Интегральные ключи на различных базовых элементах

Тема 3.2. Базовые элементы цифровой схемотехники. Па­раметры логических элементов различных серий на основе поле­вых и биполярных транзисторов. Интегральные ключи на раз­личных базовых элементах.

Изучение принципа работы электрических схем, реали­зующих основные логические функции.

Самостоятельная работа

Рекомендуемая литература:

В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев «Электроника». М. Высшая школа стр. 540.

В электронных схемах, реализующих функции логических элементов, транзистор является активным элементом, то есть обладает усилительными способностями. Усилители могут работать в режимах классов А, В, С, D. Ре­жимы А, В, С в основном используются в схемах аналоговой электроники - это усилители, генераторы, смесители, модуляторы, демуляторы и т.п. Режим D используется в электронных ключах, т.е. когда активный элемент (транзи­стор) - открыт и находится в состоянии насыщения, или закрыт, т.е. находит­ся в состоянии отсечки, которое характеризуется тем, что оба перехода эмит­тер - база и база - коллектор включены в обратном направлении, следова­тельно имеют большое сопротивление и ток, протекающий через них (осо­бенно это относится к транзисторам на основе Si) можно пренебречь.

На входной ВАХ транзистора эти два состояния отметим точками А и Б

Из рассмотрения данной характеристики следует:

1 Для надежного запирания транзистора точка А должна соответствовать практически полному отсутствию 1_б.

2 Uотпирания для транзисторов имеет величину:

для германиевых 0,1 ÷0,15 В для кремниевых 0,5 ÷ 0,6 В.

3 U_бЭ насыщения соответствует такому режиму когда на­пряжение на коллекторном переходе становится равным нулю, то есть пере­ход Б - Э и переход Б - К включены в прямом направлении и транзистор на­ходится в состоянии насыщения.

В упрощенном виде схема для быстрого переключения транзистора из режима насыщения в режим отсечки может быть представлен в виде:

В верхнем положении ключа S переход Б - Э включен в прямом на­правлении и ток I_бэ определяется в ост ном величиной R_б. Электроны из об­ласти эмиттера легко преодолевают область, попадают в область коллектора, где ускоряются электрическим полем U_пит+ перебрасываются в область коллектора, таким образом переход Б-К также представляет малое

сопро­тивление и падение напряжения ипит происходит в основном на R_K. т.е. пере­ход Б - К также смещен в прямом направлении и область коллектора насы­щена электронами.

При переводе ключа S в нижнее положение оба перехода оказывают­ся смещенными в обратном направлении, но область базы насыщена ранее поступившими в нее электронами, в данном случае неосновными носителя­ми, и необходимо некоторое время дл их рассасывания. Это вызывает за­держку переключения транзистора и i личина этой задержки определяется параметрами С_{барьернаяя} и С_{диффуозная}

В результате при подаче на вход ключа идеального прямоугольного импульса имеется запаздывание:

называются динамическими и характеризуют быстродействие ключе­вых схем. В качестве ключевых схем в электронике применяются так назы­ваемые базовые элементы, которые подразделяются по конструктивно - тех­нологическим признакам.

2. Базовые элементы цифровой схемотехники. В настоящее время разработано и используется значительная номенк­латура базовых элементов конструктивное исполнение и параметры которых определяются применяемой технологией изготовления. Целесообразно рас­сматривать схемы базовых элементов в хронологическом порядке по мере их возниковения.

2.1. Базовый элемент диодно - транзисторной логики (микросхемы серий 202; 215; К217; 221; К511; 104; 109; 128 и др.). Для микросхем пере­численных серий базовым элементом является элемент И - НЕ (элемент Шеффера), который реализует операцию логического умножения с отрица­нием. Электрическая схема базового элемента

В данной схеме диоды VD1 - VD3 образуют схему коньюнктора (ум­ножение), диоды VD4÷VD5 схему передачи с коньюнктора на инвертор VT1. Диоды VD4, VD5 обеспечивают надежное запирание транзистора VT1, если на одном из входов х будет низкое напряжение U₀.

Принцип работы: если х₁, х₂, х₃ = 1 то от U_ип1 через VD4÷ VD5 течет ток смещения в базу VT1, открывающий его в насыщение, в результате на выходе VT1 напряжение U₀ = 0В (низкий уровень).

