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

это отношение допустимо:

В случае использования диодов с обратным сопротивлением Яд, равным 106 Ом, допустимое число т равно 11.

Двухступенчатые диодно-резистивные логические элементы. В схеме, данной на рис. 2.14, при использовании положительных входных

Рис. 2.14. Двухступенчатый диодно-резистивный логиче­ ский элемент И—ИЛИ

сигналов с выходов двух элементов И сигналы подаются на вход схемы ИЛИ. Выходная функция этой схемы

F — A i ■Ло+ Лд • А 4.

70

Пусть уровни нулевого и единичного сигналов равны соответст­ венно U0 и Ult а их величина находится в следующем соотношении

свеличинами напряжений источников питания:

Е- Д / , > £ „ > £ ' .

бесконечно большим. Очевидно, что при больших сопротивлениях нагрузки сопротивление Rx может быть выбрано произвольно (без учета динамики схемы). Потенциал в точке а должен возрастать до значения 6 ^,.если входные переменные А х и А 2принимают значения Ux.

Таким образом, для нормальной передачи сигналов в данной

диодах и правильном расчете отсутствует изменение амплитуды сигна­ лов от входа к выходу (необходимо только, чтобы величина сопротив­ лений в каждой последующей цепи была меньше некоторых максималь­ ных расчетных величин).

Если учитывают реальные характеристики диодов и задано время переключения сигналов, то требования к величинам сопротивлений в каскадах цепи возрастают. Поэтому при увеличении числа каскадов возрастает величина потребляемого тока, необходимого для возбужде­ ния входных шин и уменьшения амплитуды выходного сигнала за счет падения напряжения на прямом сопротивлении диодов. Это обстоя­ тельство ведет к необходимости применения в многркаскадных диод­ ных логических схемах специальных электронных схем для восстанов­ ления уровня и мощности передаваемых сигналов.

§2.6. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

СНЕПОСРЕДСТВЕННЫМИ СВЯЗЯМИ -

Принцип работы транзисторных логических схем с непосредствен­ ными связями. Транзисторные логические схемы с непосредственными связями — схемы, в которых отсутствуют компоненты цепей связи и связь между элементами осуществляется непосредственно провод­ никами. Такие транзисторные логические схемы имеют в качестве ком­ понентов только транзисторы и сопротивления коллекторных нагру­ зок. Для питания этих схем используют один низковольтный источник питания. Мощность, потребляемая транзисторными схемами с непо­ средственными связями, невелика. Величина логического перепада в них составляет.несколько десятых долей вольта, поэтому время, за­ трачиваемое на перезарядку паразитных емкостей, мало..

71

Рассмотрим условия, при которых в схемах возможно соединение коллектора одного транзистора непосредственно с базой другого тран­ зистора без каких-либо переходных элементов (рис. 2.15). Для анализа данной схемы рассмотрим характеристики / к = f (£/кэ) и / 6 = / ((/6э) (рис. 2.16) транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Проведем на графике нагрузочную прямую из точки |t/| — \ЕК<. под углом, соответствующим величине сопротивления R Kl в коллектор­ ной цепи транзистора, и отметим точки пересечения нагрузочной пря­ мой с характеристиками транзистора. При рассматриваемых характе­ ристиках возможно получение значения напряжения на коллекторе открытого транзистора — |f / Kmax|> которое по величине больше значе­ ния напряжения отсечки базо-эмиттерного перехода —U$ отс. Поэтому, если коллектор транзистора Т 1будет непосредственно соединен с базой транзистора Т2 (см. рис. 2.15), то напряжение коллектора открытого

транзистора 7\ будет надежно удерживать в запертом состоянии тран­ зистор Т2.

