Твердотельная електроника / mikroshemotehnika

Характеристики і параметри базових логічних елементів

Основні характеристики та електричні параметри БЛЕ визначають характеристики і параметри всіх ЦІС даної серії. Від цих параметрів залежать можливості сумісної роботи ЦІС різних серій у складі електронної техніки.

Основна характеристика БЛЕ – це статична передавальна характеристика (СПХ).

СПХ – це залежність потенціалу на виході ЛЕ від потенціалу на одному з його входів: Uвих f (Uвхi ) при

Uвхj const( j i). За типом СПХ логічні елементи

поділяють на: інвертувальні (НЕ, І НЕ, АБО НЕ ) і неінвертувальні (І, АБО і т. д.).

Схеми зняття СПХ БЛЕ показані на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 – Схеми зняття СПХ-елементів: а) АБО НЕ ; б) І НЕ

Вигляд типової СПХ інвертувального ЛЕ показаний на рисунку 2.2.

Характеристика має три виразні ділянки: І – Uвих U1 (режим відсічки).

ІІ – Uвих U0 (режим насичення).

ІІІ – перехідний стан (активна область U ).

51

ΔU

значення порогів перемикання (меж ділянок) Uпор1 і Uпор2 ;

ширину активної області U Uпор2 Uпор1 ; статичну зава-

достійкість ЛЕ – максимально допустиму величину завади, що не викликає фальшивого спрацювання або збою ЛЕ.

Максимально допустима вхідна позитивна (відкривальна) завада ЛЕ:

Umзав Uпор1 U0.

Максимально допустима негативна (закривальна) завада за входом ЛЕ:

52

Розглянемо деякі параметри БЛЕ.

1 Швидкодія

Базові ЛЕ побудовані, як правило, на основі транзисторних ключових схем. Їх інерційність породжена процесами накопичення і розсмоктування зарядів у базі, розряду – заряду паразитних ємностей тощо. Тому при проходженні цифрових сигналів (перепадів потенціалів) через кілька послідовно з’єднаних ЛЕ спостерігається «розтягнення» фронтів імпульсів і часова затримка

53

Залежно від цього параметра логічні елементи поділяють на надшвидкодійні (tзсер 5 нс), швидкодійні

(tзсер 5 10 нс) і середньої швидкодії (tзсер 10 15 нс).

2 Споживана потужність

Потенціальні ЛЕ у стані логічного нуля U0

(у відкритому стані) споживають потужність Pспож0 , у стані логічної одиниці U1 (у закритому стані) – Pспож1 , а в режимі

перемикання (динамічному режимі) Pспож.дин . Якщо у

перехідному режимі Pспож.дин 0, то середня потужність,

що споживається від джерела живлення:

3 Коефіцієнт об’єднання за входом Kоб

Коефіцієнт визначає максимальну кількість входів ЛЕ

(рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Коефіцієнт об’єднання за входом

54

Для сучасних ЛЕ Kоб 2 8 (елемент І), Kоб 2 4 (елемент АБО). З метою збільшення кількості входів у деяких ЛЕ, що входять до певної серії, передбачені входи для увімкнення схеми розширення логіки (розширювача логіки цієї серії), і тоді досягається Kоб 10.

4 Коефіцієнт розгалуження за виходом Kроз

Цей коефіцієнт визначає навантажувальну здатність

ЛЕ, яка виражається у кількості аналогічних ЛЕ, що можуть бути під’єднані до виходу даного ЛЕ без порушення нормальної роботи останнього. Чим більше Kроз , тим

ширші можливості застосування ЛЕ, менше число корпусів ІС у цифровій схемі. Проте, з іншого боку, це призводить до зниження швидкодії, завадостійкості, збільшення споживаної потужності ЛЕ. Тому до складу серій ЦІС разом з основним БЛЕ(Kроз 4 10) включають потужні буферні

ЛЕ з Kроз 20 30. Це забезпечує оптимізацію числа

корпусів ІС і величини споживаної потужності Pсер.

5 Робота перемикання ЛЕ

Це узагальнювальний параметр, що характеризує схемотехнічну і конструктивно технологічну якість ЦІС

Aперем Pсерtзсер [Дж].

Ця величина показує, за рахунок якої споживаної потужності можна забезпечити потрібну швидкодію. Для сучасних ЦІС

Aперем (0,01 1,0) 10 12 Дж.

6 Напруга джерела живлення Е

Вибирається з огляду:

а) забезпечення прийнятних енерговитрат (для цього необхідно зменшувати Е);

б) забезпечення завадостійкості і навантажувальної здатності (для цього необхідно збільшувати Е).