Если хотя бы на одном из х имеется «0» (т.е. низкое напряжение), то ток от U_ип1 через VD4, VD5 не течет, значит VT1 закрыт и на его выходе на­пряжение U1 (высокий уровень). Следовательно при выполнении операции xl*x2*x3 = 0 происходит инверсия выходного сигнала (операция НЕ).

Такой базовый элемент отличается простотой, но имеет низкую по­мехоустойчивость, низкую нагрузочную способность и недостаточное быст­родействие. Для преодоления этих недостатков разработан усовершенство­ванный базовый элемент с инвертором - формирователем, обладающий бо­лее высокими эксплуатационными качествами, например был разработан ба­зовый элемент ДТЛШ на диодах и транзисторах Шотки с переходами металл - полупроводник, отличающийся более высоким быстродействием.

2.2. Базовый элемент ТТЛ транзисторно - транзисторной логики поя­вился в результате замены матрицы диодов элемента ДТЛ многоэмиттерным транзистором (МЭТ) (микросхемы серий 133, 155, К155, КМ155, повышен­ного быстродействия 130, 131, 599, микромощные 134, 158; ТТЛШ - 530, К531, 1531,1533 и микромощные Шотки К555, 533).

В ТТЛ микросхемах многоэмиттерный транзистор имеет несколько эмиттеров, расположенных так что прямое взаимодействие между ними не­возможно потому что они разделены пассивными участками базы, общей для всех эмиттеров. Упрощенная схема базового элемента ТТЛ:

И для обеспечения более высоких эксплуатационных параметров схема принимает вид:

Этот базовый элемент также следует логике работы элемента Шеффера. Транзисторы VT3 - VT4 представляют собой каскад усилителя - ин­вертора. Возможности этого базового элемента ограничены по входу коэф­фициентом объединения n = 8. Увеличение количества входов ухудшает ди­намические параметры. Иногда базовый элемент ТТЛ серий выполняется с открытым коллектором т.е. для появления сигнала на выходе надо этот вы­ход через R_H соединить с U_пит- Такой прием позволяет повысить функцио­нальные возможности ТТЛ серий методом «монтажной логики», например для включения индикаторов на светодиодах.

С целью повышения быстродействия и уменьшения потребляемой мощности Р_Потр используется технология Шотки, т.е. м/с ТТЛШ.

2.3.Базовый логический элемент ЭСЛ - эмиттерно - связанная логика, а также модификации: ЭСТЛ и переключатели тока ПТТЛ относятся к по­тенциальным элементам. Представлены сериями м/с: К137, К187, К229, 100, К500, 500.

В отличие от ДТЛ и ТТЛ базовый элемент ЭСЛ реализует функцию ИЛИ - НЕ (стрелка Пирса) и имеет два выхода: y₁ и у₂, причем: у, =; у2 = х, +х₂ +х₃ т.е. осуществляет логическое сложение. Схема базового элемента ЭСЛ имеет вид:

В основу работы ЭСЛ элементов положено использование схемы то­кового переключателя. Т.е. если запирается транзистор VT1, или VT2, или VT1 + VT2, то отпирается транзистор VT3 и наоборот. При этом общий ток, потребляемый базовым элементом не изменяется, а транзисторы в ЭСЛ схе­мах не попадают в режим насыщения (а постоянно находятся в области ак­тивного режима усиления) т.е. отсутствуют процессы заряда - разряда

Для улучшения помехоустойчивости ЭСЛ ЦИС применяется строби- рование т.е. когда все переключения происходят при наличии логич. 1 на входе С.

Модификации базового элемента ЭСЛ направлены на улучшение экс­плуатационных параметров и повышения логических возможностей. Это достигается за счет многоуровневого, древовидного включения переключа­телей тока.

Логические элементы на МДП (МОП) транзисторах.

Для изготовления интегральных схем могут использоваться также полевые транзисторы:

1. с управляемым каналом;

2. с изолированным каналом;

3. с индуцированным каналом.

