книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Для худшего случая это соотношение имеет вид:

1 + ^ б т а x/^m in

Используя полученные соотношения, запишем выражение для тока / ктах (случай открытого транзистора):

В (2.66) составляющие коллекторного тока определяют: первая — ток через сопротивление RK коллекторной нагрузки транзистора; вто­ рая — токи через N входных диодов и нагрузочных элементов в слу­ чае, когда на их входах действуют низкие уровни напряжения, а все остальные М — 1 диоды закры­ Г+ 5 ты; третья — потребление тока М — 1 закрытыми диодами N

нагрузок.

транзисторов при изготовлении в дискретном варианте. Поскольку после минимизации большинство логических функций может быть при­ ведено к дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ), то их оказывается достаточно просто реализовать с помощью двуступенчатых диодных логических схем И—ИЛИ (рис. 2.37).

Диоды Дх-ьДот и сопротивление R } образуют схему И для положи­ тельных сигналов. Входы этой схемы управляются выходами .других логических схем.

Выходной сигнал схемы И является входным сигналом одного из входов схемы ИЛИ для положительных сигналов. Последняя состоит из входных диодов Д[-т-Д'т и сопротивления Д2. Выходной сигнал этой схемы через входную цепочку подается на транзистор усилителяинвертора.

Логическая функция F данной схемы может быть описана следую­ щим образом: схема И выполняет функцию А хА г .. ,Ат; на выходе схемы ИЛИ получается функция А'г + ... + А т’ + А хА г...Ат, усилитель обеспечивает инвертирование фазы.

Следовательно,

Е —А г+ . . . А'т-ф АХА 2 ... Ат-

Отметим, что каждый из входов А[...А'т подобно входу А[, может быть выходом соответствующей схемы Й, так что получаемая функция F дает отрицание суммы логических произведений.

90

§2,9. ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

СПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ТОКА

Принцип работы диодно-транзисторных схем с переключением тока. Рассмотрим изображенную на рис. 2.38 схему. Пусть величина

коэффициентом усиления р при заданном токе коллектора. Если вход­ ное управляющее напряжение UBX более отрицательно, чем падение напряжения Uбэ открытого транзистора, то диод Д закрыт и весь ток от источника Е6 через сопротивление R6 идет в базу транзистора. Транзистор открывается и может войти в состояние насыщения. Пред­ положим, что напряжение UBX повышается до положительного значе­ ния, несколько большего прямого падения напряжения на диоде Д

при токе E6/R 6. Как следствие этого возрастает напряжение на базе транзистора до небольшого положительного значения и в результате транзистор запирается, т. е. произойдет переключение тока E6/R 6 из базы транзистора во входную цепь сигнала через диод Д.

Таким образом, в рассматриваемой схеме малое управляющее на­ пряжение UBX обеспечивает управление источником тока на входе транзистора таким образом, что транзистор полностью или насыща­ ется или запирается. Значение величины UBX может при этом изме­ няться от отрицательного до положительного на несколько десятых долей вольта, поскольку величина UBKсравнима с падением напряже­ ния либо на открытом переходе база-эмиттер транзистора, либо с пря­ мым падением напряжения на обычном диоде.

На рис. 2.39 изображена диодно-транзисторная схема элемента И—ИЛИ—НЕ, в которой для выполнения логических функций ис­

91

напряжения Е и сопротивления R должны быть выбраны так, чтобы они обеспечивали токи £ 0+?б н E;R в режиме генераторов тока.

Напряжение на входах схемы И должно обеспечивать необходимое для переключения тока напряжение Uy в точке а, являющейся выхо­ дом схемы И. Напряжение Uv определяется следующим образом.

Чтобы диод Д[ был закрыт при низком уровне напряжения, UBX должно быть меньше падения напряжения 0 бэ на величину падения напряжения на диоде схемы И при токе EiR. Следовательно, если вели­

источника тока, а величина напряжения Uv на выходе схемы И будет достаточной для запирания на входе схемы ИЛИ (например, диода Д\). Поэтому весь ток E6!R6источника тока пойдет в базу транзистора, обес­ печивая его насыщение. -

Если величина UBX положительна и по величине больше, чем 2и л (/Уд — падение напряжения на диоде при токе EiR), то диод (напри­ мер, диод Дх) будет открыт, и на выходе в точке а напряжение Uy будет положительно и через диод (например, диод Д\) обеспечит запирание транзистора, и весь ток E6iR6 источника пойдет через диод Д[.

