7. Элементная база статических ЦИС на биполярных транзисторах

Логическим элементом (ЛЭ) называется электронная схема, выполняющая простейшую логическую операцию.

ЛЭ используют в большинстве ЦИС, и наряду с элементами памяти они являются основными элементарными "кирпичиками", которые во многом определяют параметры схем.

7.1. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ)

Основная логическая функция РТЛ-элемента - инверсия, но можно построить функцию ИЛИ-НЕ, подавая сигналы на параллельно включенные входные транзисторы (рис.7.1).

Рис.7.1. Логическая функция, реализуемая РТЛ-элементом: а - с одним входом (НЕ); б - с двумя входами (ИЛИ-НЕ)

Самостоятельно РТЛ-элемент используется редко, однако является составной частью большого числа других биполярных схем. На рис.7.2 представлена электрическая схема РТЛ-элемента с тремя входами.

87

Рис.7.2. Электрическая схема РТЛ-элемента с тремя входами

В табл.7.1 приведена его таблица истинности. При считывании логической функции для F = 1, когда А = 0, B = 0, С = 0, получим:

F = A × B × C = A + B + C .

Таблица 7.1

Таблица истинности РТЛ-элемента

При входных напряжениях, равных U0, все транзисторы находятся в НАР с IЭ ~ 0. Поэтому ток не протекает через R4 и на выходе элемента напряжение UИП (без нагрузки), определяющее U1 (см.

рис.7.2).

Если хотя бы на один вход задано высокое напряжение U1, соответствующий транзистор начинает работать в НАР с током IЭ и быстро переходит в РН. Выходное напряжение определяет транзистор, работающий в РН U0 = UКЭН.

Можно построить функцию ИЛИ-НЕ, подавая сигналы на параллельно включенные входные резисторы. В этом случае реализу-

88

ется МОНТАЖНОЕ "ИЛИ" на втекающих токах базы транзисто-

ра (рис.7.3).

UИП

R4

A R1

F

B R2

T1

C R3

Рис.7.3. РТЛ-элемент с параллельно включенными входными резисторами

7.1.1. Характеристики РТЛ

Для анализа режимов работы транзистора и построения характеристик достаточно рассмотреть одновходовую схему РТЛэлемента (рис.7.4).

UИП

R2

UВЫХ

UВХ R1

T1

Рис.7.4. Одновходовая электрическая схема РТЛ-элемента

Входная и передаточная характеристики РТЛ-элемента. Ана-

лиз необходимо проводить для диапазона изменения входного напряжения от UВХ = 0 В до UВХ = UИП.

89

В точке А при UВХ = 0 В, Т1 работает в РО, так как переход Б-Э находится под нулевым смещением, а переход Б-К - под обратным смещением.

UБЭГР , ток через переход Б-Э практически не течет, транзистор работает в НАР с IЭД = IЭД0 ≈ 0. На рис.7.5 показана эквивалентная

схема РТЛ-элемента для расчета IВХ и UВЫХ. Запишем систему уравнений:

UВХ = ΙВХ (R1+ rБ ) +UБ Э ;

ΙВХ = ΙБ = (1− αN )ΙЭД ;

Так как на участке АВ IЭД ≈ 0, то IВЫХ = IК ≈ 0 и UВЫХ = UИП

(рис.7.6).

На участке ВС транзистор работает в НАР с током IЭД > 0. Граничное условие, при котором изменятся характеристики и режим

работы транзистора, определяется как UВХ = UБЭГР . Следовательно, на этом участке справедливы эквивалентная схема и все уравнения предыдущего участка. После точки В ток эмиттерного диода возрастает по экспоненциальной зависимости и выходное напряжение падает. При учете сопротивлений в цепи базы входная характеристика приобретает заметно линейный (омический) характер (см. рис.7.6).

90

Такая задача решается методом последовательных приближений. Точка PП - пороговая точка передаточной характеристики, при

которой UВХ = UВЫХ = UП = UБЭН. Граничное условие для точки C определяется условием перехода транзистора в РН (UБК = 0)

(рис.7.7):

IК = UИП -+UБЭН

R2 rК .

91

UИП

R2

UВЫХ

rК

Рис.7.7. Эквивалентная схема РТЛ-элемента, когда транзистор работает в РН

Однако на участке CD при UБК £ U коллекторная область не будет инжектировать носителей и IКД = IКД0 » 0, тогда уравнения для описания входной и передаточной характеристик на этом участке будут такими же, как и на предыдущем участке. Граничное условие для определения входного напряжения в точке D:

На участке DE, когда UБК ³ UБКГР , для анализа схемы необходимо использовать соответствующую режиму насыщения полную схему Эберса - Молла (см. рис.7.7). График передаточной характеристики на этом участке можно строить только при помощи итерационного метода.

92

UВЫХ = UКЭН + IКrК = UБЭ -UБК + IКrК =

Максимальные значения токов рассчитываются с учетом сопротивлений областей коллектора и базы соответственно

Выходная характеристика РТЛ-элемента. Выходных характе-

Когда на входе 1, транзистор работает либо в РН при малых UВЫХ,

либо в НАР при больших UВЫХ (см. рис.7.8,а). Выходной ток определяется коллекторным током транзистора (рис.7.9,а).

IВЫХ = IК - IR2 ~ IК .

Когда на входе 0, транзистор работает в НАР с нулевым током и величину выходного тока определяет только резистор коллекторной цепи R2 (см. рис.7.8,б). Уравнение выходной характеристики определяется по закону Ома (рис.7.9,б):

IВЫХ = IR2 = UИП -UВЫХ .

R2

93

а

Рис.7.8. Эквивалентные схемы РТЛ-элемента для получения выходной характеристики U1ВХ (а) и UВХ0 (б)

Рис.7.9. Выходная характеристика РТЛ-элемента: а - U1ВХ ;

б- UВХ0

7.1.2.Влияние нагрузки на передаточную характери-

стику

Рассмотрим влияние нагрузочных элементов на работу РТЛ-

элемента (рис.7.10,а). При UВХ = UВХ0 транзистор Т1 работает в НАР с IЭД = 0:

94

IН' N

а

Рис.7.10. Влияние нагрузки на работу РТЛ-элемента: а - электрическая схема РТЛ-элемента с нагрузкой; б - передаточная характеристика

С увеличением коэффициента разветвления по выходу N логиче-

ский уровень выходного напряжения U1ВЫХ понижается. UВЫХ0

95