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

не уменьшится до уровня, соответствующего равновесному состоя­ нию диода. Длительность рассасывания tp тем меньше, чем меньше постоянная тд и прямой ток /пр диода (при этом Меньше избыточ­ ный заряд в базе) и чем больше запирающий ток /зап (этот ток практически равен отношению обратного напряжения на диоде к сопротивлению Ron в цепи диода, так как, пока идет рассасывание носителей, переход смещен в прямом направлении и сопротивление диода мало). Можно считать, что

/р ^ ІП (1 “Ь 1пр/ I Дап I )• (2.13)

Действительно, как известно, заряд неосновных носителей в

что при рассасывании этот заряд уменьшается по экспоненциаль­ ному закону с постоянной времени Тд1), то согласно ф-ле (1.7) можно записать

tp = т„ In Qaan Qо

V:- Q (tp)

нается спад тока и в течение некоторого времени tc диод запи­ рается. У современных импульсных диодов время установления прямого сопротивления (прямого тока) ty и время восстановления обратного сопротивления (обратного тока) /вос = /р + tc не пре­ восходят десятых долей микросекунды. Поэтому во многих случаях при изучении переходных процессов в диодных ключах ограничи­ ваются рассмотрением эквивалентной схемы рис. 2.8я, в которой

достигает установившегося значения U1 [ф-лы (2.8—2.12)].

При подаче в момент ^ отрицательного перепада напряжения

70

мени (“ и Зт° = ЗС0Епр выходное напряжение практически дости­ гает уровня и°ж Е ° = 0 [ф-лы (2.4—2.7)]. Если задана допусти­ мая длительность фронтов, то, как следует из ф-лы (2.14), должно

рять условию

‘-он

подаче уровня Е1 диод запирается и емкость заряжается. Но как только выходное напряжение uabVS,(t) достигает уровня, примерно равного Е1, отпирается диод, переходный процесс фактически преКрЗЩЗѲТСЯ И і^вых (t ) фиксируется на уровне U 1 Ä ; Е1.

Длительность фронта теперь в соответствии с ф-лой (1.7)

ности фронта ^фдоп источник должен обеспечить ток, не меньший, чем

А ш и E Q U / H в ы х / ^ ф д о п - ( 2 . 1 8 )

Формулами (2.16), (2.18) можно пользоваться, если выпол­ няется условие (2.15); практически считают, что последнее спра­

(При использовании диодов ИС следует включить в С0 также паразитную емкость диода на подложку.)

Выше были рассмотрены переходные процессы при условии, что длительности фронтов входных перепадов напряжения равны нулю. При их конечной длительности можно исследовать переход­ ный процесс при помощи интеграла Дюамеля или воспользоваться результатами разд. 1.3, если предположить, что указанные пере­ пады в первом приближении изменяются по линейному закону. Если, однако, полагать, что длительность фронтов (фВх входных перепадов невелика, то можно приближенно вычислять #ф вых по формуле

Расчет ключа

Расчет диодного ключа можно провести в том или ином порядке в зависи­ мости от того, какие величины заданы.

Пусть заданы: амплитуды Um = E l — Е° яі U1— Ua входных и примерно равных им выходных перепадов; допустимая длительность фронта t$ доп; пара­ метры нагрузки RnC„] температурный диапазон работы ключа f С.

Примерный порядок расчета:

1. Выбираем согласно ф-ле (2.18а) напряжение Еоп = 4Um.

2. Выбираем диод из следующих соображений. Наряду с требованием воз­ можно меньшего прямого Rap и большого обратного 7?0ор сопротивлений необхо­

72

4.Согласно (2.17) Ron = £<m//. Так как Ron = RolIRn < Rn, то, если в ре­ зультате расчета получено Ron > Ru, очевидно, необходимо уменьшить Ron', это сделать можно либо уменьшением Е0, либо увеличением тока /.

5.Напряжение источника Е0 определяем пз ф-лы (2.2):

E0 = Eo„(\+RolRu).

