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

образуются на выходах Л2, А3 ... в зависимости от состояний вхо-

3. В схеме ИЛИ положительных сигналов, очевидно, наиболее неблагоприятным с точки зрения длительности фронтов будет сле­ дующий случай: на всех (т — 1) входах — низкий потенциал Е°, только на одном входе (например, на «11») — высокий, Еі, и в не­ который момент времени t = 0 напряжение на этом входе скачком

80

Естественно, что можно сначала вычислить из ф-лы (2.36) ве­ личину Rou а затем найти Іоі-

A. Находим ток нагрузки в схеме И.

Ток, нагружающий схемы Иь будет максимален при условии,

В этом случае ток через диод Дц равен сумме токов через ре­

81

/0 — 1 мА входной ток / 21 равен 8,5 мА. При увеличении числа сту­

схем; в этом смысле использование переключательных схем на транзисторах или других активных элементах предпочтительнее. Впрочем, как правило, и диодные схемы обычно применяются в совокупности с транзисторными усилителями.

‘) Заметим, что в рассматриваемом случае емкости Соі и С02 оказываются

если £ 02 > 0, £ 0і < 0, то необходимо, чтобы R01 > £ 02.

82

2.2.4. ДИОДНО-ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ КЛЮЧИ

Наряду с рассмотренными выше диодно-резисторными ключами в импульсных устройствах широко применяются диодно-трансфор­ маторные ключи. Используемые в схемах диодно-трансформатор­ ных ключей импульсные трансформаторы позволяют получить тре­ буемые полярность и амплитуду выходных импульсов. Рассмотрим некоторые схемы таких ключей.

Импульсно-потенциальная схема диодно-трансформаторного вентиля приведена на рис. 2.12а; на вход А поступают импульсы e{t), а на вход В — управляющее напряжение uY(t). При иу — Е° импульсы е(і) отпирают диод Д и на выходе С создается импульс требуемой полярности. При иу(і) = Е 1_и действии импульсов e(t) диод Д не отпирается, ток в первичной обмотке отсутствует и на выходе импульс не создается. На рис. 2.126 приведен вариант вен­ тиля (схемы И), в котором импульс на выходе создается только при совпадении во времени импульсов е{ (і) и e2 (t) (величина Е0 выбрана равной амплитуде входных импульсов). Диодно-транс­ форматорная схема, реализующая функцию ИЛИ, приведена на рис. 2.12s; если хотя бы на один вход (А или В) подан импульс, то на выходе С появится импульс требуемой полярности.

Расчет диодно-трансформаторных ключей сводится к выбору диодов и расчету трансформаторов; выбор диодов производится так же, как и для диодно-резисторных ключей; расчет импульсного трансформатора приведен в разд. 1.7.

2.3. НАСЫЩЕННЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ, КЛЮЧИ НА ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПАХ

2.3.1.НАСЫЩЕННЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

СОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ. СТАТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ

Схема

Рассмотрим транзисторные ключевые схемы на биполярных транзисторах (диффузионных и дрейфовых) типов р-п-р и п-р-п. Будем в основном рассматривать схемы на дискретных транзисто­ рах типа р-п-р (переход к схемам на транзисторах типа п-р-п сво­ дится лишь к изменениям на обратные полярностей включения источников питания; в тех случаях, когда такой переход связан с какими-либо другими схемными или расчетными изменениями, они особо оговариваются). В интегральных схемах (ИС) применяются, как правило, транзисторы типа п-р-п.

В импульсных устройствах используются все основные схемы включения транзистора — ОЭ («общий эмиттер»), ОБ («общая база»), ОК («общий коллектор»), схема «звезда» (схема вклю­ чения, когда ни один из выводов электродов транзистора не

83

заземлен, т. е. не является общей точкой) п инверсная схема вклю­ чения, в которой меняются функциями эмиттер и коллектор тран­ зистора. Однако наибольшее применение получили транзисторные ключи ОЭ, и поэтому они рассматриваются ниже наиболее подроб­ но; особенности же ключей других типов — ОБ, ОК, «звезда» — будут отмечены в той мере, в какой это необходимо для понима­ ния принципов работы некоторых импульсных устройств.