Так как токи управления (по затвору) потребляемые полевыми тран­зисторами во много раз меньше чем токи в биполярных транзисторах, то МДП (МОП) микросхемы отличаются малой мощностью, потребляемой входной цепью, вследствие чего возрастает коэффициент разветвления по выходу

(К_разв >> 10 ÷20). Технология изготовления МДП структур также бо­лее прогрессивна, отсюда низкая стоимость + малая потребляемая мощность МДП (МОП) структур.

Однако по быстродействию логические элементы на МОП структур­ных уступают схемам на биполярных транзисторах т.к. имеют сравнительно большие входные емкости на перезарядку которых затрачивается определен­ное время. К тому же выходное сопротивление у открытого МОП транзисто­ра много больше чем у биполярного, что увеличивает время перезарядки ем­костей. По уровню питания ЛЭ на МДП (МОП) транзисторах подразделяют­ся на низкопороговые

U_n = 5÷ 9В и высокопороговые для которых U_пит 12 ÷ 27В. Потребляемая мощность (на 1 элемент) Р_пот = 0,4 ÷ 5мВт t_зд.ср, = 20 ÷ 200нс. U⁰ ≤1 В; U¹ ≥7В.

межэлектронных емкостей. За счет этого удается поднять быстродействие почти на порядок, но при этом сильно возрастает потребляемая мощность.

Отличительной особенностью МДП структур является возможность использовать вместо резисторов структуру МДП транзистора, у которого за­твор замыкается на сток, а сопротивление цепи сток - исток обеспечивает требуемый номинал резисторной нагрузки. Это сокращает количество

необ­ходимых для изготовления логического элемента технологических операций, значительно сокращает стоимость изделий и улучшает надежность. Схема базового элемента МДП обычно строится на ключах с динамической нагруз­кой и состоит из одного нагрузочного и нескольких управляющих транзисто­ров.

В схеме ИЛИ управляющие транзисторы включены параллельно:

На МДП (МОП) структурах выполнены следующие отечественные

серии:

К144, К145,К161,КР186, КР188, К501, К502, КР505, К512, К552. Высокая технологичность МДП структур позволяет выполнять тран­зисторы с идентичными параметрами с каналами проводимости различного типа. Такие транзисторы называются взаимодополняющими или с дополни­тельной симметрией, но наибольшее применение получил термин компле­ментарные транзисторы. Для изготовления микросхем как правило исполь­зуются комплементарные транзисторы
с индуцированным каналом. Приме­няемая аббревиатура буквенных обозначений КМОП, КМДП + TJI.

В таких схемах транзисторы с разной электропроводностью каналов выполняют роль ключей. При напряжении на затворах большем порогового, для транзисторов с каналом определенного типа соответствующий транзи­стор отперт, а другой заперт. При другом значении большем порогового для транзисторов с электропроводностью противоположного типа отпертый и за­пертый транзисторы меняются местами. В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки ЛЭ КМОП почти не потребляют энергии. Для них также характерна: стабильность уровней выходного сигнала и малое его от­личие от напряжения источника питания, большое входное и сравнительно малое выходное сопротивление, хорошая помехоустойчивость легкость со­гласования с микросхемами других серий.

Достоинства мс КМОП

1. малая потребляемая мощность (< 1мкВт при f = 2МГц)

2. большой диапазон U_пит

3. большая нагрузочная способность (n ≥ 50)

Недостатки

1.большое время задержки (до 100 нc)

2. повышенное входное сопротивление (до 1кОм)

3. разброс статических и динамических параметров.

При разработке устройств на микросхемах руководствуются их ха­рактеристиками и параметрами. К характеристикам относятся:

1.Входная характеристика I_BX = fi(U_BX)

2.Передаточная характеристика U_BbIX = f2(U_BX)

3.Выходная характеристика 1_ВЬ1Х = f3(U_BbIX).

К статическим параметрам относят: Напряжение логической единицы U¹

Напряжение логического нуля U⁰

Пороговое напряжение U_пop

Входные токи I'_BX, I°_вх Выходные токи I'_вых, I°_вых Напряжение помехи U_noмex

Входное сопротивление

Выходное сопротивление

Мощность потребления Р°_п; Р'_п; Р^ср_п (на 1 элемент)

Характеристики источника питания

Диапазон температур

Коэффициент объединения по входу

Коэффициент разветвления по выходу.

Дата добавления: 2014-01-03