книги из ГПНТБ / Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник

ІШ

К л ю ч е в ы е с х е м ы

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Как было отмечено во введении, важнейшими базовыми эле­ ментами импульсных и цифровых устройств являются ключевые схемы (ключи). В статическом режиме ключевая схема находится либо в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут).

Переключение ключевой схемы из одного состояния в другое осуществляется благодаря воздействию на нее входных управ­ ляющих сигналов, имеющих форму импульсов или уровней на­ пряжения; во введении были указаны информационные значения

чения выходных сигналов, то можно сказать, что ключевая схема

Хі и Уі = 0 при других значениях хи где Хі могут, в свою очередь, принимать лишь значения 1 или 0.

Функцию типа (2.1) называют логической (булевой) или пе­ реключательной. Часто ее задают в виде таблицы информацион­ ных значений х,- и у}, называемой также переключательной табли­ цей или таблицей истинности.

60

Одновходовый ключ может реализовать переключательную функцию одной переменной х: y — f(x). Очевидно, что здесь воз­ можны два варианта. Первый вариант (табл. 2.1) реализуется ключом-повторителем у — х: информационные значения выходно­ го сигнала равны информационным значениям управляющего сиг­

сигнала обратны значениям управляющего сигнала. Говорят, что

сигнал 0), то на выходе сигнала также не будет. Работа схемы И на два входа лу, х2 описывается табл. 2.3 информационных зна­ чений, которая определяет функцию y = f(xu х2). Как видно из

Заметим, что схему И на два входа часто называют вентилем

.'(клапаном); эта схема работает как ключ,' который пропускает или не пропускает сигнал, поступающий на один из входов

61

(например, на вход л'ь называемый в этом случае сигнальным) в зависимости от того, подай или нет разрешающий сигнал на дру­ гой, управляющий вход (например, на х2).

Схема с т входами Л'і, х2, . . . , хт и одним выходом у (рис. 2.2в) называется дизъюнктором, иначе схемой сборки (или логической схемой ИЛИ), если опа реализует следующую логическую функ­ цию (операцию): сигнал 1 на выходе имеет место, если хотя бы на одном из входов действует сигнал 1; сигнала на выходе нет (т. е. на выходе сигнал 0) только в том случае, если не поданы сигналы ни на один вход.

Работа схемы ИЛИ на два входа хь х2 описывается табл. 2.4

сравнить информационные табл. 2.3 и 2.4. Следовательно, если данная схема является схемой И для высоких уровней (т. е. поло­ жительных сигналов — положительная логика) , то она одновремен­ но может выполнять функции схемы ИЛИ для низких уровней (т. е. отрицательных сигналов — отрицательная логика). Наоборот, схема ИЛИ для положительных сигналов может выполнять роль схемы И для отрицательных сигналов.

Схемы, реализующие функции И, ИЛИ, НЕ, являются основными в том смысле, что при помощи их можно создать ключевую схему, реализующую сколь угодно сложную логическую функцию типа (2.1). Более того, можно показать, что для построения сколь угодно сложных логических цепей достаточно использовать только две схемы из трех основных, а именно: схемы И и НЕ или схемы ИЛИ и НЕ. Каждую пару указанных схем можно объединить и полу­ чить универсальный цифровой (логический) элемент, при помощи которого можно построить любую переключательную схему. Эле­ мент И—НЕ на два входа работает в соответствии с переключа­ тельной табл. 2.5; как видно, здесь информационное значение вы­ ходного сигнала является отрицанием (инверсией) логического

произведения входных сигналов: у — х,х2. Второй универсальный элемент ИЛИ — НЕ на два входа работает в соответствии

62

и возможно большее в выключенном (в идеальном ключе внутрен­ нее сопротивление предполагается равным нулю в замкнутом со­ стоянии и бесконечности — в разомкнутом);

