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

Коэффициент передачи по напряжению входной цепи находим с помощью эквивалентной схемы, приведенной на рис. 1.15:

К ъ х = Й г ё ) = 1 + р (г6 + 7 з R) С кх • ( 1 Л 0 3 )

Отсюда получаем выражение переходной характеристи­ ки входной цепи при нулевых начальных условиях

Полученные выражения не зависят от направления изме­

МЭ таково, что «61 изменяется в меньших пределах, то уменьшатся значения емкостей Ск и Сэ, что приведет к уменьшению твх. Однако в этом случае практически весь временной интервал изменения войдет в каче­ стве слагаемого в задержку переключения следующего элемента схемы. В рассмотренном же случае значение динамического порога переключения переключателя тока составляет (0,6 ... 0,7) «бшакс {1]. При этом вклад вход­ ной цепи в общую задержку составляет

Переходные процессы в переключателе тока. В пере­ ключателе тока режим насыщения транзисторов не допускается. Потенциал эмиттеров транзисторов переклю­ чателя тока с большой точностью повторяет форму на­ пряжения ысвх, действующего непосредственно на базо­

вом переходе вводного транзистора. Длительность пере-

40

ходных процессов здесь наименьшая, что обусловлено малыми величинами емкости и сопротивления между эмиттером и корпусом. Это, в свою очередь, связано с тем, что в любой момент времени, по меньшей мере, один из транзисторов токового переключателя находится

тока известной формы, то в переходном режиме можно считать, что транзисторы переключателя тока включены по схеме ОБ, и рассматривать одно из плеч ПТ (лучше инверсное, так как его суммарная коллекторная емкость больше). Эквивалентная схема части ПТ, формирующей инверсный сигнал, с учетом сделанных допущений пред­ ставлена на рис. 1.16.

Используем для расчетов аппроксимацию коэффициен­

транзистора. Такая аппроксимация а (р) учитывает сред­ нее время пролета тПр инжектированных носителей и ве­ личину постоянной времени г0Сэ, где Са — барьерная

представляет собой усредненное значение коллекторной и эмиттерной емкостей транзистора. Так как изменение напряжения на эмиттерном переходе незначительно (транзистор открыт в любой момент времени), то состав­ ляющая, вносимая эмиттерной емкостью, будет незначи­ тельна и ею можно пренебречь. В таком случае входная емкость эмиттерного повторителя будет равна коллектор­ ной емкости СкЭП.

41

к которому приводится соотношение (1.112); Х= 2,2 (при уровнях отсчета 0,1 и 0,9).

Полагая ао=1, из соотношений (1.115) и (1.116) полу­

Аналогично получаем выражения для переходных харак­ теристик 'коллекторной цепи по напряжению:

,______ '______1 4- pRtpK (1 -Г Рхп)____________ .

■к и „акс {1 + ртвх) (1 + pZa) {1 + р [Ря (С , + С вх-э п ) + ■*

учтены переходные процессы во входной цепи. Теперь необходимо учесть переходные процессы в эмиттерном повторителе.

Переходные процессы в эмиттерном повторителе* Вну­ треннее сопротивление генератора, управляющего эмиттерным повторителем, равно Rn. Нагрузкой эмиттерного повторителя являются аналогичные мажоритарные эле­ менты (см. рис. 1.11), входное сопротивление которых может быть представлено в виде схемы, приведенной на рис. 1.14, где один из входов подключен к исследуемому эмиттерному повторителю, а остальные — к другим эле­ ментам. Так как эмиттерный повторитель работает в ли­ нейном режиме, то воспользуемся упрощенной эквива­ лентной схемой транзистора и получим эквивалентную

схему эмиттерного повторителя (рис. 1.17). С ростом чис­ ла подключенных к выходу элементов сопротивление це-

43

пей, обозначенных символами R/2ni; г^/т и т С вх, умень­ шается значительно быстрее сопротивления верхней ча­ сти нагрузки, обозначенной символом R/m. Учитывая малую величину выходного динамического сопротивления эмнттерного повторителя, можно считать, что переходные процессы на выходе эмиттерного повторителя протекают

Рис. 1.17. Эквивалентная схема эмнттерного повтори­ теля, входящего в состав МЭ.

быстрее, чем заряд емкости т С вх. Это позволяет прене­ бречь влиянием этой емкости на переходные процессы в эмиттерном повторителе и положить, что эмиттерный повторитель имеет чисто активную нагрузку R/m. Важ­ ным представляется рассмотрение другого крайнего слу­ чая, когда емкость нагрузки т С вх подключена непосред­ ственно к выходу эмнттерного повторителя.

В первом и во втором случаях (см. рис. 1.18 и 1.19) структура выражения коэффициента передачи будет одна и та же:

44

для схемы, приведенной на рис. 1.18, а для схемы, пред­ ставленной на рис. 1.19, R' — Rg, С=СК+тСвх.

Анализ коэффициентов характеристического полино­ ма (1.123) свидетельствует об устойчивости эмиттерных повторителей. При этом переходный процесс может быть апериодическим или затухающим колебательным в за­ висимости от значения корней pi,2-‘

ЯкГ ±-) + (К« + г* ) с « ±

(1.124)

Затухающий колебательный процесс возможен при подключении сравнительно большой емкости тСвх непосредственно к выходу эмиттерного повторителя. Для эле­ ментов типа ПТРЛ (рис. 1.11) такой случай не характе­ рен. Поэтому задержку сигнала эмиттерным повторите­

лем тзЭП и длительность фронта (ифЭП) нарастания

сигнала можно определить, применив, как и ранее, ме­ тод интегральных оценок. При этом

-j-2CK(RK-f- г6)j -Н(#к гб) Ск]2 — 2тц (RK-J- ге) тСвх

(1.126)

Формулы (1.125) и (1.126) пригодны для эквивалентных схем, изображенных на рис. 1.18 и рис. 1.19, но для пер­ вой схемы в соотношении (1.126) последнее слагаемое исключается (СБХ= 0).

