Розділ 1 Цифрові ключі

У цифрових пристроях термін ключ означає формувач одного із двох можливих логічних рівней і із загальновживаним терміном, його пов’язує зміна внутрішнього опору активного пристрою в нелінійній схемі. Схемна реалізація ключів значно залежить від типу (і технології) активного елементу, який використовується в основі схеми. У цьому плані існують базові схемні конфігурації на основі біполярних і МДН транзисторах. Логічні елементи, побудовані з використанням концепції перемикачів струму, до цього часу залишаються найшвидкодіючими логічними елементами.

1. Перемикання найпростішого біполярного ключа

Конкретні значення параметрів процеса перемикання рівнів схемними елементами відіграють значну роль при визначенні продук-тивності обчислювальних засобів.

Затримки при перемиканні рівнів напруг на виході ключа мають два джерела:

-інерційність активних приладів (закрема, біполярного тран-зистора);

-кінцеві швидкості змінення струму (напруги) у реактивних елементах (індуктивностях і конденсаторах).

У свою чергу, частотні (а, виходить, і інерційні) властивості біполярного транзистора визначаються (в основному):

- інерційністю процесу дифузії неосновних носіїв через базу і зміною коефіцієнта інжекції;

- впливом ємності колекторного переходу (ефект Міллера, оскільки ця ємність на високих частотах реалізує від'ємний зворотній зв'язок (ВЗЗ) по напрузі);

- ефектами накопичення і розсмоктування зарядів.

Важливими є процеси, що відбуваються в найпростішому біполяр-ному ключі при впливі на вхід послідовно двох ідеальних стрибків напруги різних знаків (вмикання – перехід транзистора в низькоомний стан (насичення) і вимикання – відсічка). При цьому в перехідному процесі для вихідної напруги можна виділити п'ять етапів:

• затримка вмикання транзистора t_зт;

• час наростання колекторного струму (час фронту) t_ф;

• накопичення надлишкового заряду (статика);

• затримка вимикання транзистора (час розсмоктування) t_р;

• час спаду колекторного струму t_сп.

1. Затримка вмикання транзистора

При ідеальному стрибку вхідної напруги помітні змінення колекторного струму почнуться після того як потенціал бази транзистора перевищить деяку напругу, названою "граничною", що дорівнює напрузі U_бе при I_к = 0,03 І_К.Н (необхідно пам'ятати, що ми при спрощеному аналізі цифрових схем під граничною напругою розуміємо напругу близьку до U_{бе н.}). Напруга на базі не може змінитися миттєво, оскільки повинні змінитися заряди бар'єрних ємностей транзистора. На рис. 1 наведена еквівалентна схема ключа при аналізі часу затримки вмикання. Напруга на

базі транзистора визначається процесом заряду вхідної ємності

С_вх =С^*_е+С^*,

U_бе(t) = U_бе(0) + [U_бе() - U_бе(0)][1-exp(-t/C_вхR_б)],

де U_бе() - значення напруги на базі транзистора в сталому режимі, U_бе(0) – напруга на базі до початку процесу комутації. Звідси,

. (1)

2. Час формування фронту сигналу

Після того як напруга на базі ключового транзистора перевищить "граничну" напругу транзистор працює в нормальному активному режимі практично при постійному вхідному струму, оскільки на початку формування фронту I_б=(U^"1"-U₀)/(R_б+R_дж), на межі насичення I_б=(U^"1"-U_бе)/(R_б+R_дж), а значення U₀ і U_бе відрізняються незначно (R_дж - внутрішній опір джерела сигналу).

Еквівалентна схема аналізованого ключа при формуванні фронту сигналу зображена на рис.2 . Тут І_к=І_R-І_С-І_Сн,

.

Після диференціювання за часом і деяких перетвореннях, з огляду на те, що i_к(t)+(di_k/dt)=i_б(t) – рівняння, що описує динаміку колекторного струму в біполярному транзисторі [Л3], отримаємо

– неоднорідне лінійне диференціальне рівняння другого порядку з постійними коефіцієнтами.

Шуканий розв'зок якого може бути записаний у вигляді

.

Звідки, логарифмуючи, маємо

, (2)

або , де ,S - ступінь насичення. Відзначимо, що час фронту зменшується із зростанням часу насичення.