Базовые элементы логических ИМС

Логические элементы (ЛЭ) объединяют в серии. В основе каждой серии лежит базовый элемент, представляющий собой электрическую схему, выполняющую логическую операцию И-НЕ либо ИЛИ-НЕ. По принципу построения базовые элементы логических ИМС делятся на следующие основные группы:

1) диодно-транзисторные логические элементы (ДТЛ);

2) транзисторно-транзисторные элементы (ТТЛ);

3) элементы эмиттерно-связанной логики на переключателях тока (ЭСЛ);

4) элементы с инжекционным питанием (И²Л);

5) элементы на МДП - транзисторах.

Транзисторно-транзисторные элементы. Упрощенная схема базового элемента показана на рис.1. Он выполняет логическую операцию И-НЕ. В состав элемента входит ключевая схема на транзисторе Т2. Управление ключом производится с помощью многоэмиттерного транзистора Т1. Многоэмиттерный транзистор специально разработан для ИМС и не имеет дискретного аналога. На его входы (эмиттеры) могут подаваться сигналы высокого (1) или низкого (0) уровня.

Принцип работы. Коллекторный переход Т1 всегда смещен в прямом направлении, т.к. его база подключена через R₁ к напряжению питания (+ Е). В зависимости от уровней напряжений на входе Т1 может быть включен нормально или инверсно. Если хотя бы на один из входов подан низкий потенциал (близкий к нулю), то соответствующий эмиттерный переход оказывается смещенным в прямом направлении (открыт), что характеризует его нормальное включение. Через открытый эмиттерный переход протекает базовый (втекающий) ток, в первом приближении равный . (Источники входных сигналов имеют внутренние сопротивления близкие к нулю.) Ток коллектора Т1 является в этом случае втекающим в транзистор, а ток базы Т2, соответственно, вытекающим. В результате этого транзистор Т2 переходит в режим отсечки, а выходной потенциал ключа соответствует уровню логической единицы (1).

Ток базы закрытого транзисторе Т2 равен I_КБО2. Этот ток у кремниевых транзисторов достаточно мал, поэтому всегда выполняется условие . Следовательно, транзистор Т1 находится в стадии глубокого насыщения и падение напряжения на нем близко к нулю. Транзистор Т2 закрыт. Поэтому ток его эмиттера близок к нулю, а ток коллектора – к I_КБО2.

Если на все входы подан высокий положительный уровень напряжения, транзистор Т1 начинает работать в инверсном активном режиме. При этом коллекторный переход смещен в прямом направлении, а все эмиттерные – в обратном. В цепи: резистор R₁ – коллекторный переход Т1 – эмиттерный переход Т2 потечет ток, открывающий транзистор Т2. Входной ток ЛЭ в этом случае является втекающим. Коллекторный ток Т1 – вытекающим. В инверсном режиме сумма токов всех эмиттеров и тока базы транзистора Т1 равна току коллектора, который, в свою очередь, равен току базы Т2. Значение тока базы выбирается достаточным для насыщения транзистора Т2, т.е. на выходе ключа реализуется логический нуль.

Таким образом, изменение состояния ключа происходит в том случае, если на все его входы подается высокий потенциал. Отсюда следует, что Т1 выполняет роль схемы совпадения, у которой выходной сигнал возникает лишь при наличии сигналов на всех входах.

Передаточная и входная характеристики базового элемента 155 серии (133, 530) приведены на рис.2а,б. Входное пороговое напряжение у них для логической единицы составляет »1.5 В, для логического нуля »0.8 В. На участке между этими напряжениями передаточная характеристика линейна и ЛЭ может быть использован как усилитель напряжения. Для этого на его вход следует подать дополнительное напряжение смещения, значение которого < < . Напряжение смещения можно получить включив резистор R во входную цепь (см. рис.3). Входной ток ЛЭ, протекая через R, создает на нем падение напряжения.

