книги из ГПНТБ / Пакулов, Н. И. Мажоритарный принцип построения надежных узлов и устройств ЦВМ

йкачение входного сигнала равно i или б соответственно. В вычислительной технике получили широкое рас­ пространение МЭ с нечетным количеством входов, вес каждого из которых равен единице. Порог МЭ в этом случае равен V = (m + l)/2. Функция, описывающая ра­

боту таких МЭ, имеет вид

( 1. 2)

где т — нечетное число.

МЭ в соответствии с выражением (1.2) могут быть построены тремя основными способами: суммированием гармонических сигналов; суммированием импульсных или потенциальных сигналов с использованием весовых резисторов и элемента, имеющего пороговую характери­ стику, и с помощью логических элементов И—ИЛИ—НЕ с диодной логикой на входе.

Первый способ построения МЭ используется в том случае, когда информация содержится в фазе гармони­ ческих колебаний. МЭ, построенные по этому способу, называются параметронами. Параметроны обладают исключительно высокой надежностью и нагрузочной спо­ собностью, по имеют сравнительно низкое быстродейст­ вие. Увеличение быстродействия параметронов встреча­ ет технические препятствия, связанные с трудностями канализации высокочастотных сигналов. Кроме того, изготовление параметронов интегральным способом вызывает затруднения технологического порядка. Поэто­ му параметроны как логические элементы не получили пока широкого распространения в вычислительной тех­ нике.

МЭ, построенные по второму способу, отличаются простотой схемы и экономичностью. В качестве элемен­ тов с пороговой характеристикой в этом случае исполь­ зуют транзисторы или туннельные диоды. Однако МЭ с резистивной логикой на входе имеют сравнительно не­ большое быстродействие и невысокую помехоустойчи­ вость. Для повышения быстродействия МЭ резистивного типа целесообразно применять переключатели тока.

МЭ, построенные по третьему способу, имеют ряд преимуществ по сравнению с МЭ с резистивной логикой на входе. Они обладают более высоким, быстродействи­ ем, большей помехоустойчивостью и сравнительно широ­

10

кой областью устойчивой работы. Однако реализация этим способом МЭ с количеством входов больше трех вызывает большие технические трудности из-за сложнос­ ти входной цепи.

МЭ, построенные по второму и третьему способам, могут быть изготовлены в виде интегральных схем. Луч­ шими по технологичности и ряду других параметров являются интегральные схемы с непосредственными свя­ зями по постоянному току внутри элементов и между ними. Поэтому в дальнейшем будут рассматриваться только интегральные МЭ подобного типа. Интегральные МЭ в зависимости от вида входной цепи и характера

транзисторной логикой (ТТЛ), с транзисторно-транзис­ торной логикой и переключателем тока (ПТТТЛ).

Перечисленные типы МЭ отличаются друг от друга временем включения и выключения, нагрузочной спо­ собностью, помехоустойчивостью и другими параметра­ ми. Ниже дается анализ и оценка основных статических и динамических параметров МЭ различных типов.

1.2. МАЖОРИТАРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С РЕЗИСТИВНОЙ ЛОГИКОЙ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕМ ТОКА (ПТРЛ)

Характеристики передачи

Мажоритарный элемент с резистивной логикой и по­ роговым элементом па переключателе тока (рис. 1.1) отличается от известных элементов типа ПТТЛ тем, что входные напряжения ивхь и„х2 и иПхз подаются не на базы транзисторов переключателя тока, а на резистив­ ный делитель, а переключатель тока содержит только два транзистора 77 и Т2.

Резистивный делитель Rl, R2, R3 и R4 вместе с переключателем тока обеспечивает выполнение мажоритарной логики и формирова­ ние уровней напряжений. Эмиттерные повторители на транзисторах ТЗ и 77, как и в элементах типа ПТТЛ, служат для повышения на­ грузочной способности элемента и обеспечивают смещение уровней напряжений, формируемых на выходах переключателя тока. Смеще­ нием уровней -напряжения с помощью эмиттер-ных повторителей до­ стигается согласование потенциалов выходов и входов элементов (потенциальное согласование элементов).

11

Резистор R7 вместе с источником питания Е0 образует генератор тока. Номинальные значения этих элементов должны выбираться так, чтобы изменение напряжения, действующего на базе транзи­ стора Т], не приводило к заметному изменению тока, протекающего через резистор R7. Опорное напряжение (и0п), как правило, фор­ мируется не за счет отдельного источника, а с помощью резистив­

ного делителя или эмиттерного повторителя уровня напряжения, сни­ маемого с резистивного делителя (рис. 1.2). Делитель R2, R3 вклю­ чается .между коллекторной и эмиттерной шинами питания. Транзистор Т исключает влияние тока базы транзистора Т2 на вели­ чину «оп. Диоды Д1 и Д2 предназначены для температурной стабилизации уровня

опорного напряжения.

рис. 1.3. На этом рисунке для простоты эквивалентными схемами замещены только транзисторы 77 и 77, входные цепи не показаны, а все элементы, выполняющие одно­ родные функции, обозначены одинаковыми символами; здесь гки и /кп — коллекторные токи транзисторов 77 и Т2

12

ми передачи элемента по отношению ко входному на­ пряжению (н<ц). В эти выражения в неявном виде вхо­ дят характеристики передачи по току:

Рис. 1.4. Характеристики передачи переключателя тока:

а — по току, б — по напряжению.

нению токов и напряжений от уровня 0,1 до уровня 0,9 их максимального размаха. Эту область обычно назы­ вают шириной области переключения.

