Твердотельная електроника / mikroshemotehnika

Із виходів ПІ знімають такі потенціали:

Uвих1 UK1 U0 E ,

Uвих2 UK2 U1 E .

3 Нехай на вхід ПІ поданий сигнал Uвх U0 Uоп . Процеси в схемі проходитимуть так:

Uвх UБЕ1 IЕ1 IK1 UK1

URE UБЕ2 IЕ2 IK2 UK2 .

Внаслідок цього емітерний струм IE перерозподі-

литься на користь IE2 , через що транзистор V1 закривається,

переходить до режиму відсічки (точка С на СПХ рисунка 2.7), а V2 – більше відкривається і залишається в активному режимі.

61

На виходах ПІ встановлюються такі потенціали:

Такий ПІ називається перемикачем струму. Він дозволяє водночас на колекторі V1 одержати інвертований, а

на колекторі V2 неінвертований сигнал (стосовно вхідного

сигналу).

Властивості схеми перемикача струму:

1) перемикання схеми відбувається в зоні активного режиму, ширина якої невелика і становить U 0,15 0,2B . Тому для керування перемикачем струму потрібні малі перепади потенціалу (десяті частки вольт);

2) перемикач струму характеризується високою швидкістю перемикання внаслідок роботи транзисторів в активному режимі за відсутності розсмоктування і накопичення неосновних носіїв у базах.

2.2.3 Потенціальні інвертори на МОН-транзисторних структурах

Загальний недолік розглянутих схем ПІ на біполярних транзисторах (рис. 2.5 і 2.6) полягає в такому. Функцію навантаження у них виконує резистор RK , що має високу

лінійність, але інтегральне виготовлення якого стикається з технологічними труднощами. Цей недолік подоланий у потенціальних інверторах на МОН-транзисторах. У схемотехніці ЛЕ найбільш поширені МОН-структури з індукованим p-каналом.

62

2.2.3.1 Потенціальний інвертор на однотипних МОН-структурах

Схема ПІ на МОН-транзисторах з індукованим каналом p-типу зображена на рисунку 2.8 а.

Рисунок 2.8 – Потенціальний інвертор на МОН-структурах

Склад схеми. Va – активний (комутувальний) транзис-

тор; VH – навантажувальний транзистор (еквівалент опору навантаження). Вхідний сигнал подається на затвор Va , а

вихідний знімається з точки з’єднання витоку транзистора VH і стоку транзистора Va ; Uвх U1 Uпор , Uвх U0 0.

Принцип дії. Схема (рис. 2.8) працює в негативній логіці. При надходженні на вхід схеми Uвх U1 транзистор

Va відкривається. Транзистор VH відкритий постійно

(Ec Uпор ). Через схему протікає струм стоку

Ic RHEcRa ,

де RH , Ra – опори каналів МОН-транзисторів VH і Va

відповідно.

63

Напруга на виході ПІ Uвих RHEcRa Ra .

Для забезпечення стану Uвих U0 0 необхідно, щоб

RH Ra . Технологічно це досягається шляхом виготов-

лення МОН-транзисторів VH і Va із різними геометричними розмірами каналів. При надходженні на вхід схеми

Uвих U0 0 (Uвх Uпор ) транзистор Va закривається, коло

протікання струму Ic розмикається і на виході встановлюється

Uвх U1 Ec .

Розглянуту схему ПІ з одним джерелом живлення називають схемою з нелінійним опором навантаження, оскільки транзистор VH працює як на крутій, так і на

пологій частинах вихідної характеристики (рис. 2.9).

Якщо застосувати схему інвертора, в якій напруга на затворі транзистора VH задається окремим джерелом

(рис. 2.10), то навантажувальний транзистор працює в крутій області, де його властивості наближені до властивостей лінійного опору. Таку схему називають ПІ з квазілінійним опором навантаження.

Uc Uз Uпор

Рисунок 2.9 – Стокова характеристика МОН-транзистора

64

Рисунок 2.10 – Потенціальний інвертор на МОН-структурах із квазілінійним опором

Основний недолік ПІ на однотипних МОН-транзис-

торах: у режимі, коли Uвх U1 і Uвих U0 , через структуру постійно протікає струм стоку Ic . Це зумовлює велику

споживану потужність схеми. Цей недолік подоланий у схемах ПІ на комплементарних МОН-транзисторах.