Ориентировочные значения параметров ТТЛ - элементов (серии 133,155,530): напряжение питания Е =5В; =2.4В; =0.4 В; =-1.6 мА; =0.04 мА; =16 мА;

=-0.04 мА; =15 нс; =22 нс.

Базовые элементы ТТЛ различаются только выполнением выходного ключа. При его проектировании обычно ставятся задачи улучшения переходных характеристик, повышение помехоустойчивости и нагрузочной способности, а также снижения потребляемой мощности. Для уменьшения входных токов транзистор Т1 выполняют с малым инверсным коэффициентом передачи базового тока . В быстродействующих ЛЭ широко применяют ненасыщенные ключи, у которых в цепь обратной связи включен диод Шоттки.

Для расширения функциональных возможностей у отдельных типономиналов на выходе установлен транзистор, коллекторная цепь которого оставлена свободной. Это ЛЭ с открытым коллектором. При использовании подобной микросхемы коллектор соединяется с источником напряжения через нагрузочное сопротивление. Роль его может выполнять резистор или обмотка реле, светодиод, лампа накаливания и пр. ЛЭ с открытым коллектором позволяют осуществить непосредственное соединение между собой выходов нескольких микросхем. При этом обеспечивается реализация дополнительной логической функции, так называемая монтажная логика.

 

Электронные ключи

Электронные ключи (ЭК) используются для коммутации электрических сигналов. В зависимости от характера коммутируемого сигнала электронные ключи разделяют на цифровые и аналоговые.

Цифровые ключи коммутируют напряжения или токи источника питания и обеспечивают получение двух уровней сигнала на выходе. Один уровень соответствует открытому состоянию ключа, другой - закрытому.

Аналоговые ключи обеспечивают подключение или отключение источников аналоговых информационных сигналов, имеющих произвольную форму напряжения.

В информационных маломощных устройствах ключи выполняют на полупроводниковых диодах, биполярных или полевых транзисторах.

Ключи на биполярных транзисторах

Транзисторные ключи (ТК) - один из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д.

Схема ключа на биполярном транзистора (БТ) показана на рис.1а.

Принято различать следующие режимы работы ключа:

режим отсечки, нормальный активный, инверсный активный, режим насыщения.

Два основных состояния ключа: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки (транзистор заперт), и замкнутое, которому соответствует режим насыщения или режим, близкий к нему (транзистор открыт). В активном режиме транзистор работает в течение процесса переключения.

Поведение ТК в статическом режиме полностью определяется статическими характеристиками транзистора (входными и выходными), которые показаны на рис.1б,1в.

В режиме отсечки оба перехода БТ смещены в обратном направлении. (для n-p-n транзистора)

Различают режимы глубокой и неглубокой отсечки.

В режиме глубокой отсечки к p-n переходу приложены запирающие напряжения, превышающие . В этом режиме токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что характеризует разомкнутое состояние ТК.

В режиме неглубокой отсечки U_бэ < оба перехода смещены в обратном направлении, однако токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их значения существенно зависят от приложенного напряжения.

В режиме глубокой отсечки ток коллектора I_К» I_КБО;

ток базы I_б» - I_КБО, ток эмиттера I_Э» - I_КБО, где - коэффициент передачи тока при инверсном включении транзистора. Обычно << b_ст и часто считают, что I_Э ®0.

Напряжение U_КЭ в закрытом состоянии (точка а на рис.) определяется из выражения

.

Сопротивление транзистора в закрытом состоянии

.

Оно, как правило, достаточно велико (не менее 100 кОм).

В быстродействующих ключах сопротивление R_К берут небольшим (порядка нескольких кОм) для уменьшения задержки, связанной с перезарядом барьерной емкости и паразитных емкостей. Поэтому выходное сопротивление рассматриваемого ключа определяется сопротивлением R_К || R_Тотс.

