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

этот ток достаточен для ввода транзистора б состояние насыщения, то выходное напряжение Щ"Ых « 0 .

Итак, рассматриваемая схема позволяет над входным сигналом выполнить операцию.отрицания F = А.

Для расширения области устойчивой работы транзисторной пере­ ключающей схемы в _закрытом состоянии необходимо, чтобы через базу транзистора протекал ток противоположной полярности, превы­ шающий начальный ток закрытого коллекторного перехода при макси­ мальной рабочей температуре. Реализация этих условий возможна в инверторе с обратным смещением на базе транзистора.

Пусть в схеме инвертора с обратным смещением на базе транзи­ стора (рис. 2.27) транзистор Т д открыт. Тогда в точке а напряжение близко к нулю и транзистор Т надежно закрыт обратным смещением

•mix

на базе. На рис. 2.28 показаны направления токов и распределение потенциалов для рассматриваемого случая. Рассчитаем параметры инвертора с обратным смещением на базе транзистора. Чтобы транзи­ стор Т устойчиво находился в выключенном состоянии при заданном начальном токе коллектора / к = / к0, необходимо, чтобы ток смещения

стора (Uйэ1 равна десятым долям вольта при максимальной рабочей температуре).

50

Рассмотрим теперь случай, .когда транзистор Т открыт, а транзи­ стор Т 0 — закрыт (рис. 2.29).

где / до — входной ток открытого транзистора при данном токе кол­ лектора / к.

81

По характеристикам используемых транзисторов можно опреде­ лить параметры, входящие в выведенные уравнения:

Величина обратного смещения и йэ1 на базе выключенного транзи­ стора на характеристиках не задается. Обычно величина U6n равна десятым долям вольта при максимальной рабочей температуре.

Чтобы решить систему четырех уравнений, необходимо задать еще два параметра, так как из тринадцати неизвестных определено только семь.

Для обеспечения надежной работы инвертора в худших условиях необходимо учитывать разброс параметров всех компонентов при изго­ товлении и при изменении рабочих условий, а также разбросы питающих напря­

жений.

Основной резистивно-тран­ зисторный логический эле­ мент. Схема основного рези­

ских элементов, имеющие уровни, соответствующие напряжению насы­ щения транзистора для логического «О» и соответствующие напря­ жению питания Ек для логической «1». Источник базового напряже­ ния — £ см и сопротивление R в не выполняют логических функций (ток источника — Еш через сопротивление R 6 обеспечивает обратный ток базы и способствует более быстрому выходу транзистора из состоя­ ния насыщения). Величину входных сопротивлений R схемы выбирают такой, чтобы при верхнем уровне напряжения, равном Ек, входной ток базы был достаточен для насыщения транзистора. Появление высокогоуровня напряжения более чем на одном входе схемы ведет к возрастанию базового тока транзистора и более глубокому его насыщению. В слу­ чае когда все входные сигналы соответствуют низкому уровню, вход­ ные токи, вследствие малой положительной величины коллекторного на­ пряжения насыщения при соответствующем выборе параметров схемы, будут недостаточны для открывания транзисторов. За счет тока сме­ щения базы / см = —E J R 6транзистор Т будет заперт.

Таким образом, рассмотренная схема является одноступенчатым логическим элементом ИЛИ — НЕ для положительных сигналов, ло­

82

Если в данной схеме сигнал «1» кодируется нижним уровнем напря­ жения, то логический элемент на входе выполняет операцию дизъ­ юнкции.

Для распространения информации в логических элементах рас­ сматриваемого типа в одном направлении и исключения влияния од­ ного входа на работу другого величина сопротивлений R должна зна­ чительно превосходить величину сопротивления R 63 транзистора во включенном состоянии. В этом случае входные источники сигналов практически будут изолированы один от другого.

Нагрузочная способность резистивно-транзисторной схемы опреде­ ляется количеством N аналогичных схем, которые могут быть подклю­

N — коэффициент разветвления схемы).