Если входной сигнал UBXзакрывает транзистор Тъ то напряжение на его коллекторе понизится и при отсутствии соединения с базой тран­ зистора Т2 достигнет значения — при наличии же соединения базоэмиттерный переход транзистора Т2 будет открыт, если напряжение на коллекторе транзистора Тх достигнет величины —t/6m;п (см. рис. 2.16, точка б). Следовательно, на коллекторе закрытого транзи­ стора 7\ напряжение будет иметь значение \И'К\ = |t/б mini-

В транзисторных схемах с непосредственными связями обычно используют поверхностно-барьерные транзисторы, величина напряже­ ния питания Ек которых составляет 2—3 В, напряжение насыщения на коллекторе не более 0,1 В, а напряжение на базо-эмиттерном пере­ ходе открытого транзистора около 0,5 В. Поэтому величина логиче­ ского перепада в таких схемах будет около 0,4 В.

Рассмотрим работу логического, элемента И—НЕ для положитель­ ных сигналов с параллельным включением транзисторов (рис. 2.17).

Если все входные сигналы логического элемента имеют низкий уровень, то транзисторы 7\ и Т2 будут заперты и на их коллекторах возникнет потенциал высокого уровня.

72

Если хотя бы один входной сигнал имеет высокий потенциал, то соответствующий транзистор будет открыт и на его коллекторе устано­ вится низкий потенциал.

Основным недостатком логических схем данного типа является нали­ чие большого количества транзисторов, параметры которых необхо­ димо тщательно контролировать. Режим работы транзисторов с глу­ боким насыщением ограничивает быстродействие. Поскольку входной сигнал поступает сразу на несколько транзисторов с параллельным соединением баз, то несоответствие входных параметров последних вызовет различные входные токи.

В модифицированных схемах с непосредственной связью в цепь базы транзисторов включается дополнительное сопротивление и по­

проблему быстродействия схемы, но усложняет интегральное испол­ нение этих элементов из-за наличия значительных емкостей.

Условия стабильности работы транзисторных логических схем с непосредственной связью. Рассмотрим работу параллельной логи­ ческой схемы на транзисторах с непосредственной связью (см. рис.2.17), в которой входные транзисторы подключены коллекторами к одной нагрузке R K.

В данной логической схеме, если заперты входные транзисторы Т1 + Тт,го выходные транзисторы Т\— Тп открыты. Если хотя бы один входной транзистор открыт, то все выходные транзисторы должны быть закрыты. Для выполнения сформулированных требований необходимо

73

где -Щ. э — напряжение насыщения перехода база-эмиттер; / к „ас — ток насыщения транзистора.

Первое условие определяет необходимость в худшем случае при закрытых транзисторах Т1~ Т т обеспечить насыщение транзисторов Т[—Т'п. Отметим, что на нагрузочную способность, определяемую числом транзисторов п, существенно влияет обратный ток запертых коллекторных переходов входных транзисторов.

Второе условие определяет выбор такой величины тока насыщения транзистора / к нас, чтобы в худшем случае сочетания параметров напря­ жение на коллекторе было достаточным для обеспечения запирания транзисторов нагрузки.

Рассмотрим факторы, определяющие величину тока насыщения транзистора / к. нас. При малой величине этого тока уменьшаются: а) потребляемая мощность; б) влияние омических сопротивлений эмит­ тера, базы и коллектора. Падение напряжения на омических сопро­ тивлениях коллекторной и эмиттерных областей является составной частью падения напряжения на коллекторе открытого транзистора. Для логических схем с непосредственной связью это падение напряже­ ния должно быть минимальным. Омическое сопротивление базы влияет на скорость выключения транзистора из открытого состояния.

Большая величина тока нагрузки транзистора позволяет:

а) уменьшить влияние паразитных емкостей во время переключе­ ния (вследствие малой величины логического перепада напряжения в транзисторных схемах с непосредственной связью время перезаряда

поскольку у некоторых, например, кремниевых транзисторов, коэффи­ циент усиления снижается при уменьшении тока коллектора.

Передаточная характеристика транзисторного элемента с непосред­ ственной связью приведена на рис. 2.18. При изменении входного на­ пряжения от 0 до U6 o выходное напряжение не изменится (оно равно падению напряжения на переходе база-эмиттер открытого транзистора нагрузки). Пороговое напряжение рассматриваемого транзистора U5_о определяет начало его открывания.