Таким образом, схема И—ИЛИ—НЕ обеспечивает выполнение ло­ гических операций при величинах разнополярных входных сигналов, несколько превышающих величину 2 С/Д, т. е. имеющих для реальных полупроводниковых приборов значения .около половины вольта.

Рассмотрим, каким образом можно получить входные сигналы, не­ обходимые для -работы схемы с переключением токов.

Пусть сигнал /Увх подается с коллектора транзистора подобной схемы. Очевидно, что низкое напряжение получить легко при выклю­ ченном состоянии транзистора, если ввести ограничение на коллекторе снизу. Когда транзистор включен и введен в состояние насыщения, коллекторное напряжение по знаку будет отрицательным и по вели­ чине несколько меньше падения напряжения на диоде. Следовательно, оно не в состоянии закрыть диод схемы ИЛИ. Чтобы получить сдвиг по напряжению в точке а, необходимый для управления диодами схемы ИЛИ, в схеме И используют кремниевые диоды, а в схеме ИЛИ — германиевые. При одинаковых прямых токах падение напряжения на кремниевом диоде приблизительно в полтора раза больше падения на­ пряжения на германиевом диоде. За счет смещения уровня сигналов с помощью кремниевых диодов величину низкого уровня сигнала логи­ ческого «О» выбирают приблизительно равной и г = — 2 (Уд, а величину

Одноступенчатые реальные логические диодно-транзисторные схемы с переключением тока. Рассмотрим приведенную на рис. 2.40 одно­ ступенчатую диодную логическую схему И с транзисторным усили­ телем, на входе которого происходит переключение тока.

Схема И для отрицательных сигналов или схема ИЛИ для положи­ тельных сигналов стоит на входе транзисторного усилителя. Поскольку

92

управление схемой И ведется с коллектора транзистора, то для сдвига уровня сигнала при верхнем его уровне используют кремниевый диод Д 0. Поскольку обратный ток диода Д 0 мал, то для получения доста­ точно малого времени выхода транзистора из состояния насыщения

жения на диоде Дх и напряжение насыщения транзистора t/Kнас имеют отрицательный знак. За счет протекания тока через кремние­

-f |t/K.«асIРезультирующее на­ пряжение, приложенное к базе транзистора Т, положительно, что приводит к запиранию тран­ зистора, который будет удержи­ ваться в закрытом состоянии обратным током базы, протека­ ющим от источника + Е б через сопротивление R(, при положи­ тельном потенциале базы.

При запирании транзисторов на входе схемы ИЛИ низкий уровень сигнала на входах А^-т-Ащ приведет к запиранию ДИОДОВ Дх+Дт- Ток от источни­ ка —Е через сопротивление R q и диод До, поступая в базу тран­

зистора Т, вводит его в состояние насыщения. Следовательно, только в том случае, когда все входные сигналы отрицательны, отрица­ тельный ток схемы И, переключившись в базу транзистора Т, обес­ печивает его включение.

Схема диодно-транзисторного логического элемента с повышенной нагрузочной способностью, реализующая функцию И—НЕ для поло­ жительных сигналов и функцию ИЛИ—НЕ для отрицательных сигна­ лов, приведена на рис. 2.41. В схеме этого элемента используют состав­

93

ной транзистор, состоящий из транзисторов Г2 и Т,, и инвертор на транзисторе Г4 для обеспечения необходимого тока нагрузки. Диод Д является проходным и используется для улучшения статической помехозащищенности и уменьшения времени рассасывания транзи­ стора Тл.

Схема диодно-транзисторного элемента с повышенной помехо­ устойчивостью приведена на рис. 2.42. В ней один из диодов смещения заменен транзистором 7\. Коллектор этого транзистора подключен к отводу входного сопротивления, что уменьшает усиление транзи­ стора 7\, но стабилизирует режим его работы в широком диапазоне температур. Применение этого транзистора в схеме логического эле­ мента значительно повышает помехозащищенность схемы в целом.

Рассмотрим требования, предъ­ являемые к активным компонен­ там данной схемы.

Диоды Ду+Дт входных цепей элемента должны обладать: а) максимальным быстродействием; б) минимальным прямым сопро­ тивлением; в) малой собствен­ ной емкостью и емкостью на под­ ложку.

Диод Д является проходным диодом основного логического элемента и применяется для по­ вышения статической помехоза­ щищенности схемы. У этого дио­ да должны быть максимально возможная величина прямого

напряжения, минимальная емкость на подложку и большое время восстановления обратного сопротивления, и не должно быть значитель­ ных величин токов утечки в подложку.

