Экзамен микроэлектроника / Лекции / 11. ЭСЛ

Логические элементы на переключателях тока. Эмиттерно-связанная логика

Ранее в нашем курсе уже был рассмотрен логический элемент, выполненный на базе переключателя тока:

Напряжение называется опорным и поддерживается постоянным. Поэтому переключатель тока управляется не током, а напряжением. Другой особенностью переключателя тока является использование ненасыщенных транзисторных ключей, что повышает быстродействие.

Переключатель тока является основой ЭСЛ схем. Теперь рассмотрим его подробнее.

Статический режим переключателя тока.

Пусть входной сигнал . В этом случае оба транзистора открыты и в каждом из них протекает ток . Потенциал эмиттеров меньше потенциала на величину : .

Уменьшим потенциал базы на величину . Поскольку потенциал не меняется, напряжение уменьшится также на величину . При этом ток транзистора уменьшится в десятки раз. Значит, при входном сигнале транзистор будет заперт, а через транзистор будет протекать полный ток . Величину назовем запирающим потенциалом.

Если, наоборот, увеличить потенциал на величину , то вместе с ним на ту же величину возрастет потенциал эмиттеров и соответственно уменьшится напряжение ; при этом резко уменьшится ток транзистора . Значит, при входном сигнале транзистор можно считать запертым, а весь ток протекает через транзистор . Величину назовем отпирающим потенциалом.

Таким образом, перепад потенциала около средней величины Е обеспечивает переключение тока из одного транзистора в другой. Соотношения между отпирающим и запирающим потенциалами следующие:

Остановимся на открытом состоянии транзистора. Полагая, что транзистор работает в активном режиме и получаем для токов коллектора и базы известные соотношения:

Потенциал коллектора определяется выражением:

Для того, чтобы обеспечить активный режим, т.е. избежать насыщения нужно выполнить условие или . Подставляя в это неравенство значения и получим:

На практике данное нестрогое неравенство можно заменить равенством. Тогда условие ненасыщенного режима запишется в следующей форме:

Остаточное напряжение на коллекторе будет равно напряжению на БЭ переходе. Можно заметить, что потенциал коллектора не зависит от входного потенциала или изменений коэффициента и при стабилизированном напряжении питания единственной определяющей величиной будет сопротивление резистора .

Последовательное соединение переключателей тока. Переключатели тока могут работать в последовательных цепочках. При этом управляющий сигнал поступает на данный переключатель с коллектора предыдущего, а выходной сигнал данного переключателя поступает на базу следующего. Легко убедиться, что непосредственное соединение переключателей невозможно в такой цепочке. Поэтому приходится соединять их друг с другом через специальные согласующие схемы, называемые схемами сдвига уровня (см. рис.). простейший способ сдвига уровня – включение ЭДС между переключателями.

В этом случае при запертом транзисторе (в - ом переключателе) потенциал базы транзистора в -ом переключателе будет равен:

Эта величина должна быть больше с тем, чтобы транзистор был открыт. Выполнение условия не вызывает затруднений.

Если же транзистор (в - ом переключателе) открыт, то потенциал базы транзистора в -ом переключателе будет равен:

И эта величина должна быть меньше с тем, чтобы транзистор был закрыт. Оба эти условия накладывают определенные ограничения на ЭДС . Подставим в последнее уравнение значение из предыдущих рассуждений:

Подставляя в неравенство полученную величину и значение нетрудно получить указанное ограничение:

.

Источник тока можно реализовать разными способами. Наиболее простым является использование резистора .

Если открыт транзистор , то ток определяется соотношением:

Если открыт транзистор , то ток определяется соотношением:

Как видим ток при переключении изменяется на величину . Чтобы это изменение было пренебрежимо малым, необходимо выполнение условия:

или .

Логические элементы ЭСЛ типа

В основе ЭСЛ схем лежит переключатель тока. Отличие в том, что в одно плечо переключателя включено параллельно несколько транзисторов (транзисторы и ).

Эти транзисторы равноправны в том плане, что отпирание любого из них или их обоих приводит к переключению тока из правого плеча схемы в левое. Поэтому ЭСЛ схемы выполняют логические функции ИЛИ-НЕ (а также функцию ИЛИ).

Эмиттерные повторители и играют роль схем сдвига уровней, о которых говорилось ранее. Как уже отмечалось, без такого смещения ЭСЛ элементы не могут работать совместно. Подставляя в условие и полагая , убеждаемся, что при наличии повторителей цепочка ЭСЛ работоспособна.

Пусть на оба логических входа (А и В) поданы запирающие нулевые уровни . Тогда в соответствии с функцией ИЛИ-НЕ напряжение на выходе С будет единичным уровнем . Учитывая, что транзисторы и закрыты, т.е. , найдем уровень логической единицы:

Пусть теперь на один из входов, например, А, подан отпирающий единичный уровень . Тогда напряжение на выходе С примет значение . Положим, что открытый транзистор находится на границе насыщения, т.е. . Тогда напряжение на выходе будет:

.

Найдем значение логического перепада:

.

Опорное напряжение выбирается равным полусумме уровней и , т.е.

При этом уровни и расположены симметрично на расстоянии .

Рабочий ток оценивается из равенства , обеспечивающего граничный режим открытого транзистора. Подставляя в это равенство и значение получаем:

Сопротивление выбирают из условия:

Для обеспечения максимального быстродействия. – время жизни неосновных носителей в базе транзистора.

Из схемы можно заметить, что одним из преимуществ ЭСЛ схем является то, что они выполняют сразу две логические функции: основную, и её инверсию: ИЛИ-НЕ/ИЛИ. Логические элементы с эмиттерной связью являются одними из самых быстродействующих. Их используют в сверхбыстродействующих цифровых устройствах.

Базовый элемент ЭСЛ. Статический режим

Схема базового элемента ЭСЛ приведена на рисунке ниже.

В схеме базового элемента можно выделить следующие основные части:

• Переключатель тока (транзисторы и ). Реализация логической функции обеспечивается несколькими транзисторами .

• Генератор тока , образованный источником и резистором .

• Источник опорного напряжения , образованный делителем и эмиттерным повторителем . Диоды обеспечивают температурную компенсацию тока при изменении падений напряжений на БЭ переходах транзисторах , и . Резистор служит для увеличения тока эмиттера и, как следствие, увеличение его коэффициента усиления по току и улучшения частотных параметров.

• Схемы сдвига уровней: эмиттерные повторители и .

9