания можно устранить, если транзистору сразу же после отпирания создать режим, когда бы он находился на границе между состоянием насыщения и активным режимом работы. Этого можно достичь шунтированием перехода коллектор–база транзистора диодом Шоттки (рис.3.7).

Когда транзистор закрыт или работает в активном режиме, потенциал коллектора выше потен-циала базы и, следовательно, диод закрыт и не влияет на работу клю-ча. В режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт, потенциал его коллектора оказывается ниже потенциала базы, что приводит к открыванию диода, на котором устанавливается напряжение менее 0,5 В, т. е. меньше напряжения, открывающего переход база–коллектор. Транзистор тем самым окажется на грани насыщения, так как диод зашунтирует через себя ту часть тока базы, которая создала бы избыточный заряд.

В интегральном исполнении диод Шоттки представляет собой контакт металла с коллекторной областью транзистора и составляет с ним единую структуру, называемую транзистором Шоттки. Особенностью диода Шоттки является низкое прямое падение на нем напряжения порядка 0,4 В.

Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторе

Основное влияние на характер протекания переходных процессов в ключевых схемах на полевых транзисторах оказывают емкости, образованные между их выводами (рис. 3.8).

а б

Рис.3.8. Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторах:
а – эквивалентная схема ключа, б – временные диаграммы

При закрытом транзисторе выходная емкость C _си заряжена до напряжения, практически равного E. Когда входное напряжение превышает пороговое напряжение U _пор (напряжение открывания транзистора) в течение времени задержки

формируется проводящее состояние канала. Однако, при достаточно низком сопротивлении R _вн источника входного сигнала U _вх время за-

держки пренебрежимо мало.

Как только канал сформирован, емкость C _си начинает разряжаться постоянным током I _р, определяемым небольшим сопротивлением проводящего канала транзистора, в течение времени t _вкл. За это время выходное напряжение ключа падает до величины близкой к нулю.

При запирании транзистора (уменьшение U _вх до нуля) происходит зарядка емкости C _си через резистор R от напряжения источника питания E в течение времени t _выкл. Это время, как правило, больше времени включения, так как сопротивление нагрузочного резистора R значительно больше сопротивления канала транзистора в проводящем состоянии.

В комплементарном ключе заряд и разряд нагрузочной емкости происходит в одинаковых условиях через открытый проводящий канал. Это объясняется симметрией схемы относительно входного напряжения и нагрузки. Соответственно, интервалы времени t _вкл и t _выкл примерно одинаковы и почти на порядок меньше, чем у обычного ключа на МДП-транзисторах. Это преимущество сохраняется и при уменьшении напряжения питания.

Усилительные свойства 1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: СРАВНИТЕЛЬНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

В процессе развития интегральной электроники выделилось несколько типов схем логических элементов, имеющих достаточно хорошие характеристики и удобных для реализации в интегральном исполнении, которые служат элементной базой современных цифровых микросхем.

Базовые элементы, независимо от их микросхемотехники и особенностей технологий изготовления, строятся в одном из базисов (как правило, в базисе И – НЕ или ИЛИ – НЕ).

Базовые элементы выпускаются в виде отдельных микросхем, либо входят в состав функциональных узлов и блоков, реализованных в виде СИС, БИС, СБИС.

В процессе реализации базовые логические элементы строят из двух частей: входной логики, выполняющей операции И или ИЛИ, и выходного каскада, выполняющего операцию НЕ.

Входная логика может быть выполнена на диодах, биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от этого различают:

· транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ), (ТТЛШ),

· интегральную инжекционную логику (И²Л),

· логику на МДП-транзисторах (МДП),

· МОП-транзисторная логика на комплементарных транзисторах (КМОП-логика).

В перечисленных группах логических элементов в качестве выходного каскада используется ключевая схема (инвертор).

Другая группа логических элементов основана на переключателях тока – эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ-логика).

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Основой транзисторно-транзисторной логики является базовый элемент на основе многоэмиттерного транзистора Т1 (рис. 4.1), кото-

рый легко реализуется в едином технологическом цикле с транзистором Т2. В ТТЛ-логике многоэмиттерный транзистор осуществляет в положительной логике операцию И, а на транзисторе Т2 собран инвертор. Таким образом, по данной схеме реализован базис И–НЕ.

В случае подачи на все входы схемы высокого потен-циала, все переходы эмиттер–база транзистора Т1 окажутся запертыми так как потенциал в точке A примерно равен вход-ным сигналам. В то же время, переход база–коллектор будет открытым, поэтому по цепи
E _п – R ₁ – база Т1 – коллектор Т1 – база Т2 – эмиттер Т2 – корпус течет ток I _{б нас}, который открывает транзистор Т2 и вводит его в насыщение. Потенциал на выходе схемы оказывается близким к нулю (на уровне ≈ 0,1 В). Сопротивление R ₁ подобрано таким, чтобы, за счет падения напряжения на нем от тока I _{б нас} транзистора Т2, потенциал в точке A был бы ниже, чем потенциал входов, и эмиттеры Т1 оставались бы запертыми.

При подаче низкого потенциала логического нуля хотя бы на один из входов открывается этот переход эмиттер–база транзистора Т1, появляется значительный ток I _э и потенциал в точке A, равный , приближается к нулевому. Разность потенциалов между базой и эмиттером Т2 также становится равной нулю, ток I _б транзистора Т2 прекращается, и он закрывается (переходит в режим отсечки). В результате выходное напряжение приобретает значение, равное приблизительно напряжению питания (логической единицы).