Теперь можно по формулам, приведенным выше, уточнить значения выход­ ных уровней напряжения U1 н U0 и определить максимальный ток /смаке через

АОІІ + Апр Именно для этого тока нагрузки и следует рассчитывать источник. Кроме того, следует сравнить ток / е маке и мощность, рассеиваемую на диоде, с допустимыми значениями.

Приведенный расчет носит ориентировочный, эскизный, характер. После вы­ бора номинальных значений и допусков на параметры следует проверить харак­ теристики ключа на худший случай (при самом неблагоприятном сочетании раз­ бросов его параметров) или произвести оценку вероятности того, что удовле­ творяются поставленные требования.

Рассматриваемая схема ключа может работать и с импульсны­ ми управляющими сигналами. Если длительность t„ этих импульсов и длительность паузы /п между ни­

ми превышают длительность пере­ и(t) с1 ходных процессов в ключе, то про­ цессы в ключе не отличаются от рассмотренных выше. Импульсные сигналы могут подаваться через раз­ делительные конденсаторы, как по­ казано в схеме на рис. 2.9. В этой схеме вместо источника Д0 приме­

нен импульсный источник u(t). Им­ пульс на выходе появляется при совпадении во времени импульсов е(і) и «(/); при этом важно, чтобы

время зацепления (т. е. длительность временного совпадения) этих импульсов было больше длительности переходных процессов в ключе.

2.2.2. ДИОДНО-РЕЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ (ДЛ)

Схема

Типовая схема диодного логического элемента (ДЛ) со мно­ гими т входами приведена на рис. 2.10. В этой схеме так же, как в одновходовом ключе, через Доп и ROB обозначены эквивалентные

73

Как и в случае элементарного ключа, возможны три стацио­

Если на все входы поданы высокие потенциалы Е 1 (код 1), то ПОТ6НЩІЭЛ На ВЫХ0Д6 £/вых == U1 будет высоким (код 1); если хотя бы на один из входов, например е2, подан низкий потенциал Е°

ней) и функцию ИЛИ для отрицательных сигналов (низких уров­ ней). Естественно, что при изменении полярности включения дио­ дов (и при Е ] > Е0и > Е°) та же схема окажется схемой ИЛИ для положительных сигналов и схемой И — для отрицательных.

Быстродействие схемы ДЛ определяется длительностью пере­ ходных процессов, обусловленных инерционностью диодов при переключении последних, и паразитными емкостями монтажа, на­ грузки и т. п.

Рассматриваемая m-входовая переключательная схема может работать с управляющими сигналами, заданными в форме потен­ циалов (уровней напряжения) или в форме импульсов; в послед­ нем случае из-за того, что длительность зацепления (т. е. дли­ тельность временного совпадения) входных импульсов может быть малой, учет длительности переходных процессов в схеме является существенным.

Статические режимы

Пусть выполняется условие (2.20); определим уровень напря­ жения «вых на выходе ДЛ [в точке А (рис. 2.10)] при условии, что

будут открыты и потенциал на выходе будет низким U0, вследствие чего диоды в k ветвях будут заперты.

74

По методу узловых потенциалов можно записать, что выходное напряжение, зависящее от числа k запертых и I отпертых диодов,

75

где и т — Д1— Е° — амплитуда входных перепадов.

При заданных (ДИвых)макс, параметрах диода, сопротивлениях генераторов напряжения е,- и числе входов т можно из ф-лы (2.29) определить требуемую амплитуду Umвх управляющих перепадов. Но чаще всего требуется определить величину R0 и допустимое число

гпыакс входов. Последнее можно оценить из условия ( т макс—1 ) - ^ - <

Представляют интерес токи, нагружающие источник управляю­ щих перепадов и источник смещения До-

76

ІОмакс = (Ео — Ниии)/Ro.

Нагрузка на управляющий источник максимальна тогда, когда открыт только один диод; при этом через соответствующий источ­ ник e(t) протекает ток /емакс равный сумме токов через сопротив­ ление Roa и через (т — 1) закрытых диодов:

при обратном напряжении Е 1— и°цакс и максимальной температуре. Именно на нагрузку током /емакс (2.30) и должны быть рас­

считаны управляющие источники.

