- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
3.3. Быстродействие логических элементов
Быстродействие является важнейшим показателем цифровых устройств, определяющим скорость обработки информации. Быстродействие логических элементов характеризуется средним временем задержки сигнала tср, смысл которого поясняется на рис. 3.5 для случая инвертора.
а б
Рис. 3.5. Обозначение сигналов инвертора (а); принцип определения среднего времени задержки (б)
Быстродействие логических элементов зависит как от физических процессов переключения электронных компонентов, входящих в состав элемента, так и от скорости перезарядки паразитных внешних емкостей. На рис. 3.6 показан переход инвертора из состояния низкого уровня, когда напряжение на паразитной емкости нагрузки близко к нулю, в состояние высокого уровня, которое заканчивается не после запирания усилительного элемента (размыкание ключа), а после заряда емкости до напряжения высокого уровня. Очевидно, что имеет место и обратный процесс, когда после замыкания ключа низкий уровень устанавливается лишь после разряда емкости.
Естественно, что процессы переключения электронных элементов из одного состояния в другое сопровождаются потреблением мощности от источника питания Рп.
а б в
Рис. 3.6. Исходное состояние инвертора (а); процесс установления высокого уровня (б); процесс установления низкого уровня (в)
Ясно, что чем больше затрачивается мощность, тем быстрее может происходить переход элемента из одного состояния в другое. Технологически же приемы, обеспечивающие снижение времени переноса зарядов в объеме полупроводника и уменьшение паразитных емкостей, позволяют уменьшить время задержки переключения и без потребления значительной мощности. Поэтому показателем технологического совершенства логического элемента может служить энергия переключения Эп, рассчитываемая по формуле
.
Рассмотрим логические элементы распространенных серий с точки зрения скорости переключения и потребляемой мощности.
Классическим представителем ТТЛ-технологии является логический элемент И-НЕ, в котором по технологическим соображениям роль диодов, реализующих операцию И, выполняет многоэмиттерный транзистор VT1 (рис. 3.7).
Двухтактный выходной инвертор выполнен на однотипных (n-р-n) транзисторах VT3–VT4, поскольку по технологическим соображениям применение разнотипных (комплементарных) транзисторов в цифровой технике затруднено. Это обстоятельство приводит к необходимости фазорасщепителя (VT2). Транзисторы инвертора работают в режиме насыщения, а многоэмиттерный транзистор – в режиме малых токов. Все это ограничивает предельные значения времени переключения. Варьируя значение номиналовR1–R4, можно увеличить быстродействие за счет повышения потребляемой мощности. В табл. 3.1 приведены сравнительные параметры микросхем ТТЛ, демонстрирующие связь между потребляемой мощностью и быстродействием.
Таблица 3.1
Серия ТТЛ |
Параметр |
Допустимая нагрузка | ||||
Отечественная |
Зарубежная |
Рп, мВт |
tср, нс |
Эп, пДж |
Сн, пФ |
Rн, кОм |
К131 |
74Н |
22 |
6 |
132 |
25 |
0,28 |
К155 |
74 |
10 |
9 |
90 |
15 |
0,4 |
К134 |
74L |
1 |
33 |
33 |
5 |
4 |
Существенно повысить быстродействие без наращивания мощности удалось введением в схему ТТЛ элементов с переходами Шоттки (диоды Шоттки, транзисторы Шоттки), в которых отсутствует эффект перезаряда диффузионной емкости, приводившей обычно в диодах и транзисторах к задержке времени выключения. Эта серия получила название ТТЛШ. Эффект перехода на элементы Шоттки демонстрирует табл. 3.2.
Таблица 3.2
Серия ТТЛШ |
Параметр |
Допустимая нагрузка | ||||
Отечественная |
Зарубежная |
Рп, мВт |
tср, нс |
Эп, пДж |
Сн, пФ |
Rн, кОм |
К531 |
74S |
19 |
3 |
57 |
15 |
0,28 |
К555 |
74Ls |
2 |
9/5 |
19 |
15 |
2 |
К1531 |
74F |
4 |
3 |
12 |
15 |
0,28 |
К1533 |
74als |
1.2 |
4 |
4.8 |
15 |
2 |
Совершенствование технологии и оптимизация решений ТТЛШ элементов привели к дальнейшему улучшению показателей (табл. 3.2, серии К1531, К1533). Другим направлением повышения быстродействия является применение обычных транзисторов, технология которых проще, чем технология элементов Шоттки, но работающих в ненасыщенном режиме и с управлением не током базы, а током эмиттера. Из теории биполярных транзисторов известно, что ток коллектора (в преобразовании Лапласа) можно представить или в функции тока базы
,
или тока эмиттера
, .
