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

Равенство игл й ^вх.н 'ВОЗМОЖНО ЛИШЬ В СЛУ'ЧЗб, ОСЛЙ

^ Tl n [ ( V / s /) + l ] - k p Tln [(1Д7/137) + 1] = 0.

Если диоды идентичны, то ISI = / s_, следовательно, ра­ венство справедливо лишь при .1Д2 — 1д7.

Из этих же соотношений следует и другой вывод. При идентичных диодах схем И и ИЛИ и при одинаковых токах, протекающих через диоды, уровень входного на­ пряжения МЭ передается на вход переключателя тока без изменения.

Теперь рассмотрим случай, когда на двух входах, на­ пример первом и втором, действуют высокие уровни на­ пряжений, а на одном (третьем) -—низкий. Так как от­ крытое состояние диодов Д1 и Д2 сохраняется и в этом случае, то из приближенных оценок, замечаем, что по­ тенциал точки 1 (рис. 1.24) становится выше потенциалов точек 2 и 3 примерно на величину размаха входного сиг­ нала. Это видно из следующих соотношений:

Аналогично можно получить и значение разности щ—из. Так как на аноде диода Д7 действует более высокий потенциал, чем на анодах диодов Д8 и Д9, то за счет

тока / Д7, напряжение «61 становится выше напряже­

ний «2 и из, поэтому диоды Д8 и Д9 закрыты. Для этого случая -схему, изображенную на рис. 1.24, можно пред­ ставить в упрощенном виде (рис. 1.25). При рассматри­ ваемом сочетании входных сигналов напряжение uei на входе переключателя тока должно быть выше опорного (Иоп), а ток t6#0. На рис. 1.25 не -показаны обратные токи диодов Д8 и Д9. Для учета этих токов их необхо­ димо просуммировать с токами h и ie(u<a).

60

Проделав преобразования, аналогичные предыдущим, найдем связь входного напряжения «Пхп и напряжения «61, действующего на базе транзистора 77 переключате­ ля тока:

Вэтих выражениях учтены обратные токи диодов Д8 и Д9 и входной ток переключателя тока.

Взаключение рассмотрим случай, когда на все вхо­ ды действуют высокие уровни напряжений. При этом входные диоды должны оставаться открытыми. Узловые напряжения «ь «2 и «3 принимают свои верхние зна­ чения:

ной ток переключателя тока /о(«б1). Из этих соображе­ ний находим

IД7 — Iда= 7//9= Vs Ku6i/# 4) + 1ь{иб\)}- (1.159)

Пользуясь выражениями (1.158) и (1.159) и учитывая, что 7д, + 1Д2= /, — 1Д7, определяем

Таким образом, получены соотношения, позволяющие найти значение напряжения на входе переключателя то­ ка при любых сочетаниях входных сигналов. Все фор­ мулы выражены через напряжение «ь При необходимо­ сти иметь формулы, учитывающие «2 или и3, достаточно в полученных выражениях напряжение «1 заменить на «2 или «з соответственно.

Анализ полученных соотношений показывает, что для элементов типа ПТДЛ необходимы диоды с крутой вольт-амперной характеристикой. При этом изменение

61

токов в диодах меньше сказывается на напряжении сме­ щения перехода этих диодов, что позволяет более точно передавать уровни входных напряжений на базу транзи­ стора Т1 переключателя тока.

Анализ переходных процессов

Если положить, что уровни всех входных напряже­ ний элемента имеют одинаковые исходные значения, то изменение напряжения па входе переключателя тока на величину своего размаха происходит при одновременном изменении двух или трех уровней входных напряжений элемента на противоположные значения. На практике вследствие разброса времен задержки различных компо­ нентов устройства представляется маловероятным строго согласованное по времени изменение входных уровней напряжения. Поэтому целесообразно рассмотреть слу­ чай, когда па одном из входов МЭ установился уровень напряжения, противоположный одинаковым уровням на двух других входах, а затем происходит изменение на­ пряжения па одном из оставшихся двух входов, что вы­ зывает формирование перепадов напряжений па выхо­ дах логического элемента.