При

что соответствует запертому состоянию 77 и открытому состоянию Т2, по выражениям (1.4) и (1.5) находим

Из соотношения (1.9) следует, что ширина области переключения определяется типами транзисторов, темпе­ ратурой их переходов и не зависит от режима и парамет-

Ц

рои резисторов (для кремниевых транзисторов Awgi**

-150 ... 230 мВ).

Если допустить, что верхний и нижний уровни на­ пряжения U6i расположены симметрично относительно

Uon и что |Поп—w gi| = |«6i—«оп| >Афт, то из выражений (1.4) и (1.5) с учетом соотношения (1.8) можно найти перепады выходных напряжений:

Из выражений (1.10) и (1.11) следует, что перепад выходных напряжений полностью определяется отноше­ нием сопротивлений в коллекторной и эмиттерной цепях. Если учесть, что при производстве полупроводниковых интегральных микросхем трудно изготовить резисторы с малым разбросом номинальных значений сопротив­ лений, но сравнительно легко получить отношение со­ противлений резисторов с высокой точностью, то стано­ вятся очевидными преимущества элементов на пере­ ключателях тока.

В выражениях для характеристик передачи не учте­ ны обратные токи транзисторов / ко и входные токи эмиттерных повторителей. Общее выражение для базовых то­

где «вых —напряжение инверсного и„ (1.4) или прямого ип (1.5) выходов.

При согласованности входных и выходных потенциа­ лов элементов с учетом среднего значения выходных на­ пряжений можно упростить расчеты, приняв во внима­ ние средний входной ток эмиттерпых повторителей:

15

В этих выражениях принято, что 7?э1= 7?з2= 7?э (транзис­ торы идентичны) напряжения на эмиттерных переходах транзисторов эмиттерных повторителей обозначены «бэ4 и ибэз. Полученные выражения для инверсного выхо­ да (1.12, 1.14) недостаточно полно отражают физические процессы в элементе, так как не учитывают возможность насыщения транзистора 77.

Ненасыщенный режим работы транзистора переключателя тока

Для устранения задержки, обусловленной процессом рассасывания неосновных носителей в базе 77, необхо­ димо предотвратить насыщение транзистора. В рассма­ триваемом элементе насыщенным может оказаться толь­ ко транзистор 77 при достаточно высоком уровне на­ пряжения «61. Значение напряжения «бь при котором происходит насыщение 77, назовем критическим и обо­ значим «бкрПри этом условием ненасыщенного режима работы транзистора 77 будет выполнение неравенства

Для определения «бкр рассмотрим эквивалентную схему левого плеча токового переключателя в режиме, когда 77 открыт («б1>«оп) и через него проходит весь эмиттерный

ток i (рис. 1.5).

На этой схеме вынесены за пределы условного обозначе­ ния транзистора объемные со­ противления базовой (Гб), кол-

■—I лекторный (гкк) и эмиттерной (гЭэ) областей транзистора.

Рис. 1.5. Эквивалентная схема инвер­ тирующего плеча токового переклю­ чателя, используемая для определе­ ния критического значения напряже­ ния «61-

16

В соответствии с эквивалентной схемой, представленной на рис. 1.5, получаем

Где R э = Ro Ч” Гээ! к == RkЧ- Бек-

Учитывая, что на практике (1—а)Гб<С^8/, гээ-С/?о, и обо­ значая. граничное (для активной области) напряжение на коллекторном переходе «гжгр, получаем

Значение Пбкгр можно определить по выходным вольтамперным характеристикам транзисторов, включенных по схеме ОБ, как граничное напряжение между актив­ ной областью и областью насыщения.

Экспериментальные исследования полупроводнико­ вых приборов, применяемых в дискретных схемах и гиб­

Очевидно, что для увеличения верхней границы допу­ стимых значений «бь при которых еще не наступает на­ сыщения, можно либо увеличивать Ек, либо уменьшать отношение aRK'/Ro■ Возможность увеличения Ек. можно использовать лишь в отдельных элементах, до.нагружен­ ных аналогичными элементамигДл я цифровых устройств такое включение элементов це-характерно. При выполне-

ййй же условий потенциального согласования элемен­ тов значение Ек однозначно связано с максимальным перепадом напряжений имакс на выходах и входах эле­ мента. Ниже будет показано, что из условий потенциаль­ ного согласования элементов напряжение источника пи­ тания £,( целесообразно выбирать равным 3/гМмаксПри этом

бКР~ («/?'к/^о) + 1

Таким образом, даже при благоприятном условии (а#к7^о<С1) верхний уровень напряжения «gi имеет же­ сткие ограничения. При отклонениях этот уровень не должен превосходить значения «бкгр. В практических же случаях отношение aRu'/Ro составляет 0,1 ... 0,5. При ЭТОМ Ыбнр ДОЛЖНО отличаться ОТ макс на величину, меньшую «бкгр.

Учитывая критическое значение напряжения «бкр и выражение (1.14) для характеристики передачи по току йш, получаем

Это выражение совместно с (1.12), (1.13) и (1.15) по­ зволяет достаточно точно представить характеристики передачи элемента. Графики этих характеристик будут приведены после получения выражения для входной ха­ рактеристики.

Входные и выходные характеристики МЭ

Входная характеристика элемента представляет со­ бой зависимость входного тока от входного напряжения. Для рассматриваемого элемента, учитывая нелинейный характер вольт-амперных характеристик транзистора, удобнее вместо входной характеристики элемента (см. рис. 1.1) рассмотреть зависимость тока базы г'б± транзис­ тора 77 от напряжения «бь соответствующую входной характеристике элемента, схема которого представлена на рис. 1.3.

18