Из известных соотношений для коэффициентов передачи тока эмиттера и тока базы
следует, что постоянная времени переходного процесса при управлении током эмиттера в (1 + ) раз меньше, чем при управлении током базы. Учитывая, что у современных транзисторов значение составляет несколько десятков единиц, понятен эффект перехода на управление током эмиттера. Исключение же режима насыщения и связанной с ним задержкой выключения делает такой вариант построения логического элемента достаточно эффективным. Рассмотренные выше идеи реализованы в логических элементах типа ЭСЛ (эмиттерно-связанной логики), основой которых является токовый переключатель (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Схема токового переключателя
Если входной сигнал Х имеет низкий уровень (меньше опорного напряжения U0), то VT1 заперт, VT2 – открыт и замыкает на себя весь ток генератора эмиттерного тока I0. На основном выходе при этом формируется сигнал низкого уровня, значение которого не зависит от параметров транзистора, что позволяет не вводить транзистор в режим насыщения. При высоком уровне входного сигналаХ1(1)>U0 транзистор VT2 запирается и ток I0 замыкается через VT1. На основном выходе формируется высокий уровень Y(1)=E. Независимость Y(0) и Y(1) от параметров транзисторов позволяет сделать логический перепад Y(1) – Y(0) очень малым (порядка 0,8 В), что уменьшает время перезаряда паразитных емкостей. Поскольку значение переключаемого тока I0 не зависит от входного сигнала, транзисторы работают в режиме заданного тока эмиттера. Отсутствие насыщения, управление током эмиттера, низкий стабильный логический перепад обеспечивают чрезвычайно высокое быстродействие элементов ЭЛС, превосходящее даже быстродействие ТТЛШ. Так, элементы ЭЛС серии К1500 имеют следующие параметры: tср = 0,75 нс, Рп = 40 мВт, Эп = 30 пДж. Реальные элементы ЭСЛ имеют несколько входных транзисторов (см. пунктир на схеме рис. 3.8), снабжены выходными повторителями напряжения, обеспечивающими высокую нагрузочную способность. Для повышения помехоустойчивости в ЭСЛ коллекторные цепи заземлены (питание от отрицательного напряжения).
Особую ветвь в схемотехнике цифровых устройств занимают логические элементы, построенные на технологии МДП (МОП) структур, которые обладают целым рядом достоинств: oтсутствием эффекта насыщения в открытом состоянии, что, во-первых, исключает процессы задержки выключения, а во-вторых, позволяет обеспечить режим переключения в широком диапазоне питающих напряжений; oтсутствием входного тока; удобством управления потенциалом затвора; технологическая возможность выполнения на одном кристалле транзисторов с разным типом канала (комплементарные транзисторы) позволила создать логические элементы, не потребляющие энергию от источника питания в статическом состоянии. И хотя время задержки переключения, определяемое перезарядом паразитных емкостей через достаточно большие сопротивления открытых слаботочных транзисторов, может быть существенно выше, чем у ТТЛШ и ЭСЛ элементов, КМОП-логика широко используется как наиболее экономичная, а совершенствование технологии позволяет приблизить быстродействие КМОП к ТТЛШ. На рис. 3.9 приведена схема инвертора КМОП-типа.
Транзистор VT1 – n-канальный, VT2 – р-канальный. Напомним, что n-канальный транзистор открывается и принимает минимальное сопротивление при положительном напряжении, а р-канальный – при отрицательном напряжении затвор-исток.
а б в
Рис. 3.9. Схема КМОП-инвертора (а); состояние высокого уровня (б); состояние низкого уровня (в)
Запираются оба транзистора, при напряжении затвор-исток, близко к нулю. Транзистор VT3 является входным другого КМОП-элемента, являющегося нагрузкой для данного. При низком уровне входного сигнала [Х(0)<<Е] транзистор VT1 заперт, VT2 открыт, т. к. на его затворе положительное напряжение меньше, чем на истоке. На выходе формируется высокий уровень Y(1)=E (рис. 3.9, б). При высоком уровне входного сигнала [Х(1)=Е] транзистор VT2 заперт, т. к. его напряжение затвор–исток практически равно нулю, а VT1 – открыт и на выходе формируется низкий потенциал (рис. 3.9, в). При отсутствии тока нагрузки (входного тока VT3) потребление энергии от источника в любом случае из двух статических состояний отсутствует.
С использованием комплементарных пар можно строить как элементы И-НЕ, так и ИЛИ-НЕ (рис. 3.10).
а б
Рис. 3.10. Варианты КМОП элементов И-НЕ (а), ИЛИ-НЕ (б)