книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

сюра Т 1 препятствует обратному смещению базы тран­

зистора Г2 н тем самым Способствует более быстрому включению транзистора Г2.

Микроэлектронные интегральные транзисторные ключи

В настоящее время отечественная промышленность выпускает значительное количество типов микроэлект­ ронных схем интегрального исполнения.

Особенностью интегральной технологии производства схем является исполнение всех компонентов схемы в кристаллическом моноблоке, в виде многослойной струк­ туры с надлежащим чередованием полупроводниковых

слоев р- и «-проводимости, а также проводящих и изоля­ ционных участков.

Интегральные транзисторные ключи изготавливают­ ся только с несколькими входами и предназначаются для реализации логической функции «нИ-НЕ» •— логического совпадения единичных состояний сигналов по несколь­ ким входам с инверсией результата.

Сущность этой логической функции, на примере двух­ входовой схемы «2И-НЕ», разъясняет следующая табли­ ца состояний входных сигналов и сигнала выхода:

Принципиальная схема элемента «2И-НЕ» показана на рис. 44, а. Транзисторы Т2, Т3, Г4 образуют ключ с низким сопротивлением в единичном (открыт транзи­ стор Г4) и нулевом (открыт транзистор Т3) выходных со­ стояниях.

Когда транзистор Т2 пропускает ток, транзистор Г4 заперт, а транзистор Т3 открыт и выходное напряжение близко к нулю.

121

Т3, не получая тока из эмиттерной цепи транзистора Т2, находится в запертом состоянии. При этом напряжение выходного сигнала близко к напряжению коллекторного питания.

Транзистор Т2 пропускает ток только в том случае, если в его базу втекает ток по цепи, образованной рези­ стором Ri и коллекторным переходом многоэмиттерного

122

транзистора Т\. Это, в свою очередь, может произойти только при условии, если оба эмиттера транзистора Т\ одновременно окажутся под потенциалами, большими, чем потенциал базы транзистора Т2. Практически для этого достаточно, чтобы напряжения на входах 1 и 2 бы­ ли более 0,5—0,6 В.

Таким образом, рассмотренная схема воспринимает понижение напряжения на одном из входов до уровня 0,5—0,6 В как сигнал 0 и реагирует при этом изменени­ ем выходного напряжения от уровня 0, близкого нулю

вольт, к уровню 1, близкому к напряжению коллекторно­ го питания.

«пИ-НЕ» она работает как обычный транзисторный ключ (инвертор).

Отечественная промышленность выпускает элементы «пИ-НЕ» с количеством входов до восьми. Существует разновидность схемы «пИ-НЕ», не содержащая транзи­ стора Г4 с резистором R3 и диодом Д. Эта схема называ­ ется элементом «пИ-НЕ» с открытым коллекторным вы­ ходом.

Следует иметь в виду, что обычные схемы «пИ-НЕ» не допускают параллельного соединения нескольких эле­ ментов по выходу, так как в этом случае при различии состояния их входов, в выходной цепи произойдет сквоз­ ное короткое замыкание через транзистор Г4 схемы с вы­ ходным состоянием 1 и транзистор Т3 схемы с выходным состоянием 0.

Элементы «пИ-НЕ» с открытым коллекторным выхо­ дом допускают параллельное соединение их выходов.

В номенклатуре отечественных интегральных схем есть элемент «2И-2ИЛИ-НЕ». Он содержит (рис. 45) транзисторный двухвходовый ключ на транзисторах Т3, Г4, Т5, Т6 и две схемы совпадения на многоэмиттерных транзисторах Т{ и Т2.

По входам 5 я 6, которые называются входами рас­ ширения по «ИЛИ», этот элемент в случае запертого со­ стояния транзисторов Т3 и Г4 является инвертором. При­ соединяя к входам 5, 6 произвольное количество так

123

Рис. 45. Интегральный элемент «2И-2ИЛИ-НЕ»:

а — принципиальная схема; б — условное обозначение

называемых расширителей по «ИЛИ» (рис. 46), можно получить логическую структуру «2И-пИЛИ-НЕ».

Соединяя в каждом участке «2И» полученной структуры входы параллельно или, что одно и то же, ис­ пользуя на каждом участке только по одному входу, можно получить схему «пИЛИ-НЕ».

Таблица состояний функций «пИЛИ-НЕ» для случая трех входов имеет следующий вид:

124

+ £ к

Рис. 46. Расширитель по «ИЛИ»:

а — принципиальная схема; б — условное обозначение

Указанный набор логических элементов позволяет реализовать практически любую логическую функцию. Микроэлектронные элементы в случае необходимости могут сочетаться с обычными дискретными компонента­ ми.

Применение в электронной аппаратуре микроэлект­ ронных схем интегрального исполнения позволяет резко уменьшить габариты устройств с одновременным повы­ шением их надежности и является весьма перспектив­ ным направлением развития современной полупроводни­ ковой техники.

§ 4. Транзисторные модуляторы

Модуляторы-ключи, служащие для коммутации на­ пряжений в измерительных цепях, должны иметь ста­ бильные величины остаточного коллекторного тока / к.ост

125

в закрытом состоянии и остаточного коллекторного на­ пряжения UK.ост в открытом состоянии. Для этого не­ обходимо применять инверсное включение транзисторов, при котором коллектор транзистора выполняет функцию эмиттера, а эмиттер — функцию коллектора.