Рис. 2.13

Принципиальные схемы ключа ОЭ на транзисторах типов р-п-р и п-р-п показаны на рис. 2.1а, б; там же указаны выбранные положительные направления токов и напряжений.

Эквивалентные схемы и статические характеристики биполярного транзистора

На рис. 2.14а приведена известная [9] упрощенная эквивалент­ ная схема транзистора типа р-п-р с эмиттерным входом, а на рис. 2.146 — с базовым входом (эквивалентные схемы транзистора типа п-р-п аналогичны). В этих схемах коллекторный и эмиттерный переходы транзистора представлены соответствующими дио­ дами, включенными между точками Б' — К и Б' — Э. Взаимодей­ ствие между переходами отражено в эквивалентных схемах вклю­ чением генераторов токов. Резисторы г' и г', показанные пунктиром,

представляют собой объемные сопротивления низкоомных слоев коллектора и эмиттера (обычно порядка 1Ом) и, как правило, в дальнейшем не учитываются. Резистор Лб представляет в схеме объемное сопротивление слоев базы транзистора (практически у большинства І^анзисторов гб = 100-н200 0м).

Эквивалентной схеме рис. 2.14а соответствуют уравнения токов:

(2 .3 8 а )

Ій—

64

где Ua, UK— соответственно напряжения на эмиттерном и коллек­ торном переходах (т. е. напряжения между точками Э — Б' и К—Б'), приблизительно равные напряжениям иэб и «Кб между со­ ответствующими выводами (электродами) транзистора, если пре­ небречь падением напряжения на объемных сопротивлениях; ток /ко — тепловой ток коллектора при обрыве эмиттера {іа — 0 ) и.

при достаточно большом запирающем напряжении коллекторного-

85.

где ß = а /(1 — а ) — коэффициент передачи тока базы при нор­ мальном включении1); ßj = a / / ( l — а і) — коэффициент передачи тока базы при инверсном включении.

Нетрудно преобразовать ур-ния (2.38) к уравнениям, в которых токи і'э, гк, г'б выражены как явные функции напряжений на пере­ ходах U0, UK и тепловых токов; последние уравнения называются уравнениями Эберса — Молла:

Можно, наоборот, выразить напряжения на переходах в виде явных функций токов, например:

Для анализа работы транзистора в схеме оказываются полез­

Уравнения Эберса — Молла аналитически описывают стати­ ческие характеристики идеального транзистора; в них фигурируют напряжения на переходах, отличающиеся от напряжений между внешними выводами реального транзистора (из-за наличия объем­ ных сопротивлений r', г', г£) и не учитываются, в частности, токи

утечки через переходы.

Однако в первом приближении характеристики реального и идеального транзисторов близки и, кроме того, зная характери­ стики последнего, нетрудно в соответствии с эквивалентной схемой учесть напряжения на слоях и построить характеристики, более

-аппроксимируются кусочно-ломаными, и усредненные сопротивле­

1) В настоящей книге через ß обозначены и интегральная и дифференциаль­ ная величины коэффициента передачи тока базы.

В6

ния диодов (/•„, гэ) учитывают в эквивалентной схеме включением соответствующих резисторов.

Эквивалентные схемы и соответствующие им уравнения можно использовать не только для расчета статических режимов транзи­ сторов, но и для анализа переходных процессов, если учесть вре­ менные зависимости коэффициентов передачи ß, ос, обусловленные инерционностью транзистора, и барьерные емкости коллекторного (Ск) и эмиттерного (Сэ) переходов.

На рис. 2.15а приведено семейство типичных выходных стати­

Рис. 2.15

нию Кирхгофа для схемы ОЭ (рис. 2.13): Ек = iKRK'+ 1ик\. Коор­ динаты (7К, Uк) точек пересечения нагрузочной прямой с характе­ ристиками транзистора определяют режимы схемы. На рис. 2.156 приведена входная характеристика транзистора /б = /(цб, ик).