— высокое быстродействие, т. е. высокая скорость перехода ключа из одного состояния в другое; такой переход не* может быть мгновенным из-за переходных процессов, обусловленных, в част­ ности, различными паразитными параметрами (емкостями, ин­ дуктивностью рассеяния и т. п.);

—высокая стабильность пороговых уровней ключа, т. е. тех уровней управляющего напряжения (или тока), при которых про­ исходит переключение; эти уровни могут изменяться с изменением температуры, в результате старения элементов схемы, из-за неста­ бильности напряжения источников питания и т. п.;

—высокая помехоустойчивость, определяемая минимальным

уровнем входной помехи, при котором происходит переключение ключа в противоположное состояние.

Наряду с указанными требованиями в различных случаях мо­ гут быть выдвинуты дополнительные (например, минимальная по­ требляемая мощность) и ряд специфических требований. Есте­ ственно, что при проектировании ключевых схем сформулирован­ ные требования должны быть соответствующим образом удовлет­ ворены.

Заметим, что все упомянутые выше ключевые схемы реализуют логические функции типа 2.1 и их называют логическими схемами; в этих схемах выходной сигнал в фиксированный момент времени (без учета переходных процессов) зависит только от комбинации информационных значений входных сигналов в этот же момент вре­ мени (эти схемы еще называют комбинационными) .

Другой класс переключательных схем составляют цифровые автоматы, которые содержат элементы памяти (линии задержки, триггеры и т. п.); информационное значение выходных сигналов автомата в момент времени t определяется информационными

63

значениями сигналов, поступивших на его вход в этот момент вре­ мени, и внутренним состоянием автомата, т. е. его состоянием в предшествующий момент времени. Для построения упомянутых цифровых (логических) элементов могут быть применены различ­ ные приборы: диоды, транзисторы, ферриты, туннельные диоды

ит. д.

Внастоящей главе рассматриваются лишь принципы построе­ ния и расчета простейших ключей и логических схем на полупро­ водниковых и электровакуумных приборах.

2.2.ДИОДНЫЕ КЛЮЧИ

2.2.1.ДИОДНО-РЕЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

Статическая характеристика диода

Для построения диодных ключей используются в основном им­ пульсные полупроводниковые (германиевые или кремниевые)

диоды; примерный вид их статической характери­ стики приведен на рис. 2.3.

Эта характеристика (для теоретической моде­ ли диода, т. е. р-п-пере- хода) приближенно опи­ сывается уравнением

I

где /д, Мд— соответствен­ но ток через диод и на­ пряжение на диоде (точ­

нее, напряжение на р-«-переходе); /до — тепловой ток перехода, зависящий от температуры и свойств материалов, образующих

Обычно прямое напряжение на кремниевом переходе состав­ ляет 0,6 -4- 0,8 В, при этом Мд/фт 30 и, естественно, можно считать,

что в активном режиме / пр /д0е Фт .

Заметим, что в кремниевых переходах тепловой ток /д0 весьма

часто считают, что он равен нулю (в этом смысле говорят о «пятке» характеристики диода). У характеристик германиевых диодов такая «пятка» незначительна.

64

Схема ключа

Вначале рассмотрим ключи с дискретными диодами. На рис. 2.4а показана схема элементарного диодно-резисторного ключа, управляемого перепадами напряжения с амплитудой UmBZ

ляется выходным сигналом транзисторного ключа; как будет по­ казано ниже, если при этом используется транзистор типа п-р-п,

t

Рис. 2.4

ный, и поэтому уровни напряжения Е° и Е 1 не зависят от нагрузки, т. е. от величины тока через источник. Кроме того, предположим, что перепады напряжения Umвх от Е° до Е 1 и обратно происходят мгновенно.

В дальнейшем для упрощения расчетов будем рассматривать схему (рис. 2.46) с эквивалентными параметрами:

(2.2)

где RB— сопротивление нагрузки, R0 — сопротивление в цепи сме­ щения диода, Е0 — напряжение смещения в схеме 2.4а.