Для входной цепи рассматриваемой инверторной схемы на транзи­

При R = 0 число выходов N максимально, этот случай соответст­ вует переходу к транзисторным переключающим схемам с непосред­ ственной СВЯЗЬЮ, ДЛЯ которых ВХОДНОЙ ТОК IR = / б. о, /б. О= / К'Р. Подставив эти значения токов в (2.49), получим выражение для рас­ чета нагрузочной способности логических схем с непосредственной связью:

83

Таким образом, фактически в схемах с непосредственной связью коэффициент разветвления N по существу зависит от коэффициента усиления р транзистора, поскольку / к0 / к.

Количество схем, которые могут быть подключены ко входу тран­ зисторного инвертора, можно определить следующим образом.

Максимальное число входов М определяется из условия, что мини­ мальное напряжение закрытого транзистора t/Klmjn подано лишь, на один вход, а на все остальные входы подан низкий уровень напряже­ ния насыщения UKb 0. В этом случае

где М — коэффициент объединения по входу, который из выражения для тока 1 ц можно определить через параметры схемы.

Быстродействие резистивно-транзисторных логических схем.

В основной резистивно-транзисторной схеме уровень входного тока по одному входу должен быть выбран достаточным для быстрого вклю­ чения транзистора. Появление входных сигналов на нескольких вхо­ дах вызывает увеличение степени насыщения транзисторов, что, в свою очередь, приводит к задержке переключения транзистора в закрытое состояние за счет большого времени рассасывания.

Ток от источника £ СЛ1 через сопротивление # см выбирается по вели­ чине больше обратного тока запертого коллекторного перехода при максимальной рабочей температуре. Прямой ток включения транзи­ стора /6_0, поступающий при возбуждении базы через сопротивление R предыдущего транзисторного каскада, связан с током смещения сле­ дующим образом.

При низких уровнях сигнала на всех входах токи через входные сопротивления R должны быть связаны с током смещения соотноше­ нием:

где 1ц — входной ток, проходящий через сопротивление R при высо­ ком уровне на входе.

84

Для уменьшения времени рассасывания 1Швыбирается тем больше, чем быстрее необходимо закрыть транзистор. Следовательно, стремле­ ние увеличить быстродействие ведет к возрастанию / см и соответственно тока / й. о, чтобы обесйечить заданную скорость включения (возраста­ ние тока / й 0 ведет к уменьшению коэффициента разветвления N).

Эффективное повышение быстродействия без уменьшения N можно получить шунтированием конденсаторами входных сопротивлений (рис. 2.32). Такие логические схемы называют модифицированными резистивно-транзисторными схемами. За счет заряда и разряда конден­ саторов на переднем и заднем фронтах в данной схеме происходит фор­ сирование переходных процессов при включении и выключении тращ зистора.

Уменьшение уровня базового тока за счет зарядки конденсатора к моменту времени выключения транзистора уменьшает степень его насыщения, что позволяет бы­ стрее перевести транзистор из открытого состояния в закрытое.

Величину сопротивления R определяют в данном случае из выражения:

' R = (UKbl- U ^ 0) l ( I k - I m),

где /д — значение установивше­ гося тока через сопротивление R.

должна подаваться через емкость в течение переходного процесса:

С£ / М 1 = (/Вх - / д ) т ,

где т — постоянная времени входной цепи, С = [(/вх — 1д) т/]£/кэ.

§2.8. ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

СПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

Диодно-транзисторные элементы с одноступенчатыми диодно-рези­ сторными логическими схемами. Анализ диодных логических схем показал, что сигнал, проходя через них, ослабляется, и его искажения за счет уменьшающейся скорости заряда паразитных емкостей в ди­ одно-резисторных схемах ведут к возможному нарушению правиль­ ного функционирования цепочки элементов. Активные элементы, вве­ денные в логические схемы, позволяют увеличить мощность сигналов и восстановить их форму и тем самым добиться правильного функциони­ рования последовательно включенных логических элементов.

Комбинации диодных элементов, реализующих логические функ­ ции И и ИЛИ и транзисторных усилительных элементов, как правило,

85

Когда транзистор T запирается, напряжение на его коллекторе зависит от величины питающего напряжения —Е, тока закрытого транзистора и его коллекторной нагрузки.