Стабильность стационарных выходных уровней Диодной схемы совпадения зависит прежде всего от стабильности входных управ­

из входов напряжение увеличилось на ДЕ°, то напряжение на вы­ ходе возрастает примерно на АЕ°/т, что следует непосредственно из схемы, если учесть, что Rnp/m R0n. Тогда в маловероятном случае, когда имеют место синфазные и равные по величине при­ ращения ДЕ0 на всех т входах, приращение напряжения на выходе примерно равно ДЕ°.

Когда на всех входах действуют высокие потенциалы Е 1 и клю­ чевая схема работает в режиме В, влияние нестабильности вход­ ных уровней аналогично только что рассмотренному.

Если же ключевая схема работает в режиме С, то представ­ ляют интерес следующие случаи. При положительном приращении ДЕ1> 0 на одном из входов соответствующий диод закроется; од­ нако практически это не приведет к существенному изменению вы­ ходного напряжения, так как ветвь с закрытым диодом шунти­ руется (т — 1) ветвями с отпертыми диодами. Если же ДЕ1< 0, то выходное напряжение уменьшится на величину ДцВЫх и (т — 1) диодов запираются; величина Д«ВЫх определяется формулой, ана­ логичной (2.29), где вместо UmEX следует записать ДЕ1 и, очевидно, Д«вых того же порядка, что и ДЕ1.

Переходные процессы

Переходный процесс в многовходовой переключательной схеме при некоторых предположениях можно вычислить так же, как и в случае одновходового ключа.

77

Будем полагать, что прямое и обратное сопротивления диода при его переключении устанавливаются скачком, а барьерные емкости диодов, емкости нагрузки и монтажа учитываются одной суммарной выходной емкостью С0. Пусть в исходном состоянии на

напряжение изменяется скачком до Е°. В этом случае напряжение

определяющее минимальную величину выходного тока, заряжаю­ щего емкость G0 до уровня Е 1 за данный промежуток времени.

Аналогично можно определить длительность спада и нара­

стания /ф выходного напряжения при других возможных ситуа­ циях изменения входного напряжения и при других режимах ра­ боты ключевой схемы.

78

Если длительность фронта входных перепадов не равна нулю, как предполагалось выше, а имеет конечную величину /фВХ, то

роткие прямоугольные импульсы, то для нормальной работы диод­ ной схемы совпадения необходимо, чтобы длительность tilBx этих импульсов была не меньше длительности переходных процессов в схеме. Если /ІІВХ задано, то возможное число входов т, сопротив­ ления Ro, Ru, напряжение Е0 должны быть выбраны так, чтобы обеспечить условия нормальной работы схемы.

Расчет ДЛ

Полученные выше количественные соотношения позволяют произвести эскиз­ ный расчет или расчет на худший случай многовходовой диодной схемы. Есте­ ственно, что возможен ряд вариантов расчета в зависимости от того, какие параметры заданы и какие следует определить.

В основных чертах расчет многовходовой схемы производится следующим образом. Выбирают режим работы: А, В или С. В режиме С паразитный сигнал «помеха» на выходе (при несовпадении сигналов на всех m входах) минимален,

и в этом смысле режим является нанлучшим. Однако с точки зрения быстро­

Реализация различных переключательных функций при помощи диодных ключей часто осуществляется путем последовательного соединения логических элементов типов И, ИЛИ.

Пример подобной схемы приведен на рис. 2.11; принцип ра­ боты ее заключается в следующем. Последней ступенью на рис. 2.11а является схема ИЛИ положительных сигналов, т. е. на выходе, будет высокий уровень (или положительный перепад) на­ пряжения U1 «і Е1, если хотя бы на одном из ее m входов действует высокий уровень Е 1; на выходе будет низкий уровень U° Ä : Е° (т. е. не будет перепада напряжения) только тогда, когда на все входы схемы ИЛИ поданы низкие уровни Е° (в схеме ИЛИ Еох < Е° < < Ех\ при Е° = 0 Еоі отрицательно). Схема ИЛИ управляется в рассматриваемом случае выходными сигналами схем И; последние

79