Если на коллекторе открытого транзистора напряжение равно и к.0, а коллекторное напряжение t/K-Hac < UK,0, то для работы схем с непосредственной связью должно выполняться соотношение:

У б .о — £ / , , о > 0 .

Величина логического перепада на коллекторе

At/K=^K.Hac-^K.o. (2.33)

Транзистор полностью откроется и его коллекторное напряжение изменится до значения UK0 при напряжении на базе t/g. нас.

При интегральном исполнении схем логических элементов исполь­ зуют сопротивление в цепи базы (в этих элементах менее жесткие тре­ бований предъявляются к параметрам входных цепей транзисторов).

74

Величину сопротивления в цепи базы выбирают из условия получения заданной неравномерности распределения тока базы при известном разбросе параметров транзисторов.

На рис. 2.19 приведена принципиальная схема модифицированной схемы с непосредственной связью, а на рис. 2 .2 0 , 2 . 2 1 и 2 . 2 2 приве­ дены соответственно ее передаточ­ ные характеристики для нормаль­ ной и трех граничных значений

ибых.мВ

температур (передаточные характеристики сняты для двух значений питающих напряжение и двух различных нагрузок, равных одной и четырем аналогичным схемам). Уменьшение окружающей температуры ведет к уменьшению напряжения отсечки базы транзистора, вслед­

75

ствие чего для выключенного состояния происходит сдвиг характери­ стики выходного напряжения вправо.

Транзисторные логические элементы с непосредственной связью с последовательным включением транзисторов. Рассмотрим приведен­ ную на рис. 2.23 логическую схему И — НЕ для положительных сигналов. В этой схеме низкий уровень напряжения на выходе возникает только тогда, когда на входы

U B h x .m B

Ат&-

При последовательном соединении транзисторов в запертом состоя- . нии схемы через сопротивление R Kпроходит только ток / к обр в отли­ чие от схемы с параллельным включением сопротивления транзисто­ ров, где через R Kпроходит т токов / к обр. В открытом состоянии выход­ ное напряжение низкого уровня имеет значительную величину, в сред­ нем равную m i/It. иас.

, Требования, предъявляемые к компонентам и напряжению пита­ ния транзисторных элементов с непосредственной связью. Сверху величина напряжения питания транзисторных элементов с непосред­ ственной связью ограничена: а) пробивным напряжением перехода коллектор-база; б) максимально допустимой мощностью рассеяния; в) трудностью получения больших номиналов коллекторных сопротив-

76

лений в интегральном исполнении; г) стремлением уменьшить сред­ нюю задержку на каскад.

При минимальном числе нагрузок время рассасывания избыточного заряда увеличивается при увеличении номинала источника питания. Если сопротивление коллектора не изменяется, то увеличение напряже­ ния питания ведет к росту степени насыщения транзистора и тока его включения. Выключающий ток, рассасывающий избыточный заряд, практически остается постоянным. Особенно сильно ограничение по коллекторному питанию при максимальных температурах, где постоян­ ная времени рассасывания и коэффициент усиления максимальны,

а9 и рассасывающий ток минимальны.

в базу транзистора в открытой схеме из предыдущей закрытой схемы уменьшается значительно быстрее, чем ток насыщения транзистора (это ограничение наиболее существенно при' минимальной рабочей температуре). Уменьшение напряжения питания £ к ведет к необходи­ мости уменьшения сопротивления Р б, что вызывает большое влияние разброса входных характеристик на работу схем.

Величина номиналов сопротивлений схемы с непосредственной связью определяется следующими факторами.

Если задана величина мощности рассеяния Ряоп и выбрана вели­ чина напряжения питания Е к, то величины сопротивлений можно опре­ делить так:

мощности, рассеиваемые соответственно в открытой и закрытой

где Нк°э и Uкэ — соответственно напряжения на коллекторах открытого и закрытого транзисторов; р — допустимое отклонение напряжения питания;

средняя потребляемая схемой мощность

Подставив значения известных величин, из данного выражения можно вычислить значение Р к.