Параметры входной цепочки R^—С6 и /?см выбирают из условий обеспечения надежности работы и быстродействия схемы: величина сопротивления R 6 должна обеспечивать получение достаточного базо­ вого тока для включения транзистора, с наименьшим коэффициентом усиления и заданную степень насыщения транзистора (однако базо­ вый ток не должен быть чрезмерно большим, иначе большим будет и время выхода транзистора из состояния насыщения); величина ем­ кости С(; должна быть такой, чтобы обеспечить достаточные токи в базу транзистора при его включении и выключении. Сопротивление i?CM,

насыщения. Коллекторное выходное напряжение при этом близко к нулю, т. е. соответствует логической «1 ».

Если уровень всех входных сигналов близок к нулю, то на выходе диодной схемы напряжение будет близко к-нулю. При этом ток базы от положительного источника удерживает транзистор в запертом со­ стоянии; выходное напряжение на коллекторе равно низкому уровню, т. е. соответствует логическому «О».

Таким образом, в рассматриваемой схеме на выходе сигнал соот­ ветствует логическому «О» только в том случае, если все входные сиг­ налы равны логической «1». Следовательно, выходная функция через входные переменные может быть выражена следующим образом:

F — А\ ■А 2 • • • ■■А т-

Аналогично могут быть построены логические элементы ИЛИ—НЕ. Расчет логического элемента И — НЕ. Диодно-транзисторный логический элемент И—НЕ для положительных сигналов с усилите­ лем на транзисторе п—р—я-типа приведен на рис. 2.35. Определим соотношения между параметрами входящих в данную схему компонен­

тов, исходя из худшего случая распределения параметров.

Входные диоды Д ъ Д 2, ..., Д тдолжны быть закрыты, когда на всех входах действуют высокие уровни сигналов. Считая, что входные сигналы подаются с аналогичных схем и что минимальное обратное смещение диода URt 0бр mm, определим условие закрывания всех диодов.

87

При высоких уровнях входных сигналов ток от источника + £ , проходя через сопротивления R и Re, вызывает открывание и насыще­ ние транзистора Т. Пусть транзистор насыщен с максимальным значе­ нием напряжения между базой и эмиттером Пбэ. отахВеличина тока через транзистор при высоких уровнях сигналов на входе может быть определена следующим образом.

Входной ток базы равен току (Е —• U^_0)/(R -i- R 0), из которого следует вычесть ток (—Е ся — Пбэ. 0). i?CM. Произведение этого входного тока на коэффициент усиле-

низкое напряжение. При этом на базе транзистора должно возникать запирающее напряжение U^, 0бР-

Входной сигнал, действующий в точке а, равен сумме прямого паде­ ния напряжения на входном диоде и падения напряжения UK3t нас между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора Т'. Напряже­ ние на базе транзистора определяется этим входным напряжением, напряжением источника питания цепи смещения Дсм и падением на­ пряжения во входной цепи от тока Д. 0бР (рис. 2.36):

R см ( Д э.насН -Д . пр) Дор Д Д м

Д. . + Д

Днас + Д .п р )" Д обреем

(2.59)

1 + Дм/Д

83

В худшем случае должен быть заперт транзистор, имеющий мини­ мальное значение абсолютной величины напряжения обратного сме­ щения t/бэ. обр min*

Я,

Максимально возможное число схем Л/тах, которые могут быть подклю­ чены к выходу рассматриваемой схемы можно определить из соотно­ шения:

(2.61)

б'д Пртах)/(/'ч.м-НЯб)

В этом выражении в числителе записан ток, идущий через коллек­ тор транзистора, и ток в коллекторной нагрузке; в знаменателе — максимальный ток, потребляемый каждым выходом. Следовательно,

ведет к повышению нагрузочной способности схемы с максимальной величиной коллекторного тока / к тах. Однако сопротивление /?к опреде­ ляет время спада импульса на коллекторе при открывании транзи­ стора, что требует компромисса при выборе величины R Kмежду нагру­ зочной способностью и быстродействием.

Напряжение в точке а (см. рис. 2.36) определяется обратными то­ ками всех М входных диодов и падением напряжения на сопротивле­

• Высокий уровень входного сигнала приблизительно равен величине коллекторного источника питания. Поэтому напряжение, запирающее диоды, должно быть равным или более напряжения t/д. 0бР

89