Магнитодиод

Магнитодиод – это прибор на основе одного p-n перехода, ток которого при прямом включении заметно зависит от величины и направления внешнего магнитного поля.

У

Рис.42

стройство магнитодиода:

- Область повышенной рекомбинации.

Работа магнитодиода:

1. Н=0 (Н – напряженность магнитного поля). Отсутствует внешнее магнитное поле.

Рис.43

1

2

3

2. Н≠0 – магнитное поле направлено от нас.

Рис.44

На движущиеся дырки действует сила Лоренца (правило левой руки - ПЛР), поэтому дырки движутся по траектории 2 и накапливаются в слое II, то I_пр↑.

3. Н≠0 – магнитное поле направлено к нам. Под действием силы Лоренца дырки попадают в область I и в создании тока не участвуют и I_пр↓.

Уго магнитодиода

Рис.45

Магнитодиоды применяются как датчики для измерения параметров магнитных полей.

Также существуют магнитотиристоры и магнитотранзисторы.

Тема 2.3 Цифровая микросхемотехника

1. Назначение и классификация цифровых микросхем (цимс)

2. Основные параметры ЦИМС

3. Базовый элемент и особенности микросхем ТТЛ (транзисаторно-транзисторная логика)

4. Особенности микросхем ЭСЛ (эмиттерно-связаной логики)

5. Особенности микросхем КМДП (логика на комплиментарных полевых транзисторах с изолированным затвором и встроенным или индуцированным каналом)

6. Особенности микросхем И²Л (инжекционно-интегральной логики).

1. ЦИМС или логические микросхемы предназначены для выполнения разнообразных логических функций; запоминания информации и ряда других операций в совокупности обеспечивающих возможность построения отдельных блоков ЭВМ.

Наибольшее распространение получили ЦИМС на биполярных и полевых МДП транзисторах.

Классификация:

1. По виду сигнала:

1. импульсные цифровые микросхемы, имеют динамические входы и реагируют только на изменение входных напряжений:

1. от 0 к 1 – прямой динамический вход

2. от 1 к 0 – инверсный динамический вход

1. потенциальные ЦИМС, имеют статические входы и реагируют на наличие 0 или 1:

1. рабочее напряжение 1 – прямой статический вход

2. рабочее напряжение 0 – инверсный статический вход

3. импульсно-потенциальные цифровые микросхемы – имеют как статические, так и динамические входы.

2. По типу основной логической схемы:

2.1) ЦИМС ТТЛ- транзисаторно-транзисторная логика.

2.2) ЦИМС ЭСЛ - эмиттерно-связаная логика

2.3) ЦИМС КМДП; “n”-МДП; “p”-МДП

2.4) ЦИМС И²Л

3. По типу используемых транзисторов:

3.1) ЦИМС на биполярных транзисторах;

3.2) ЦИМС на полевых транзисторах.

2. Основные параметры ЦИМС:

Основные параметры являются общими для всех существующих и возможных в будущем логических микросхем. Они позволяют сравнить между собой ЦИМС различных типов.

Параметры ЦИМС:

1. реализуемая логическая функция – в маркировке две буквы (группа, подгруппа)

2. нагрузочная способность микросхем – это свойство характеризуется коэффициентом разветвления по выходу – это максимальное число однотипных входов микросхем, которые можно подключить одновременно к данному выходу микросхем.

3. Коэффициент объединения по входу (Коб, m) – характеризует нагрузочную способность микросхемы по входу – это наибольшее число однотипных выходов, которые можно подключить одновременно к данному входу. Как правило, Коб бывает до 10.

4. Среднее время задержки при передаче сигнала в микросхеме t_{задержки среднее} = (t¹⁰_зад.+t⁰¹_зад.)/2

t¹⁰_зад. – перепад напряжения от 1 к 0

t⁰¹_зад. – перепад напряжения от 0 к 1

Быстродействие также характеризуется предельной рабочей частотой f_пр – это наибольшая частота следования импульсов на входе при котором еще сохраняется работоспособность микросхем f_пр=1/t_зад.ср.

5. Статическая помехоустойчивость – характеризуется напряжением помехи:

U_п – это максимально допустимое напряжение помехи действующее на данную микросхему на входе или в цепи питания при котором работоспособность микросхемы еще сохраняется.