Особенности модели транзисторов ИС

Биполярные транзисторы в интегральных схемах являются дрей­ фовыми транзисторами, обычно типа п-р-п [последнее обусловлено в основном преимуществами технологии производства транзисторовтипа п-р-п, а также лучшими частотными свойствами этих транзи­ сторов вследствие большей подвижности неосновных носителей (электронов) в кремниевой базе].

По способу изоляции различают две структуры биполярных транзисторов: транзисторы, изолированные диэлектрическим (обычно Si02) слоем (рис. 2.16а), и транзисторы, изолированные обратно смещенным переходом (рис. 2.166). Для конструкции транзисторов ИС характерно то, что все контакты к различным областям транзистора (эмиттеру, базе, коллектору) располагаются на поверхности кристалла ИС; это приводит, в частности, к тому,

87

что объемное сопротивление коллектора имеет относительно боль­ шую величину, чем в дискретных транзисторах.

Рассмотренные выше приближенные модели (эквивалентные схемы, уравнения Эберса—Молла) отражают физические процессы и описывают соотношения между токами и напряжениями не толь­ ко в дискретных, но н в интегральных транзисторах с диэлектри­ ческой изоляцией. Интегральный же транзистор, изолированный

р-п-р, в котором роль коллекторного перехода выполняет изолирую­ щий м-р-переход. На практике подложка (p-область) транзистора при помощи специального вывода подключается к точке с самым

Рис. 2.16

низким потенциалом в схеме. Поэтому /г-р-переход коллектор—■ подложка во всех режимах работы схемы оказывается смещенным в обратном направлении и этим достигается изоляция транзистора.

Однако этот закрытый переход оказывает определенное влияние на характеристики основного транзистора, что п будет отмечено ниже при рассмотрении статических и переходных режимов.

Статические режимы ключа

В ключевых схемах используются два статических режима: ре­ жим выключения, когда транзистор закрыт, и режим включения — режим открытого транзистора; в последнем случае транзистор ра­ ботает либо в активной области, либо в области насыщения.

Управление ключом осуществляется подачей уровней напряже­ ния Е° и Е1: при подаче на вход уровня Е° ключ выключен, а при подаче уровня Е1 — включен. При этом рассматриваемый ключ реа­ лизует логическую функцию инвертора (элемента НЕ): сигналу О (т. е. низкому уровню Е°) на входе соответствует сигнал 1 (высо­ кий по абсолютному значению уровень напряжения) на выходе и, наоборот, сигналу 1 (т. е. Е ') на входе соответствует 0 на выходе.

Рассмотрим свойства и параметры ключа ОЭ в статических ре­ жимах.

Р е ж и м в ы к л ю ч е н и я . В режиме выключения оба р-я-пере- хода транзистора — коллекторный и эмиттерный — смещены в об­

88

ратном направлении. Транзистор типа р-п-р будет выключен, если

Практически в импульсных устройствах на дискретных компо­ нентах применяется обычно так называемый режим глубокой от­ сечки, когда обратное напряжение на переходах во много раз больше температурного потенциала срт, т. е. когда |^ к|^>срт и

объемных сопротивлениях. Поэтому очевидно, что при обратных напряжениях | И ь ю \ = (3 -г- 5)фт и | ^ б к з | = (3ч-5)фт можно счи­ тать, что выключенный транзистор работает в режиме глубокой от­ сечки. При комнатной температуре [Т = 300 К) температурный по­ тенциал для германиевых транзисторов фт » 0,026 В и, следователь­ но, пороговые уровни |£/боэ| и |£/бкз| запирающих напряжений на переходах в режимах глубокой отсечки равны примерно 0,1 В.

следовательно, в режиме выключения токи базы и эмиттера отрицательны, т. е. текут в направлениях, обратных выбранным на рис. 2.13. При этом ток базы равен по абсолютной величине

89