Для определенности рассмотрим случай, когда в ис­ ходном состоянии на первом входе действует высокий уровень напряжения мПх1= Ипхв, а па втором и третьем входах—низкий Мвх2=«вхз=«вхп. Затем положим, что напряжение на втором входе скачком изменяется до зна­ чения, соответствующего ВЫСОКОМУ урОВНЮ «вх2= «вхв и через некоторое время возвращается к исходному зна­ чению. При этом в исходном состоянии все диоды МЭ, кроме Д1, открыты и проводят ток, а при изменении на­ пряжения « В Х 2 от « вхн до Пвхв Напряжения Ui (рис. 1.24) и Мб1 увеличиваются примерно на величину « Вх в —«вхн, напряжения же и%и «з не меняются. Это приводит к сме­ щению диодов Д8 и Д9 обратным напряжением, при­ мерно равным размаху входных напряжений, и запира­ нию этих диодов.

С учетом емкостей резисторов и диодов схему, изо­ браженную па рис. 1.24, можно представить в упрощен­

ном виде (рис. 1.26).

На рисунке показаны емкости диодов Сд , входная

62

пые емкости резисторов R1 и R4 соответственно; Спi и Сп2 — эквивалентные емкости межлу соответствующими точками схемы и .подложкой. В состав емкости С2 входят две емкости Сд диодов Д8 и Д9.

Рис. 1.26. Эквивалентная схема входной цепи МЭ типа ПТДЛ, изо­ браженная с учетом паразитных емкостей.

Анализ переходных процессов проведем с помощью упрощенной аппроксимации вольт-амперной характери­ стики диодов (рис. 1.27), пренебрегая временем восстановления обратного со­ ! i ивх1

противления диодов. Эти ивх8‘ и все принятые ранее до­ пущения ведут к завыше­ нию расчетных длитель­ ностей переходных про­ цессов. На временных диаграммах (рис. 1.28) показаны напряжения на входах элемента (иши Мвхз), на входе переклю-

I

63

чателя тока («б,) и напряжение щ между точкой / схемы и общей шиной, при этом за начало отсчета .по оси на­ пряжений для первых трех диаграмм принято значение, соответствующее нижнему уровню входных напряжений.

II «вх[1 + ыл -(В соответствии с принятой аппроксимаци­

ей вольт-амперпых характеристик диодов напряжение на открытом диоде принимается равным и д независимо от

величины прямого тока.) Напряжение, действующее на электродах диода Д1,

У 'Д ] '---- * ^ В Х 1 ^ 1 ” ^ В Х Н “ I- « 6 Э ( ^ В Х И | ^ д ) ^ б Э М д О ,

поэтому диод Д1 закрыт. В этих вычислениях предпола­

как предполагается равенство падений напряжений на всех открытых диодах. При скачкообразном изменении напряжения и„х%от уровня ипха до уровня «Пхв диод Д2 в начале переходного процесса закрывается (време­ нем восстановления обратного сопротивления диода можно пренебречь). Напряжение щ экспоненциально на­ растает, стремясь к уровню

Ежп =[ (El ieRl)/ (/? 1 + /?4)]/?4-

Так как ток г'б(»б1) в процессе нарастания ищ увеличи­ вается, то значение Езкв в переходном режиме нельзя считать постоянной величиной. Значительно усложняя расчеты, можно учесть непостоянство значения Еэкв, хотя на результаты вычислений это сказывается незначи­ тельно. Поэтому для получения количественных оценок длительности переходных процессов учтем среднее зна­ чение входного тока /б ср, определенное по выражению (1.24) входной характеристики переключателя тока при Иб1 = «оп, и найдем

64

Для определения постоянной времени нарастания напря­ жения Mi следует учесть, что одновременно с зарядом

емкостей Cf и СД1 происходит заряд емкостей С2 и Съх

через открытый диод Д7. Так как сопротивление откры­ того диода незначительно по сравнению с сопротивле­ ниями R1 и R4, то, пренебрегая им, получим выражение для постоянной времени нарастания напряжений Mi

И Мб1

АХг + ^4)] (Сг + СД1+ С2 + Свх). (1.163)

Когда напряжение Ui достигнет значения Мвхв+ Ид,

диоды Д1 и Д2 откроются и процесс нарастания Mi пре­ кратится, при этом M6i .изменится от значения мВхн до значения мвхв и его дальнейший рост прекратится.

Переходный процесс на входе переключателя тока можно описать уравнением

Задержку нарастания Mei по уровню 0,5 от полного размаха напряжения (тзн) находим из выражения

(1.164)

так как при t — хш, напряжение mgi= (мВхн + мВхв)/2. Процесс спада напряжения M6i целесообразно рас­

смотреть для случая, когда один из высоких уровней входных напряжений (например, иъуД) мгновенно умень­ шается от значения мВх в до значения мвх н- При этом диод Д2 остается открытым, а диод Д1 закрывается.