Транзистор Т2 должен выдавать требуемый ток коллектора для обеспечения заданной нагрузочной способности, иметь необходимый коэффициент усиления и высокое быстродействие.

менее жесткие требования, чем к транзистору Т2, но тем не менее его частотные свойства должны быть достаточно высокими. Этот транзи­ стор не работает в области насыщения, поэтому омическое сопротивле­ ние коллектора для него, в частности, не играет особой роли.

Помехоустойчивость схем диодно-транзисторных логических эле­ ментов. Рассмотрим, какой должна быть величина напряжения по­ мехи на входах диодно-транзисторного логического элемента, чтобы произошло заметное изменение выходного сигнала. Рассмотрим случай статической помехоустойчивости, когда длительность помехи превос­ ходит длительность изменения состояния схемы. Если в схеме И—НЕ все входные сигналы имеют высокий уровень, то действие сигналов положительных помех не вызовет изменения в состоянии выходного

94

транзистора. Действие же сигналов отрицательных помех, попавших на любой из входов, может привести к запиранию транзистора. Ампли­ туда отрицательной помехи t/n, способной вызвать изменения в схеме, может быть определена из выражения:

где t/д 0бр — обратное напряжение смещения на диоде; t/д пр — пря­ мое падение на диоде при протекании прямоготока; QtI —•заряд не­ основных носителей, накопленный в базе транзистора; С5 — величина емкости, шунтирующей сопротивление входной цепи.

Когда хотя бы один входной сигнал имеет низкий уровень, выходной транзистор закрыт. Поэтому необходимо возникновение на открытом входе положительного сигнала помехи, величина которого определяется величинами обратного смещения 7/бэ. 0бр, прямого смещения ЕД,. пр открытого транзистора и заряда, накопленного на входной емкости цепи базы Сэкв = Сэ -f Ск + Сб при напряжении U^ o6p -Ц t/g9 пр

Относительную помехоустойчивость схемы можно определить как

В диодно-транзисторных схемах логические функции и межкас­ кадная связь осуществляются с помощью диодов, а транзисторы вы­ полняют только функции инверсии и усиления.

К основным преимуществам рассматриваемых элементов можно отнести возможность получения практически любой помехозащищен­ ности по нулевому уровню за счет увеличения числа смещающих диодов

вцепи базы и по единичному уровню за счет увеличения номинала источника питания.

Всовременных ЦВМ широко применяют электромеханические компоненты и блоки, особенно в пультах управления и устройствах ввода — вывода, в которых, как правило, используют повышенные номиналы источников питания. Функционирование электромеханиче­ ских устройств приводит к генерации помех высоких уровней. Если

вдиодно-транзисторной схеме заменить обычный диод на зенеровский диод, то значительно увеличится порог срабатывания схемы за счет добавления напряжения пробоя к нормальному падению напряжения на диоде. Для правильного функционирования элементов, в которых пороговое напряжение достигает 5—6 В, необходимо увеличивать на­ пряжение источника питания (до 12н-15 В). Чтобы снизить потребляе­ мую мощность в диодно-транзисторных логических элементах, увели­ чивают номиналы сопротивлений по сравнению с обычными диодно­ транзисторными логическими элементами. В схеме с зенеровским дио-

95

дом обеспечивается постоянство пороговых напряжений в широком диапазоне температур, так как положительный температурный коэф­ фициент зенеровского диода компенсирует отрицательный темпера­ турный коэффициент базо — эмиттерного переходаНгранзистора.

§ 2,10. ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Принцип построения интегральных транзисторно-транзисторных логических элементов. Интегральные транзисторно-транзисторные ло­ гические элементы являются развитием интегральных диодно-тран­ зисторных схем. На рис. 2.43, а изобра­ жена топология входных диодов (для случая т — 3) диодно-транзисторной схемы, а на рис. 2.43, б—возможный случай объединения базо-коллекторных переходов сплошной металлизацией. По­ лученная ' таким образом структура представляет по существу транзистор с несколькими эмиттерными областями,

укоторого перемычкой соединены база

иколлектор. Эквивалентная схема эле­ мента с таким многоэмиттерным тран­ зистором на входе диодно-транзисторной схемы показана на рис. 2.44.

Устойчивое запертое состояние выходного транзистора при отсут­ ствии /?,м обеспечивается тем, что при низких уровнях напряжений логического «0» на входах схемы, эмиттер—базовые переходы входного

96

транзистора смещены в прямом направлении, и на базу выходного тран­ зистора подается низкий потенциал.