Помехоустойчивость также характеризуется коэффициентом помехоустойчивости:

К_П = U_П / _ΔU_min ,

где _ΔU_min = U¹_min – U⁰_max ; _ΔU_min – минимальный перепад логических уровней. U¹_min – наименьшее значение напряжения логической единицы. U⁰_max –максимальное значение напряжения логического нуля.

6. Потребляемая мощность

Р_{ср.потреб} = (Р⁰_потреб + Р¹_потреб) / 2

по средней потребляемой мощности ЦИМС различают(четвертый признак классификации): a) мощные ЦИМС: 25 мВт < Р_{ср.потреб} ≤ 250 мВт b) ЦИМС средней мощности: 3 мВт < Р_{ср.потреб} ≤ 25 мВт c) маломощные ЦИМС: 0,3 мВт < Р_{ср.потреб} ≤ 3 мВт d) микромощные ЦИМС: 1 мкВт < Р_{ср.потреб} ≤ 300 мкВт e) нановатные ЦИМС: Р_{ср.потреб} < 1 мкВт

7. Для ЦИМС также указывают предельное значение входных и выходных напряжений, токов, сопротивлений логического 0 и 1.

1. М

   I⁰_вх – отрицательный, т.к. направлен из микросхемы

   Рис.47

   икросхемы ТТЛ Схема базового логического элемента ТТЛ с простым инвертором VTM – многоэмиттерный транзистор. Реализуется только в микросхемах и заменяет входные диоды. Входные диоды, а значит и многоэмиттерный транзистор, разделяют входы по логическому уровню, т.е. без диодов логический ноль одного входа будет закорачивать логическую единицу другого входа. Логический 0 на входе это значит вход соединен накоротко с общей точкой. Логическая 1 на входе это значит вход соединен с “+” питания через резистор 1 кОм. Определим какую логическую функцию выполняет схема.

Д

I⁰_вх>> I¹_вх

т.к. I⁰_вх – ток прямого включения p-n перехода,

I¹_вх – ток обратного включения.

Рис.46

ля этого рассмотрим свойство логических элементов: a) логический элемент «ИЛИ» УГО Свойство: На выходе единица, если хотя бы на одном входе единица. b) логический элемент «И» УГО Свойство: На выходе единица, если на всех входах одновременно единица. c) логическое отрицание «НЕ» УГО Свойство: y не равен х. 1) пусть на всех входах одновременно 0, следовательно, p-n переходы Б-Э VTM открыты, следовательно, база VTM соединена с общей точкой через входную цепь, следовательно, p-n переход Б-К VTM закрыт, следовательно, VT1 закрыт. U_вых–max, Y=1

Рис.48

Рис.49

2) если хотя бы на одном входе 0 – будет тоже самое (Y=1)

3) на всех входах одновременно1, следовательно p-n переходы Б-Э VTM закрыты, следовательно на базе VTM +Uип, следовательно p-n переход Б-К VTM открыт, следовательно VT1 открыт. U_вых = U_к-э1. Y=0 Значит схема выполняет логическую функцию «И-НЕ».

В современных микросхемах ТТЛ реализуют базово-логический элемент со сложным инвертором.

I⁰_вх>> I¹_вх

т.к. это ток прямого включения p-n перехода Б-Э

I⁰_вх – отрицательный, т.к. направлен из микросхемы

Рис.50

VT1 и VT2 образуют «И-НЕ» с простым инвертором.

VT3 и VT4 образуют сложный инвертор. Убедимся, что схема выполняет функцию «И-НЕ»: 1) если на входах хотя бы один 0, то VT2 закрыт, U_к-э2 max, VT3 открыт, выход соединен через VT3 с +питания, при этом VT4 закрыт, U_б-э4 = I_э2 · R_э2 ; I_э2 = 0; U_б-э4 = 0, выход изолирован от общей точки, значит Y=1.