2.2.3.2 Потенціальний інвертор на комплементарних МОН-транзисторних структурах (КМОН-транзисторах)

Комплементарними (доповнювальними) МОН-тран- зистори (КМОН-транзистри) називаються об’єднання таких МОН-транзисторів, які мають ідентичні характеристики, але керуються різнополярними сигналами (наприклад, об’єднання n- і p-канальних структур). На рисунку 2.11 показана схема ПІ на КМОН-транзисторах.

65

Рисунок 2.11 – Потенціальний інвертор на КМОН-транзисторах

Склад схеми. V1 – комутувальний транзистор із каналом n-типу. V2 – навантажувальний транзистор із каналом p-типу. Вхідний сигнал подається на об’єднані затвори V1 і V2 , вихідний сигнал знімається з об’єднаних стоків транзисторів:

U1 Uпор (U1 Ec); U0 0 Uпор .

66

потенціал Uвих U1 Ec .

Перевага ПІ на КМОН-транзисторах: в обох стаціонарних станах загальний опір ПІ дуже великий (Ri ) ,

що відповідає практичній відсутності споживання струму від джерела живлення.

2.3 Транзисторно-транзисторні логічні елементи

Близько 60 % усіх ЦІС побудовані на основі транзис- торно-транзисторних елементів (ТЛЛ-елементів). Основний схемотехнічний їх елемент – схема потенціального інвертора з перемиканням базового струму. Роль БЛЕ при побудові серій ЦІС можуть виконувати логічні елементи І НЕ, АБО НЕ , І АБО НЕ. Операцію «І» в цих ПІ реалізує багатоемітерний транзистор у вхідному каскаді.

Традиційні серії ТТЛ 130, 131, 133, 134, 136 155, 530, 555 тощо; вони відрізняються одна від одної швидкодією, споживаною потужністю, навантажувальною здатністю, логічними можливостями і т. п.

ЛЕ функціонує в системі собі подібних ЛЕ. Тому вхідними сигналами для цього ЛЕ є вихідні потенціали попереднього ЛЕ. ТТЛ-елемент працює у позитивній логіці з такими логічними рівнями:

U1 E 5B , U0 UКНE 0,2B .

67

вхідне коло (пунктир IБ1 на схемі рисунка 2.12). Транзис-

тор V2 перейде до режиму відсічки, і вихідна напруга

Uвих E 5B , тобто y U1.

Така схема має невисоку навантажувальну здатність, низьку швидкодію і малу завадостійкість. Тому вона не є базовим ЛЕ, а застосовується у складі серій ЦІС як різновид логічного елемента для реалізації схеми з відкритим колектором.

2.3.2 ТТЛ-елемент І–НЕ із складним інвертором

Ці недоліки «знімаються» у схемі рисунка 2.13. Ця схема є базовою для мікропотужної серії 134.

Склад схеми. V1 – багатоемітерний транзистор, який реалізує операцію «І» на вході ЛЕ; V2 , R2 , R3 – фазо-

інверсний каскад; V3 , V4 , R4 , Vg – двотактний вихідний

каскад. Саме фазоінверсний і вихідний каскади утворюють разом схему складного інвертора.

Джерело живлення E 5B.

Рисунок 2.13 – ТТЛ-елемент І НЕ із складним інвертором

69

Принцип дії. Логічний елемент функціонує у пози-

тивній логіці з такими логічними рівнями: U0 0,2B;

U1 3,6B. Нехай на всі ходи подаються логічні «одиниці»:

x1 x2 ... x8 U1 3,6B.

При цьому струм IБ1 перемикається у базу транзис-

тора V2 , який відкривається і переходить до режиму насичення. Зростання струму через V2 приводить до збіль-

шення спадів напруги на опорах R2 і R3. Напруга на колекторі транзистора V2 зменшується, а напруга на емітері

V2 (базі транзистора V4 ) збільшується. Транзистор V4

відкривається, шунтуючи опір R3 і викликаючи подальше зменшення потенціалу колектора транзистора V2 .

Внаслідок цього транзистори V2 і V4 переходять до режиму насичення, тобто

Uвих U UКEH 0,2B, y U0 .

Транзистор V3 закривається, оскільки напруга між колекторами V2 і V4 стає меншою, ніж сумарний поріг відкривання транзистора V3 і зміщувального діода Vg .

Таким чином, основне призначення діода Vg полягає в забезпеченні надійного закривання V3 при насиченні транзисторів V2 і V4 . У цьому стані ЛЕ вихідна паразитна ємність Cвих швидко розряджається через відкритий і насичений транзистор V4 .