Оценка параметров переходных процессов в МЭ.

Одним из замечательных свойств интегральных оценок [21] параметров монотонных переходных функций, ис­ пользованных здесь для расчета переходных процессов МЭ, является возможность непосредственного сумми­ рования запаздываний переходных процессов и квадра­ тичного суммирования фронтов. Поэтому общая задерж-

45

ка сигнала МЭ (по уровню 0,5) определяется путем суммирования задержки, .вносимой переключателем тока и эмиттерным повторителем. Задержка сигнала во вход­ ной цепи учтена при получении выражения для задерж­ ки переключателем тока. Таким образом,

Длительность фронта нарастания можно определить при­ ближенно по формуле

Так как транзисторы переключателя тока работают без насыщения и в расчетах проведены необходимые усреднения параметров, то можно полагать, что фронт и задержка не зависят от направления изменения сиг­ нала.

Постоянная составляющая тока эмиттерного повтори­ теля. При подключении к выходам эмиттерных повтори­ телей активно-емкостной нагрузки при определенной ве­ личине емкости нагрузки и постоянной составляющей эмиттерного тока транзистора /э в процессе передачи отрицательных перепадов напряжения возможно запи­ рание транзисторов. Для получения аналитических соот­ ношений рассмотрим случай непосредственного подклю­ чения емкости нагрузки (mCnx) к выходу эмиттерного повторителя. Эквивалентную схему, соответствующую это­ му случаю (рис, 1.19), преобразуем и представим в риде

46

(же. 1.20. На этом рисунке показаны токи и напряжения, используемые при расчетах.

При передаче отрицательного перепада напряжения запирание транзистора эмиттериого повторителя проис­ ходит в тот момент, когда заряд неравновесных неоснов­ ных носителей (электронов) в базе становится равным нулю (21]. При этом электронный ток коллектора

эл(^зап) =0. Запирание эмиттериого повторителя приво­ дит к резкому увеличению постоянной времени заряда емкости нагрузки, что равносильно увеличению длитель­ ности спада выходного напряжения и снижению быстро­ действия элемента. Для предотвращения запирания эмиттерпого перехода транзистора необходимо, чтобы в лю­ бой момент времени выполнялось условие для постоянной составляющей эмиттериого тока

Это условие будет выполнено, если /э> (1/сх) /кал максДля определения »кал макс получим операторное выра­

Из анализа выражения (1.132) следует, что корни харак­ теристического полинома могут быть действительными отрицательными или комплексно-сопряженными. В соот­ ветствии с этим переходный процесс может быть аперио­ дическим или затухающим колебательным. Критическому режиму (pt=p2 ), определяющему границу между апе­ риодическим п колебательным режимами, соответствует равенство нулю подкоренного выражения.

Условием критического режима является выполне­ ние равенства

где р= 3,14+ 1,42Сэо/СК1. Апериодическому режиму соот­

47

... 5 пФ, Сэ0~ 2 ... 10 пФ при Re порядка одного килоома выполняется условие (1.136). При этом корни харак­

с отрицательными вещественными частями. Переходная характеристика коллекторной цепи по электронному то­ ку имеет следующий вид:

Здесь «вх — размах напряжения «ки или ыКп.

Определив момент времени Саш при котором элек­ тронный ток коллектора достигает первого экстремума,

где момент наиболее возможного запирания эмиттерного перехода транзистора

в элементах типа ПТТЛ, при коэффициенте разветвле­ ния т = 5 момент достижения коллекторным током мак-

48

симума соответствует 0,5 ... 5 пс. При этом постоянную составляющую эмиттерного тока необходимо выбирать из условия

Следует учесть, что этот расчет сделан для случая воздействия на входе ступенчатой функции при непо­ средственном подключении емкости нагрузки к выходу эмиттерного повторителя. Практически можно считать, что спад коллекторных напряжений и,шн мкп имеет неко­ торую ненулевую длительность, а к выходу эмиттерных повторителей подключаются только паразитные емкости входов и емкости резисторов делителя. Это означает, что расчеты, проведенные по формулам (1.137) —(1.140), да­ дут результаты с запасом.

Повышение помехоустойчивости и расширение логических возможностей мажоритарных элементов типа ПТРЛ

Для повышения помехоустойчивости элемента необ­ ходимо удалить от центра области переключения точки «би и mgi2. Это, в свою очередь, требует увеличения раз­ маха выходного и входного сигналов. Однако увеличение размаха без принятия специальных мер приводит к на­ рушению потенциального согласования элементов. Что­ бы, увеличив размах сигнала, сохранить условия потен­ циального согласования элементов, необходимо ввести дополнительные элементы смещения уровня коллектор­ ных напряжений. Для этого можно, например, ввести в цепь эмиттеров транзисторов эмиттерных повторителей дополнительные р—«-переходы (диоды, переходы транзи­ сторов, стабилитроны, включенные в прямом направле­ нии и т. п.).

Схема на три входа, имеющая большую помехо­ устойчивость по сравнению со схемами, изображенными на рис. 1.1 и 1.11, приведена на рис. 1.21. Характеристи­ ки передачи и положение точек «бы, «би, «бы и «613 пока­ заны на рис. 1.22. Принято, что «бэ=0,8 В и размах сиг­ нала составляет 2«бэ=1,6 В. База транзистора Т2 под­ ключена к резистивному делителю R6, R8, который дол­ жен обеспечивать уровень опорного напряжения

«по= 3/2«макс==—3/г2«бэ= 2,4 В.