Компьютерная Схемотехника |
2012 |
ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ НА БИПОЛЯРНОМ
ТРАНЗИСТОРЕ АЛГЕБРА ЛОГИКИ ПРИ АНАЛИЗЕ И СИНТЕЗЕ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
БАЗОВЫЙ
ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ТТЛ
ХНУРЭ, факультет КИУ, каф ЭВМ, Тел. 70-21-354. Доц. Торба А.А.
Компьютерная Схемотехника |
2012 |
ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ
•ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
•АЛГЕБРА ЛОГИКИ ПРИ АНАЛИЗЕ И СИНТЕЗЕ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
•ФУНКЦИОНАЛЬНО ПОЛНАЯ СИСТЕМА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
•БАЗОВЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ - ТТЛ
•ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИКИ ЭЛЕ- МЕНТОВ ТТЛ
•ПОВЫШЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕ- МЕНТОВ ТТЛ
ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Основным элементом вычислительных машин является ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ, имеющий два устойчивых состояния: «включен» - «выключен»; или «высокий уровень» - «низкий уровень». Условимся называть «низкий уровень» - ЛОГИЧЕСКИМ НУЛЕМ, а «высокий уровень» -
ЛОГИЧЕСКОЙ ЕДИНИЦЕЙ.
ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ может быть реализован на активных элементах: биполярных или полевых транзисторах, на туннельных диодах, на тиристорах и др. В интегральной схемотехнике наиболее широко используется электронный ключ на БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
|
|
|
+Ек |
|
|
Rк |
URк |
|
Скб |
|
|
|
|
Uвых |
|
Rб |
|
Скэ |
|
|
|
||
Uвх |
|
|
Uкэ |
|
|
|
|
|
Сэб |
|
|
Входной импульс напряжения Uвх положительной поляр- ности подается на базу тран- зистора VT через токо- ограничивающий резистор Rб.
Выходное напряжение в виде отрицательного импульса Uвых снимается с коллек- торной нагрузки Rк.
Междуэлектродные емкости транзистора показаны в виде конденсаторов Сбэ, Сбк, Скэ. Емкость нагрузки (Сн), а также паразитная емкость монтажа (См) объединены в конденсаторе
Скэ.
Транзисторный ключ может находиться в одном из трех режимах: РЕЖИМ ОТСЕЧКИ,
АКТИВНЫЙ РЕЖИМ, РЕЖИМ НАСЫЩЕНИЯ.
ВРЕЖИМЕ ОТСЕЧКИ оба перехода транзистора (база- эмиттер и база-коллектор) находятся в закрытом (не токопроводящем) состоянии.
ВАКТИВНОМ РЕЖИМЕ переход база-эмиттер открыт,
апереход база-коллектор - закрыт.
ВРЕЖИМЕ НАСЫЩЕНИЯ - оба перехода открыты.
Очень редко в некоторых схемах используется ИНВЕРСНЫЙ РЕЖИМ, при котором переход база-эмиттер
закрыт, а переход база-коллектор открыт.
На входной Вольт-Амперной характеристике (ВАХ) кремниевого биполярного транзистора выделим три области :
левее точки А - ОБЛАСТЬ ОТСЕЧКИ; через переход база- эмиттер протекает очень маленький (доли микроАмпер) тепловой ток неосновных носителей Iкб0;
нелинейный участок между точками А и В – КВАДРА- ТИЧНЫЙ УЧАСТОК (в некоторых книгах он называется -
ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ УЧАСТОК);
Iб,мА |
|
|
Iк,мА |
Iк макс |
|
|
|
|
|
|
|
1,2 |
|
|
|
|
|
1,0 |
|
Н |
|
Рк макс |
|
Iб нас |
|
|
|
|
|
|
|
Ек/Rк |
Н |
|
|
0,6 |
|
Iвх=Uвх/Rб |
|
||
|
|
|
|
||
0,4 |
|
|
|
|
|
Iкб0 |
|
|
Iкб0 |
Uкэ макс |
|
0,2 |
В |
|
|||
А |
|
О |
|
||
|
|
|
|||
|
0,4 0,6 0,8 Uбэ,В |
|
Ек |
Uкэ,В |
|
Входная Вольт-Амперная |
Выходная Вольт-Амперная |
||||
характеристика транзистора |
характеристика транзистора |
||||
относительно ЛИНЕЙНЫЙ УЧАСТОК (выше точки В), на котором ток базы резко возрастает при увеличении напряжения
Uбэ.