Сопротивление на входе транзистора Рб вводится для того, чтобы уменьшить влияние разброса входных характеристик на работу схем. Сверху оно ограничено по величине требованием получения заданного времени задержки сигналов. С ростом сопротивления Р б уменьшаются токи включения и выключения транзисторов, что ведет к возрастанию времени включения и выключения транзисторов. Величину Р б нахо-

77

дят из соотношения N = ЦЯб), определяющего зависимость коэффи­ циента разветвления схемы для худшего случая распределения пара­ метров и условий эксплуатации.

Транзисторы в схемах с непосредственной связью должны иметь: а) небольшое остаточное i/K9- ,1ас;

б) достаточно высокое значение UBX, при котором транзистор еще остается закрытым (это напряжение определяет помехозащищенность схемы по отношению к открывающей входной помехе);

в) достаточно высокое значение коэффициента усиления (5 в схеме с общим эмиттером, поскольку при понижении температуры уменьше­ ние коэффициента усиления может оказаться недостаточным для ввода транзистора в состояние насыщения;

г) малые токи закрытых коллекторных переходов при максималь­ ной рабочей температуре;

д) небольшой разброс Цбэ.

Рис. 2.24. Триггер на логических элементах с непосредственной связью

Триггер и полный одноразрядный сумматор на транзисторных логических элементах с непосредственной связью. На логических элементах с непосредственной связью легко получить триггер, т. е. электронную схему с двумя устойчивыми состояниями (рис. 2.24).

Пусть транзистор Тх открыт и находится в состоянии насыщения. Тогда коллекторное напряжение этого транзистора, подаваемое на вход транзистора Т2, удерживает. последний в запертом состоянии. Низкое напряжение на коллекторе запертого транзистора Т2, приложен­ ное к базе транзистора Тъ обеспечивает его насыщение. Таким обра­ зом, в схеме на транзисторах Тх и Тг возможно неограничено долгое сохранение состояния, когда транзистор Тх открыт, а транзистор Т2 заперт. Очевидно, что если открыть транзистор Тъ то низким напряже­ нием на его коллекторе транзистор Тх будет закрыт и данное состояние может также сохраняться неограниченное время.

Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое можно осуществлять, подавая сигналы на входы транзисторов Т и Т ' , соеди­ ненных с коллекторами транзисторов Тх и Тг.

Чтобы построить полный одноразрядный сумматор на три входа, обеспечивающий суммирование трех переменных А, В и С, необхо­ димо обеспечить выполнение следующих логических операций:

Я= А В С + А в С-\-АБС + АВС;

П= ABC -f АВС + АВС + АВС,

78

где 2 — есть значение суммы переменных А, В и С; П — перенос, возникающий при суммировании переменных А, В и С. Всего требуется выполнить 2 2 логические операции.

Рис. 2.25. Одноразрядный сумматор на три входа на транзисторных элементах с непосредственной связью

Минимизацию выражений можно вести различным способом. Напри­ мер, запишем выражения для суммы и переноса так:

2 = АБС А- АВС + АВС + АВС = (АВ + А В) С + (АВ + А В) С,

п = а в с + а в с + А в с + а в с =

= АВ (С + С) + С{АВ + АВ) = АВ + С ( А В + А В ). ■

Построенная в соответствии с этими выражениями схема однораз­ рядного сумматора на три входа приведена на рис. 2.25.

§ 2.7. РЕЗИСТИВНО-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Инверторы на полупроводниковых транзисторах. Схема простей­ шего транзисторного инвертора приведена на рис. 2.26. Инвертор собран на транзисторе Т и двух сопротивлениях R K и 7?g. Величина входного сигнала инвертора может быть Ек и 0, что соответствует логи­ ческим значениям «1» и «О». Когда переключатель П находится в поло­ жении а, транзистор закрыт и через его коллектор протекает начальный ток закрытого коллекторного перехода. Поскольку этот ток мал, то и'вых. & Вк. Если переключатель находится в положении б, то через сопротивление R q в базу транзистора поступит ток / 5 та EK!R6. Если

79