2) если на всех входах 1, то VT2 открыт, VT4 открыт, значит выход Y соединен с общей точкой, при этом VT3 закрыт, т.к. база 3 через VT2-VT4 закорочена на эмиттер 3, этому способствует VD, Y изолирован от + питания, значит Y=0. Преимущества сложного инвертора: 1) т.к VT3 и VT4 открываются поочередно, то почти в 2 раза увеличивается нагрузочная способность микросхем; 2) Несколько увеличивается потребляемая мощность микросхем, поэтому улучшается быстродействие; 3) при наличии линии разрешения возможно три состояния выхода микросхемы: а) первое состояние выхода: на линии разрешения 1, VDp закрыт, линия разрешения заблокирована, хотя бы на одном входе 0, выход Y через VT3 соединен с + питания (Y=1) и изолирован от общей точки. b) второе состояние выхода: На линии разрешения 1, на всех остальных входах 0, выход изолирован от + питания и соединен с общей точкой (Y=0) c) третье состояние выхода: на линии разрешения 0 (соединен с общей точкой), независимо от остальных входов, VDp открыт, к2, б3 соединяется с общей точкой, значит VT2, VT3, VT4 закрыты, выход Y изолирован от + питания и от общей точки – это высокий импеданс.

4) если убрать VT3, VD, R_к3 то выход будет соединен с коллектором VT4 и является свободным коллектором.

Правило: микросхемы со свободным коллектором включаются так, чтобы выход соединялся через нагрузку или добавочный внешний резистор с + питания.

Микросхемы со свободным коллектором имеют большую нагрузочную способность и несколько большее быстродействие.

Аналогичным образом можно получить микросхемы с открытым эмиттером.

Применение диодов Шотки в микросхемах ТТЛ позволяет повысить быстродействие. В результате получаем микросхемы ТТЛШ.

У

Рис.51

ГО диода Шотки УГО транзистора Шотки

Рис.52

Микросхемы ТТЛ (ТТЛШ) имеют средние параметры по сравнению с микросхемами других логик, поэтому довольно распространены.

Примеры серий:

133 и К155 – стандартные ТТЛ;

130 и К131 – повышенного быстродействия;

134 и 530 – микромощные;

К 531 – с диодами Шотки.

4. Особенности микросхем ЭСЛ

Эти микросхемы представляют собой транзисторные переключательные схемы с объединенными эмиттерами на основе дифференциальных усилителей.

Микросхемы ЭСЛ самые быстродействующие (см. таблицу параметров), но потребляют наибольшую мощность для своей работы. В микросхемах ЭСЛ «+» питания в общей точке, поэтому уровень 0 (по напряжению), уровень 1, и все остальные напряжения в справочниках приводятся со знаком «–»

Примеры серий: 137, 100, К500, К 1500, и т.д.

5. Особенности микросхем КМОП, КМДП - эти микросхемы выполняются на комплиментарных (К) полевых транзисторах с изолированным затвором (О или Д) и встроенным или индуцируемым каналом (П). (повторить «Выходные Безтрансформаторные каскады»).

Микросхемы КМОП имеют:

1) наименьшую потребляемую мощность;

2)самую высокую помехоустойчивость;

3) работоспособность сохраняется в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 вольт;

4) высокая нагрузочная способность;

5) малая генерация помех;

6) самое низкое быстродействие.

Примеры серии: К176, К561, К564, К565, К568, К801 и т.д.

6. Особенность микросхем И²Л

Структура проводимости и схема базового логического элемента И²Л показана на рисунке 53 и 54.

Рисунок 53 - Структура проводимости И²Л

Рисунок 54 - Схема базового логического элемента И²Л

Эти микросхемы называют с интегральной инжекционной логикой т.к. в кристалле совмещены б₁ и э₂; б₂ и к₁ – поэтому называют интегральной логикой.

VT1 выполняет роль инжектора тока. При работе схемы I₀=const, величина тока не меняется, меняется его направление.

Например X=0, вход соединен с общей точкой, I₀ проходит К1→входная цепь, VT2 закрыт, на свободных коллекторах самый большой «+». Y₁ = Y₂ = Y₃ = 1. Если на входе 1, значит вход соединен с «+» питания с резистором 1 кОм, следовательно, VT2 открыт, I₀ проходит к₁-б₂-э₂, на свободных коллекторах наименьшее напряжение = 0. Y₁ = Y₂ = Y₃ = 0. Выполняется логическая функция 3НЕ.

VT1 всегда открыт и может служить инжектором для нескольких подобных цепей.

Особенность микросхем И²Л:

1. I₀=const обеспечивает довольно хорошее быстродействие микросхем И²Л;

2. низкое напряжение питания, малая потребляемая мощность;

3. высокая степень интеграции за счет объединения (совмещения) областей транзисторов позволяет реализовать БИС и СБИС;

4. малая генерация помех;

5. низкая помехоустойчивость;

6. невозможность непосредственного сопряжения с другими типами логик.