Таким образом, путем модернизации схемы диодно-транзистор­ ного элемента можно получить основной транзисторно-транзисторный элемент, изображенный на рис. 2.45. За счет удаления нескольких компонентов в транзисторно-транзисторном элементе зна­ чительно упрощается его схема и умень­ шается паразитная емкость. Эти обстоя­ тельства дают возможность повысить быстродействие и упростить технологию изготовления транзисторно-транзисторных схем.

Структура транзисторно-транзисторных элементов хорошо совместима с принци­ пами построения полупроводниковых ин­ тегральных схем,так как в ней используют

преимущественно активные компоненты и применяют специально раз­ работанный прибор для выполнения заданной логической функции, ко­ торый позволяет более рационально использовать площадь подложки.

Модификации транзисторно-транзисторных логических элементов.

Для повышения помехоустойчивости и нагрузочной способности тран­ зисторно-транзисторных элементов в

Транзистор Т3 при этом закрыт, поскольку его база через сопротив­ ление /?, соединена с землей.

Если на входе транзистора Тах высокий уровень напряжения, то транзистор Т3 открыт и за счет падения напряжения на сопротивле­ нии R -2 включается и входит в насыщение транзистор Т3. Обычно в рас­ сматриваемой схеме сопротивление R x несколько больше сопротивле­ ния R 2■При включении транзистора Тх падение напряжения на сопро­ тивлении R x должно быть меньше,” чем напряжение UбЭ+ Ux пр+

+ (Ук иас, где Uбэ — падение напряжения базы-эмиттер открытого транзистора Т2, 0 д_пр — прямое падение напряжения на диоде смеще­ ния, UK пас — коллекторное напряжение насыщенного транзистора Т3. Включение диода Д см гарантирует запертый режим транзистора Тг при открытом транзисторе Тх.

Сопротивление Rs имеет величину около сотни ом и препятствует протеканию чрезмерного тока через включенный транзистор Т2 при случайном замыкании на землю выхода схемы.

Скорость работы рассматриваемой схемы определяется временем выхода транзисторов из состояния насыщения и величиной ^С-постоян- ной схемы. Если для снижения потребляемой мощности исполь­ зуют резисторы значительных номиналов, то получается сни­ жение быстродействия работы элемента за счет возрастания

^С-постоянной.

На рис. 2.47 приведен один из возможных вариантов ско­ ростных транзисторно-транзи­ сторных элементов. В этой схе­ ме используются резисторы меньших номиналов, что приво­ дит к значительной рассеивае­ мой мощности (20—30 мВт при задержках до 10 нс).

За счет уменьшения величины сопротивления R возрастают входные токи и соответственно уменьшается время зарядки наразитной

емкости и включения транзистора 7\ при высоких уровнях входных сигналов. Кроме увеличенных значений токов, работа остальной части схемы имеет следующие особенности. Высокий уровень выходного на­ пряжения получается на выходе составного эмиттерного повторителя (транзисторы Т2 и Тя), что позволяет получить низкое выходное сопро­ тивление схемы (до 10 Ом).

Низкий уровень сигналов на выходе открывает транзистор ТА, который принимает входные токи логических элементов нагрузки. ' Таким образом, в рассматриваемой схеме для двух логических со­ стояний электронного элемента выходные токи протекают через внут­ реннее сопротивление открытых транзисторов, что обеспечивает воз­ можность формирования крутых фронтов выходных сигналов при зна­

чительной емкостной нагрузке.

§2.11. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

СПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ТОКОВ

Принцип переключения токов в транзисторных схемах. Принци­ пиальная схема транзисторного логического элемента с переключением токов приведена на рис. 2.48. Элемент образован двумя эмнттерными

98

повторителями на транзисторах Т и Т' с общим эмиттерным сопротив­ лением R 3.

База транзистора Т ' заземлена, а на базу транзистора Т подается входное напряжение t/BX, равное + и г или — U0 и симметричное отно­

откроется и в точке а потенциал станет нулевым, либо даже отрица­ тельным в зависимости от величины этого уровня. При этом транзистор Т ’ будет закрыт и ток от источника -\-Е3 пройдет через транзистор Т.

В данной схеме при открывании транзисторов с их коллекторов можно снять положительные перепады напряжений Нвых и UвыхЕсли

возможно получение парафазных сигналов, что удобно для построения различных электронных узлов.

Практически элементы с использованием рассмотренного принципа проектируются таким образом, чтобы выходное напряжение было сим­ метрично относительно какого-то уровня на входе и выходе. Это легко получить, модифицировав схему так, как показано на рис. 2.49. Сим­

99