При инверсном включении транзистора остаточный

и равны соответственно 1 -У 0,1 мкА и 1 — 2 мкВ. Вели­ чина остаточного коллекторного напряжения UK.ост ин­ версно включенного триода имеет при некотором токе базы минимум и крайне малый температурный коэффи­ циент (2—10 мкВ/град).

С помощью инверсно включенных транзисторов мож­ но осуществлять последовательную коммутацию сигна­ ла (рис. 47, а) размыканием и замыканием цепи источ­ ника сигнала, параллельную коммутацию сигнала (рис. 47, б) путем шунтирования источника сигнала, а также параллельно-последовательную коммутацию (рис. 47, в) путем размыкания цепи сигнала с одновре­ менным шунтированием обесточенного участка схемы.

В рассмотренных схемах прецизионных транзистор­ ных ключей (модуляторов) в течение отпирающего полупериода управляющего сигнала транзистор открыт. В те­ чение запирающего полупериода управляющего сигнала запирающее напряжение ограничивается диодом Д.

Для ограничения тока базы при отпирающем сигнале (а также тока диода при запирающей полярности управ­ ляющего сигнала) в цепь выходной обмотки трансфор­ матора, подающего управляющий сигнал, вводят ограни­ чительное сопротивление R.

Основной фактор погрешности прецизионных транзи­ сторных ключей — временной дрейф остаточного напря­ жения, достигающий 200 мкВ для кремниевых триодов и 50 мкВ/мин для германиевых триодов.

Значительным источником погрешности является так­ же сопротивление транзистора в закрытом состоянии, которое у германиевых транзисторов может снижаться при температуре 60° С до 1 кОм. Наличие емкостей пере­ ходов транзистора, а также диффузионный характер движения неосновных носителей в базе вызывают появ­ ление всплесков на фронтах включения и спада импуль­ сов выходного сигнала. Для уменьшения этих всплесков

1 2 6

Рис. 47. Транзисторные модуляторы:

а — последовательный; б — параллельный; в — параллельнопоследовательный

необходимо ограничивать величину напряжения запи­ рающего сигнала в базовой цепи транзистора.

Для уменьшения величины остаточного напряжения и остаточного тока применяют компенсированные схемы прецизионных ключей (рис. 48). Компенсированный ключ с последовательным соединением транзисторов (рис. 48, а) имеет значительно меньшую величину оста­ точного напряжения и остаточного коллекторного тока, поскольку эти параметры благодаря встречному вклю­ чению транзисторов взаимно вычитаются. Однако для достаточно полной компенсации остаточных параметров необходимо тщательно подбирать пары транзисторов. Обычно из партии транзисторов удается выбрать не бо­ лее 20—25% удовлетворительных для применения в по­ следовательной компенсированной схеме.

Другой вид компенсации связан с применением двой­ ного управления транзистором одновременно по эмиттерному и коллекторному переходу (рис. 48, б). В этой схе­ ме путем изменения сопротивления резистора R2 в цепи эмиттерного перехода можно добиться полной компенса­ ции остаточного напряжения UK.ост. Остаточный ток транзистора в этой схеме также очень мал и не превыша­ ет 1 мкА при температуре 70° С. Температурный дрейф ключа — порядка 1 мкВ/град.

Выходное сопротивление утечки при температуре 70° С при использовании германиевых транзисторов рав­ но 5—10 кОм, а при использовании кремниевых транзи­ сторов увеличивается до 800 кОм.

Вместо диодов Д\, Д 2 в цепях управления может быть применен транзистор обратной проводимости (рис. 48, в). Так как транзисторы работают параллельно, выходное сопротивление такого ключа в открытом со­ стоянии меньше, чем у однотранзисторного ключа. Вели­ чина остаточного коллекторного напряжения в этой схе­ ме также ниже, чем у однотранзисторного ключа.

§5. Схемы формирования коротких импульсов

Втех случаях, когда необходимо получить короткий импульс, синхронный с передним или задним фронтом некоторого широкого импульса, применяют так называ­ емые укорачивающие схемы или, иначе, схемы формиро­ вания коротких импульсов. Чаще всего для этой цели

Рис. 49. Транзисторные формирователи коротких импульсов:

а — ключ с входной дифференцирующей R —C цепью; б — ключ с транс­ форматорной входной дифференцирующей цепью; в — ключ с дроссельной входной дифференцирующей цепью; г — логическая схема формирования

коротких импульсов

используют усилители с дифференцирующей RC или RL цепью на входе. Для получения коротких импульсов при­ меняют также логические схемы, содержащие два усили­ тельных элемента с различным временем включения.

Для укорачивания и инвертирования импульса отпи­ рающей полярности по переднему фронту применяется нормально запертый импульсный усилитель с входной дифференцирующей цепью (рис. 49, а). Для грубой оцен­ ки длительности импульса, формируемого усилителем, можно считать транзистор безынерционным элементом, а его входное сопротивление принимать равным нулю. При этих условиях можно допустить, что длительность импульса зависит только от постоянной времени диффе­ ренцирующей цепи, от максимального базового тока, ко-

Е

торый в большинстве случаев равен /б.макс = — от ба-

R k

130