5.2 Транзисторы с диодами Шоттки
Единственным способом устранения насыщения является использование нелинейной отрицательной обратной связи (рисунок 5.1, б). Между базой и коллектором транзистора включается диод (плюсом к базе), имеющий напряжение отпирания 0,20,4 В. При величине базового тока Iб = Iбн напряжение на коллекторе становится меньше напряжения на базе и диод VD отпирается. Теперь избыточный ток Iб течет через диод VD в коллекторную цепь транзистора и накопление избыточного заряда в базе транзистора не происходит.
Особые требования предъявляются к диоду VD – это не должен быть обычный р-п-переход, в котором перенос заряда осуществляется неосновными носителями и при выключении происходит задержка, обусловленная рассасыванием накопленного заряда. Накопление неосновных носителей не происходит на выпрямляющих контактах металл-полупроводник, известных как переходы (диоды) Шоттки. Перенос тока в них обусловлен переходом (эмиссией) основных носителей из полупроводника в металл. Благодаря этому время их выключения мало (до 100 пс) по сравнению с временем переключения р-п переходов (1100 нс) и не зависит от температуры. Напряжение отпирания диодов Шоттки 0,20,4 В и может изменяться подбором металла, образующего контакт с полупроводником. В 70 – 80 г. технологи изящно решили важную для интегральной схемотехники задачу.
а − распределение напряжений в насыщенном ключе; б − транзисторный ненасыщенный ключ с диодом Шоттки в цепи отрицательной обратной связи; в − условное изображение транзисторного ключа на транзисторе Шоттки
Рисунок 5.1 – Разновидности транзисторных ключей
Металлический слой интегрального транзистора, служащий для омического контакта с базой, был продлен в сторону коллектора, образовав с n-областью коллектора переход Шоттки. Таким образом, без введения дополнительных технологических операций переход база-коллектор оказался зашунтированным диодом Шоттки (рисунок 5.1, в).В настоящее время широкое применение получили различные модификации микросхем ТТЛ с диодами Шоттки. В первую очередь можно отметить маломощные серии 533, 555 (функциональные аналоги SN54LS). Освоены быстродействующие серии: серия 1530 (аналог SN54AS), серии 1533, КР1533 (аналоги SN54ALS, SN74ALS). Наибольшим быстродействием обладает серия 1531, КР 1531, созданная на основе модернизированного процесса типа FAST (функциональные аналоги SN54F/SN74F).
5.3 Базовый логический элемент ис к533
В качестве базового ЛЭ микросхем К533 (К533, КМ533, К555, КМ555) использован ЛЭ типа И-НЕ. Схема базового ЛЭ приведена на рисунке 5.2 и содержит три основных каскада: входной, реализующий функцию И, выполненный на диодах VD3, VD4 и резисторе R1; фазоразделительный, выполненный на транзисторе VT1; выходной усилитель, содержащий транзисторы VT2 и VT4, диод VD5 и резистор R6. Транзистор VT3 и резистор R4 обеспечивают температурную стабилизацию нулевого уровня выходного напряжения.
Рисунок 5.2 – Электрическая схема базового ЛЭ ИС
Отличительной особенностью ТТЛШ ИС является наличие в активных элементах схемы диодов Шоттки, которые шунтируют коллекторные переходы транзисторов. Диод Шоттки имеет более низкое прямое падение напряжения, чем кремниевый р-п-переход, и предохраняет транзистор от насыщения. Введение диодов Шоттки исключает накопление зарядов, увеличивающих время выключения транзистора, и способствует стабильности временных параметров транзистора в рабочем диапазоне температур. Подключение диодов Шоттки к входным контактам (антизвонных диодов VD1 и VD2) ограничивает отрицательные выбросы сигналов на входе схемы.
Входной каскад работает следующим образом. При одновременной подаче на входы микросхемы напряжения, соответствующего высокому уровню, ток резистора R1 потечет на базу транзистора VT1, так как входные диоды VD1, VD2 будут смещены в обратном направлении. Если хотя бы на один из входов подано напряжение низкого уровня, то ток резистора RI из схемы будет вытекать через входные диоды. Когда отсутствует ток в базе транзистора VTI, то включены (открыты) транзисторы VT2, VT4.
Нижнее плечо выходного каскада выполнено на транзисторе VT5. В том случае, когда на все входы схемы подан высокий уровень напряжения, транзисторы VTI и VT5 открыты и на выходе схемы устанавливается низкий уровень напряжения.
Резистор R6 верхнего плеча выходного каскада создает напряжение на базе транзистора VT4 и подключен к выходу ЛЭ с целью уменьшения потребляемой мощности при высоком уровне напряжения на выходе схемы. Диод VD5 позволяет уменьшить задержку включения схемы путем увеличения тока коллектора транзистора VTI в переходном режиме.
В микросхемах, выполненных на ТТЛ и ТТЛШ, переключения сопровождаются бросками тока в цепи питания, потребляемая мощность растет с частотой. В статическом режиме микросхемы ТТЛШ потребляют практически такую же мощность, как микросхемы ТТЛ. Однако при частоте переключения порядка 50 МГц рассеиваемая мощность удваивается, а при 100 МГц – утраивается.