Экзамен микроэлектроника / Лекции / 12. ЭСЛ_Статика

Статические характеристики ЭСЛ

ЭСЛ схемы являются наиболее быстродействующими: 150 МГц уже в первых образцах 60-х годов и 0,5…2 ГГц в 70—80-х.

Недостатками ЭСЛ, как стало очевидным, являются слабая помехоустойчивость. Поэтому, для снижения влияния помех в ЭСЛ микросхемах могут применять следующие приемы:

1. С корпусной шиной в ЭСЛ микросхемах соединен положительный вывод питания, а не отрицательный, как в других ЛЭ. При таком подключении чувствительность логического элемента к помехам по питанию (отрицательному) ослабляется благодаря наличию генератора стабильного тока и чем выше степень его стабилизации тем сильнее ослабляется эмиттерный синфазный сигнал помехи.

2. Порог переключения ЭСЛ логического элемента стабилизируется с помощью источника опорного напряжения (ИОН), который фиксирует напряжение на базе одного из транзисторов дифференциального переключателя тока.

3. Корпусная шина питания (положительного) маломощных чувствительных каскадов микросхем развязана от корпусной шина питания мощных выходных повторителей, являющихся основными источниками помех.

4. Сопротивления нагрузки выходных эмиттерных повторителей подключаются не к шине отрицательного питания, а к отдельному источнику смещения. Напряжение источника смещения меньше, чем на шине отрицательного питания, поэтому мощность, рассеиваемая этими сопротивлениями нагрузки, практически на порядок снижена.

Как было отмечено ранее, важным достоинством ЭСЛ схем является наличие инверсных выходов, реализующих логическую функцию и её отрицание. Для обеспечения ещё больших логических возможностей, в частности реализации монтажного ИЛИ по выходам, выводы и делают изолированными, что позволяет объединять несколько эмиттеров различных ЛЭ и подключать к ним только один резистор .

Проанализируем принцип работы и статические характеристики ЭСЛ, используя заданные параметры элементов схемы.

Пусть заданы следующие значения элементов:

; ; ; ; ; , (в активном или насыщенном режиме) и .

Передаточная характеристика.

Рассмотрим процесс переключения тока в транзисторах и . При анализе предполагается, что подается на базу одного из транзисторов а на базы остальных транзисторов подается напряжение логического нуля , поэтому они все закрыты. Для контура {база – точка Э – база ()} можно записать следующее уравнение по второму закону Кирхгофа:

(1)

Потенциалы на переходах БЭ транзисторов и выразим через токи, протекающие в них, пренебрегая объемным сопротивлением базы .

Где – напряжение на переходе БЭ, расчетный или справочный параметр, характерная точка, базовое значение на переходе при заданном токе или , – некоторый коэффициент пропорциональности, учитывающий токи утечки, токи рекомбинации и т.д. Эти уравнения получены из уравнений вольт-амперной характеристики прямосмещенного p-n перехода.

Подставляя эти уравнения в ранее приведенное выражение получим:

(2)

Ширину активного участка переключения тока примем равной . Примем тогда и и получим, что . Таким образом, ширина активного участка составит , что при составит 132мВ. Считая, что один из транзисторов переключателя закрыт, когда если ток его эмиттера составляет 1% , то найдем из (2), что транзисторы полностью переключаются, когда входное напряжение изменяется в диапазоне .

Учитывая, что , можно построить график изменения и на участке переключения тока. Так как напряжения и на участке переключения тока меняются от 0 до –0.9В.

Входное напряжение, при котором токи эмиттеров равны, т.е. , называется пороговым. Очевидно, что оно равно опорному напряжению, . Если , то а , т.к. в этом случае не зависит от . Потенциал эмиттеров Э в этом диапазоне входного напряжения . При транзистор закрыт и . Проанализируем как изменится при . В этом диапазоне для токов и справедливы соотношения:

;

Тогда для можно записать:

При увеличении напряжение уменьшается, что может привести к насыщению транзистора . Приняв за границу «технического насыщения» определим , при котором транзистор войдет в насыщение.

;

Отсюда

;

Итак, при транзистор насыщен. Учитывая сделанные ранее допущения, можно записать, что , а . Смещая графики и на величину , получим графики и , т.е. передаточные характеристики. Отложим на оси значения и . Значения выходных напряжений тогда будут равны соответственно:

Видно, что значения логического нуля для выходов ЭСЛ различаются из-за того, что . Поэтому, для того, чтобы сделать их одинаковыми нужно реализовать неравенство . Приравняем токи :

Отсюда определим соотношение при котором :

На рисунке характеристики при новых значениях показаны штриховой линией. Видно, что при этом увеличивается диапазон входных напряжений, при которых транзистор работает в активном режиме.

Входная характеристика.

Проанализируем входную характеристику. При транзистор закрыт и входной ток будет равен . Рассмотрим теперь участок переключения тока.

Из выражения (2) с учетом того, что и можно переписать выражение для :

.

Определим входное сопротивление элемента ЭСЛ на участке переключения тока:

При , т.е. когда токи эмиттеров равны имеем:

Учитывая, что а последнее выражение можно переписать в виде:

Подставив числовые значения, получаем . Входной ток при

.

В диапазоне входная характеристика определяется соотношением (активный режим работы транзистора):

Входное сопротивление в данном диапазоне .

В диапазоне транзистор насыщен и расчетная схема для определения входной характеристики имеет вид:

Токи эмиттера и коллектора определяются следующим образом:

Тогда согласно первому закону Кирхгофа входной ток может быть найден следующим образом:

;

Входное сопротивление для этого случая:

Входная характеристика изображена на рисунке. Как видно, она имеет четыре характерных участка:

9