Статические режимы

Рассмотрим статические состояния ключа. В этих состояниях диод может быть смещен либо в прямом направлении (диод рабо­ тает в активной области), либо в обратном (область отсечки диода). При подаче на диод обратного напряжения (иа < 0) через него протекает обратный ток / 0бр, который состоит в основном из теплового тока /до и тока утечки /у. Ток утечки, естественно, зави­ сит от величины обратного .напряжения диода (чем больше обрат­ ное напряжение, тем больше и ток утечки); от температуры среды, окружающей диод, /у практически не зависит. Тепловой ток /до за­ висит от температуры t°\ можно приближенно считать, что / д о удваивается при повышении температуры на 10° С:

/до ( П = /до ( О 2 10°

(в действительности температура удвоения тока /до для разных диодов различна и может быть значительно меньше 10° С [8]). Если, например, известно, что при комнатной температуре (і = 20°С) тепловой ток германиевого диода /до = Ю мкА, то при £ = 60°С /д0 = 10-24 = 160 мкА.

При малых обратных напряжениях ток / у может быть незначи­

где Ro6 p— сопротивление, определяющее наклон аппроксимирую­ щей прямой; Яобр — порядка 0,1 -Е 1 МОм.

Эквивалентная схема обратно смещенного диода, соответствую­ щая ф-ле (2.3), показана на рис. 2.5а.

66

периой характеристики.

То или иное состояние диода зависит от соотношения управ­ ляющих уровней Е°, Ех и напряжения смещения Е0п. При воздей­ ствии низкого потенциала Е° диод открыт, так как всегда пара­ метры схемы выбираются так, чтобы Е° < Е0и■При этом уровень выходного напряжения будет низким:

(2.4)

Если внутреннее сопротивление источника Rr не пренебрежимо мало, то его учет сводится к замене в ф-ле (2.4) величины /?пр величиной

Величина уровня U' зависит от температуры — с ее ростом рас­ тет ток /до и увеличивается потенциал U1. Для того чтобы можно было не считаться с влиянием температуры, следует выбрать Ron так, чтобы

где /до мопс — значение теплового тока при максимальной темпе­ ратуре в заданном температурном диапазоне работы ключа; при этом

электрическую изоляцию, .существует пять способов диодного

также и обратные токи /обрмакс. определяемые при максимальных обратных напряжениях (так как у эмиттерного перехода малые площадь и ширина). В схемах 2 и 5-й используется коллекторный переход и для них характерны относительно большие значения

Дпроб и /обрмакс-

В схеме 3 включены параллельно эмиттерный и коллекторный переходы, вследствие чего U0 бР мало, а обратный ток равен сумме

наименьшими для схемы 1.

Если интегральный транзистор изолирован переходом, то он представляется четырехслойной структурой (рис. 2.7а, б). Изоли-

') Структура транзистора ИС приведена в параграфе 2.3.1.

68

способов включения (рис. 2.7в). Однако использование перехода база — коллектор обычно нежелательно из-за образования пара­ зитного р-п-р-транзистора.

Переходные процессы

Переходный процесс в диодном ключе, возникающий при его переключении из одного статического состояния в другое, обу­ словлен, во-первых, инерционностью диода, характеризуемой про­ ходной емкостью Сд, постоянной времени тд (равной времени жизни носителей) и, во-вторых, влиянием емкостей нагрузки Сн и монтажа С„, шунтирующих выходные зажимы ключа. [Заметим, что для различных схем диодов ИС (см. рис. 2.6, 2.7) характерны различные значения емкости Сд и времени жизни носителей; осо­ бенно велико это время у схемы диода 3 (рис. 2.6).]

При запирании диода обратным перепадом напряжения на­ чинается рассасывание избыточных носителей, накопленных в базе; этот процесс длится до тех пор, пока заряд носителей в базе

69