Суммарная емкость С1 + Сл/ имеет низкоомную цепь

разряда через открытый диод Д2 и внутреннее сопро-

тивление источника входного сигнала. Поэтому процесс спада «1 происходит с малой постоянной времени

т'2==(С, + Сд)(гд + ,-выхЭП)(

где Сд — емкость одного из входных диодов (в рассма­ триваемом частном случае это емкость диода Д1)\ гд ~ сопротивление переменному току открытого диода; гвыхэп — выходное сопротивление эмиттерного повто­

рителя.

Так как к катоду диода Д7 подключена сравнитель­ но большая емкость, то процесс разряда этой емкости будет более длительным по сравнению с процессом спа­ да напряжения ш, что приводит к запиранию диода Д7. При этом разряд емкостей С2 и С„х происходит через резистор R4, а в начале процесса и через входное сопро­ тивление переключателя тока. Если не учитывать уско­ ряющее действие тока ie(uai) па процесс разряда емко­ стей, то постоянная времени разряда

В этом случае напряжение ищ спадает от уровня «пхв, стремясь к нулевому значению. Когда uei дости­ гает значения кП н, то диод Д7 открывается, процесс разряда емкостей С2 и Спх и спада напряжения игл пре­ кращается. С учетом этих замечаний найдем переходную характеристику процесса

полное время спада (тс) напряжения игл

и задержку спада (тзс) по уровню 0,5 величины разма­ ха U61'

Задержка, вносимая диодной частью в общую за­ держку элемента, неодинакова при нарастании и спаде «61. Чтобы получить формулу для определения задержки сигнала при нарастании «61 достаточно в выражении (1.127) вместо тПх подставить т3нЗаменив аналогично тВх на Тзс, найдем задержку элемента при спаде мгц. Обо-

66

ния. Из условия обеспечения минимальных токов диодов схемы ИЛИ находим

Подставив необходимые значения величин в выражение i( 1.166), рас­ считаем задержку нарастания напряжения «oi:

и аналогично из выражения (1.170) определим задержку спада uei

Тзс—Т2 In [2«вх в/(«вх в“Н«вх и)] — = 21-10-9 In [2-4,2/(4,2+3,4)] = 2,0 не.

Расчеты показывают, что задержка нарастания и спада напря­ жения «61 относительно входных перепадов составляет 0,52 нс и 2,0 нс соответственно (имеется в виду задержка, измеренная на уровне 0,5 размаха напряжения).

68

В заключение получим формулу для определения мощности, потребляемой диодной частью элемента, и оценим ее численное значение по данным рассматривае­ мого примера. Мощность, потребляемая МЭ типа ПТДЛ, имеет две составляющие: мощность, потребляемая пе­

реключателем тока (Рпт), 11 мощность, потребляемая

диодной частью элемента (Рдл). Порядок расчета пер­

вой составляющей рассмотрен при анализе МЭ типа ПТРЛ. Расчет второй составляющей потребляемой мощ­

ности удобно производить по формуле Р^Л —31Е\, где

/ — усредненное значение токов h , /2 п /3.

Для рассматриваемого примера средние значения то­ ков легко получить из такого соотношения:

Won-

При этом-мощность, потребляемую диодной частью МЭ, найдем по формуле

Рдл = 31Ех= 3-1,7- 10“3 -6,3 = 32 мВт.

1.4. МАЖОРИТАРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ЛОГИКОЙ НА МНОГОЭМИТТЕРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕМ ТОКА (ПТТТЛ)

Диодная часть МЭ (рис. 1.23) выполняет мажоритар­ ную операцию, а переключатель тока и эмнттерные по­ вторители формируют выходные логические уровни пря­ мого и инверсного выходов и способствуют повышению нагрузочной способности элемента. Диоды, выполняю­ щие функции элементов И и элемента ИЛИ, должны иметь крутую вольт-амперную характеристику. Жела­ тельно, чтобы емкости диодов и резисторов были неве­ лики, а вольт-амперпые характеристики всех диодов—■ идентичны, причем, чем меньше падение напряжения на диодах при их прямом смещении, тем лучше. Если в гиб­ ридных схемах применить германиевые диоды, имеющие падение напряжения при прямом смещении 0,1 ... 0,3 В, то в схеме, представленной на рис. 1.23, можно исклю­ чить источник Еi и обойтись только одним источником напряжения питания Е2. При использовании же крем-

69