Входные диоды Д1, …, ДN предназначены для демпфирования (отсечки) отрицательных колебаний, которые могут присутствовать во входных сигналах за счет паразитных элементов предыдущих каскадов.

Существенным недостатком рассмотренной схемы элемента
И–НЕ являются низкие нагрузочная способность и экономичность ее инвертора, поэтому в практических схемах используют более сложный инвертор.

В конце 70-х годов началось широкое применение серий элементов на транзисторах Шоттки с повышенным быстродействием за счет уменьшения задержки выключения ключей. По принципу действия базовый элемент ТТЛШ аналогичен ТТЛ-элементу.

Необходимо заметить, что схемам ТТЛ и ТТЛШ свойственен большой логический перепад напряжений, равный

.

Интегральная инжекционная логика (И²Л)

Схемы И²Л не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах, т. е. характерны именно для интегрального исполнения. Основой И²Л элементов является инвертор (рис. 4.2), составленный из двух транзисторов.

Транзистор Т1 является транзистором p-n-p типа, а тран-зистор Т2 – n-p-n типа, причем одна из областей n ‑типа явля-ется как базой транзистора Т1, называемого инжектором (отсю-да и название логики), так и эмиттером транзистора Т2, а база транзистора Т2 является коллектором инжектора. Функ-ционально транзистор Т1 выпол-няет роль нагрузочного резистора, а Т2 – полупроводникового ключа.

Выходной транзистор – многоколлекторный, что обеспечивает развязку выходов друг от друга. Если ключевой транзистор предыдущей схемы открыт, то через него замыкается на корпус ток I _к транзистора Т1, заданный внешним источником тока, и не поступает в базу транзистора Т2, оставляя его закрытым.

Если же ключевой транзистор предыдущей схемы заперт, то ток I _к потечет в базу Т2 и вызовет его открывание. Таким образом рассматриваемый базовый элемент реализует операцию НЕ, принимая открытое состояние Т2 за нуль, а запертое – за единицу.

Соединив параллельно (рис. 4.3) два базовых элемента, можно получить реализацию базиса ИЛИ-НЕ.

В качестве источников тока питания I _ип служат генераторы токов на p-n-p транзисторах, включенных по схеме с общей базой. Из-за отсутствия в схеме ре-зисторов и общих для обоих транзисторов областей p и n ‑типа схема очень техно-логична и в интегральном исполнении позволяет дос-тичь плотности упаковки в 50 раз выше, чем при ТТЛ технологии.

При напряжении питания 1,5 В значение высокого потенциала составляет порядка 0,7 В, а низкого – 0,05 В. Так как транзистор Т1 представляет высокоомную нагрузку, потребляемая элементом мощность может быть снижена до чрезвычайно низкой величины (раз в 100 меньше, чем у ТТЛ-элементов). Поэтому элементы И²Л нашли широкое применение в БИС (серии КР582, 584).

В сериях ИС невысокой степени интеграции логика И²Л не эффективна из-за низкого логического перепада, равного 0,65 В, и поэтому, низкой помехоустойчивости. Кроме того, по быстродействию, вследствие глубокого насыщения транзисторов инвертора, И²Л-элементы уступают ТТЛШ-элементам.

Логические элементы на МДП-транзисторах

В настоящее время в логических схемах используются МДП-транзисторы с диэлектриком SiO₂ (МОП-транзисторы).

Анализ МОП-транзисторных логических элементов достаточно прост, т.к. из-за отсутствия входных токов их можно рассматривать отдельно от других элементов даже при работе в цепочке.

На рис. 4.4 показаны два варианта построения логических элементов на МОП-транзисторах с n ‑каналами.

а б

Рис. 4.4. Логические элементы на МОП-транзисторах:
а) – элемент ИЛИ-НЕ, б) – элемент И-НЕ

Транзисторы Т3 выполняют роль нагрузки.

Логические уровни в обеих схемах не зависят от нагрузки и соответствуют выходным напряжениям открытого и закрытого ключа:

.

Соответственно, логический перепад составляет:

.

Напряжение питания E _c МОП-логики выбирают в 3…4 раза больше порогового напряжения U _o открывания транзисторов. Если U _o = 1,5 … 3В, то получаемый логический перепад в 5 … 10В намного превышает значения, свойственные схемам И²Л, ЭСЛ и даже ТТЛ (при напряжении питания 4 … 5В). Поэтому МОП-логика обладает повышенной помехоустойчивостью.

Более высоким быстродействием и низким энергопотреблением характеризуется логика на комплементарных транзисторах вследствие причин, рассмотренных ранее. По принципу действия и схемотехнике КМОП-логика очень близка МОП-логике.

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

В основе схемы ЭСЛ лежит переключатель тока, в одно из плеч которого включено параллельно несколько транзисторов. Эти транзисторы равноправны – отпирание любого из них (или всех вместе) приводит к изменению логического состояния переключателя. Поэтому ЭСЛ-элементы выполняют логическую функцию ИЛИ-НЕ.

Вследствие ненасыщенного режима работы транзисторов логический перепад в схеме не превышает 0,65В.

Дата добавления: 2014-01-15