На выходной Вольт-Амперной характеристике (ВАХ) выделим
РАБОЧУЮ ОБЛАСТЬ, ограниченную:
сверху - максимальным током коллектора (Iкмакс);
справа - максимально допустимым напряжением коллек- тор-эмиттер (Uкэмакс);
а также ограниченную гиперболой максимально допустимой мощности рассеивания (Рк макс).
Впределах РАБОЧЕЙ ОБЛАСТИ строим НАГРУ- ЗОЧНУЮ ПРЯМУЮ, проходящую через две точки:
на горизонтальной оси через точку Uкэ = Ек;
на вертикальной оси через точку Iк = Ек / Rк.
На этой прямой выделим точку режима отсечки
«О» и точку режима насыщения «Н».
Между точками «О» и «Н» находится участок АКТИВ- НОГО РЕЖИМА работы транзистора.
Методы повышения быстродействия электронного ключа
1. Повышение быстродействия ключевых схем достигается
уменьшением времени перезаряда конденсаторов Сбэ, Сбк, Скэ и Сн за счет увеличения токов в схеме, т.е. за счет уменьшения номиналов резисторов Rк и Rб. Такое увеличение быстродействия ключевых схем сопровождается пропорциональным УВЕЛИЧЕНИЕМ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ.
2.В современных цифровых схемах значительно уменьшены номиналы конденсаторов Сбэ, Сбк, Скэ и Сн за счет уменьшения размеров интегральных транзисторов, что так- же позволяет повысить быстродействие интегральных схем.
3. Для повышения быстродействия ключевых схем желательно не доводить транзистор ДО НАСЫЩЕНИЯ, при этом время рассасывания будет равно нулю.
|
|
+Ек |
|
VD |
Rк |
|
|
|
Rб |
|
Uвых |
Uвх |
|
VT |
На рис. приведена схема ненасы- щенного электронного ключа с
ДИОДОМ ШОТКИ (VD) в цепи обратной связи.
ДИОД ШОТКИ реализован на переходе металл-полупроводник (p- типа или n-типа). Такой диод открывается при напряжении
0,1...0,2В.
Для насыщения электронного ключа необходимо, чтобы на переходе коллектор-база было открывающее напряжение не менее 0,4…0,5 В. Но включенный параллельно диод Шотки открывается и напряжение 0,1...0,2В не позволяет открыться переходу коллектор-база . Транзистор находится в активном режиме, и по окончании входного импульса закрывается, минуя стадию рассасывания неосновных носителей.
Лог “1” 
tФ2
tф1
Лог “0”
|
Максимальное |
быстро- |
|||
|
действие, т.е. минима- |
||||
|
льное |
расстояние |
между |
||
|
соседними импульсами |
||||
t |
определяется |
длитель- |
|||
ностью |
фронта |
нараста- |
|||
|
|||||
|
ния импульса и длитель- |
||||
|
ностью |
фронта |
спада |
||
|
импульса. |
|
|
||
4. Поэтому одним из путей повышения быстродействия является УМЕНЬШЕНИЕ АМПЛИТУДЫ ИМПУЛЬСОВ, т.е. уменьшение перепада напряжения между высоким логическим уровнем и низким логическим уровнем. Учитывая линейность нарастания и спада напряжения на фронтах импульсов, уменьшение расстояния между логическими уровнями приводит к уменьшению длительности фронтов импульсов, т.е. к повышению быстродействия.