55

Стандартний ряд напруг живлення для ЦІС:

1,2; 1,6; 2,0; 2,4; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 9,0; 12,6; 27 В.

Для ЦІС на біполярних транзисторах E 4 5B. Для ЦІС на МОН-транзисторах E 5 9B.

7 Допустимий діапазон температур для сучасних напівпровідникових ЦІС 60 125oC (як для кремнієвих напівпровідникових приладів).

2.2 Принципи схемотехніки базових логічних елементів

Унаслідок дворівневого кодування цифрових сигналів найважливішим схемотехнічним елементом в БЛЕ є т. зв.

потенціальні інвертори (ПІ). Основне завдання ПІ є інвертування вхідного потенціалу. Крім того, він є підсилювачем – нормувачем сигналів, що пройшли обробку в логічних схемах.

Схеми ПІ будуються на основі підсилювального каскаду і розрізняються одна від одної схемами керування струмами транзисторів, типом транзисторів, а також навантаженням у колі колектора (стоку). Схеми ПІ на біполярних транзисторах побудовані за принципом перемикання струму з однієї гілки кола на іншу (без зміни величини струму) під дією вхідного сигналу. Залежно від того, в якій гілці кола здійснюється перемикання, розрізняють: перемикачі базового струму, перемикачі емітерного струму.

Крім ПІ на біполярних транзисторах, широко застосовується в ЦІС ПІ на МОН-транзисторах.

Розглянемо принципи будови та функціонування кожного з видів цих потенціальних інверторів окремо.

56

2.2.1 Потенціальні інвертори з перемикання базового струму

Схема (рис. 2.5) розроблена спеціально для інтегральних ТТЛ-елементів, на дискретних елементах вона не застосовується.

Рисунок 2.5 – Потенціальний інвертор із перемикання базового струму

Склад схеми. V1 – вхідний (керувальний) транзистор

R1), а потенціал колектора V1 (бази V2 ) ще нижче (частки вольтів).

57

Отже, у транзисторі V1 напруга UБЕ 0, UБK 0,

тобто емітерний перехід зміщений зворотно, а колекторний перехід – прямо. Транзистор V1 перебуває в інверсному режимі: колекторний перехід інжектує, емітерний –

(перемикається до емітерного кола). Внаслідок цього базовий струм IБ2 транзистора V2 різко зменшується, і цей

прилад переходить до режиму відсічки. Вихідна напруга схеми

Uвих U1 E .

Таким чином, інвертування вхідного сигналу в цій схемі здійснюється внаслідок перемикання базового струму IБ1 або до вхідного (емітерного) кола транзистора V1 (при

Uвх U0 ), або до бази транзистора V2 (при Uвх U1). Це, в свою чергу, приводить до вимикання або вмикання транзистора V2 .

58

Недоліки схеми: наявність вхідного струму Iвх при

Uвх U1, що приводить до зменшення рівня високого

потенціалу на вході і відтак обмежує навантажувальну здатність попередньої схеми; порівняно невисока швидкодія (істотний вплив паразитної ємності Cвих ).

Схема рисунка 2.5 – ПІ з перемикання базового струму – застосовується в інтегральних ТТЛ-елементах.

2.2.2 Потенціальні інвертори з перемикання емітерного струму

Схема потенціального інвертора з перемикання емітерного струму є, по суті, диференціальний каскад, що працює у ключовому режимі (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 – Потенціальний інвертор із перемикання емітерного струму

59

Склад схеми V1, V2 – пара ідентичних за параметрами транзисторів (V1 – вхідний, V2 – опірний); Uоп – джерело

опірної напруги; RK1 RK2 RK ; RE – спільне для V1 і V2 емітерне навантаження, що забезпечує емітерний зв'язок між V1 і V2 ; Е – джерело живлення.

Принцип дії

1 Нехай до баз V1 і V2 прикладені однакові напруги

Uвх Uоп . Обидва транзистори працюють в активному

режимі, і внаслідок ідентичності плечей диференціального каскаду через них протікають однакові струми:

схеми відповідає т. А (початковий стан робочої точки). 2 Нехай на вхід поданий сигнал Uвх U1 Uоп .

Процеси в схемі рисунка 2.6 проходитимуть так:

Uвх UБЕ1 IЕ1 IK1 UK1

URE UБЕ2 IЕ2 IK2 UK2 .

Відбувається перерозподіл емітерного струму IE на користь IE1 , внаслідок чого транзистор V1 ще більше

відкривається (залишаючись в активному режимі), а транзистор V2 закривається і переходить до режиму відсічки (точка В на СПХ рисунка 2.7).

60