Область глубокой отсечки практически совпадает с самой нижней кривой семейства выходных ВАХ, которую иногда называют характеристикой отсечки. Характеристика отсечки снимается при разорванной цепи эмиттера (I_Э = 0), когда ток коллектора I_К = I_КБО = - I_Б.

С уменьшением отрицательного напряжения, приложенного к базе (U_бэ ®0), транзистор продолжает оставаться запертым, но его токи несколько изменяются. При этом ток базы остается практически неизменным и равным I_Б» - I_КБО.

Ток эмиттера на границе отсечки изменяет свой знак и существенно увеличивается. Его значение при этом равно

I_Э» × I_КБО,

I_К» (1+ ) × I_КБО.

Изменение трех токов в области отсечки показано на рис.1в.

Для реализации режима отсечки необходимо найти запирающее напряжение на базе U_бэ. В базовой цепи протекает ток обратно смещенных переходов транзистора, который создает дополнительное падение напряжения на сопротивлении R_б. В итоге напряжение, приложенное между базой и эмиттером транзистора, отличается от напряжения U_вх:

U_БЭ = -| U_вх | +× I_КБО ×R_б, U_вх < 0.

Напряжение U_БЭ можно найти с помощью графоаналитического метода, построив линии нагрузки. На рис.1в проведены линии нагрузки, соответствующие двум значениям сопротивления базы: R_б " > R_б '. Точки пересечения этих прямых с кривой

I_б = I_б (U_БЭ) определяют действительный режим работы транзистора. При сопротивлении R_б ' транзистор находится в режиме отсечки, хотя и недостаточно глубокой, как можно было бы ожидать, судя по значению U_вх. При сопротивлении R_б " транзистор переходит в активный режим, хотя U_вх и отрицательно. Это объясняется тем, что ток базы создает на сопротивлении R_б " падение напряжения, которое вычитается из U_вх и изменяет режим работы транзистора.

Сопротивление базы R_б необходимо выбирать из условия I_КБО ×R_б = | U_Rб | < | U_вх |, (1)

С другой стороны, необходимо иметь в виду, что при больших напряжениях

U_вх > U_Бэдоп и малых R_б напряжение U_бэ может превысить U_Бэдоп. В этом случае для ограничение U_бэ в схему включают фиксирующий диод, при этом напряжение U_бэ равно прямому падению напряжения на диоде U_Дпр = 0.5¼0.8 В (см. рис.1а пунктир).

Сопротивление в цепи коллектора должно удовлетворять неравенству

I_КБО ×R_к = U_Rк << E_к. (2)

При этом в выражениях (1) и (2) следует брать максимальное значение тока I_КБО при наивысшей температуре.

В режиме насыщения оба p-n перехода смещены в прямом направлении. В результате в область базы инжектируются носители как из эмиттера, так и из коллекторной области. В базе при этом скапливается значительный заряд. Токи через переходы в этом режиме ограничиваются только внешними сопротивлениями. При этом падение напряжения U_КЭ мало и при малом токе коллектора I_К составляет доли вольт.

На выходных ВАХ транзистора область насыщения характеризуется линией насыщения ОН (см.рис.1б). Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения

U_КЭ = U_Кнас и тока I_Кнас. Ток I_Кнас называется коллекторным током насыщения. Как видно из ВАХ, эти величины связаны между собой линейной зависимостью

× R_Тнас = U_Кнас / I_Кнас,

где R_Тнас - сопротивление насыщенного транзистора.

Значения R_Тнас определяются крутизной линии насыщения. Обычно оно достаточно мало (единицы-десятки Ом).

Каждой точке линии ОН соответствует некоторое граничное значение тока базы I_б = I_Бнас, при котором транзистор входит в насыщение. Этот режим появляется вследствие того, что максимальный ток коллектора транзистора ограничен напряжением источника питания и параметрами внешних цепей. В рассматриваемом случае

I_Кmax = £ E_К / R_к. (3)

Если ток базы задать таким, что ток коллектора должен быть равен

I_К = I_Б× b_ст > I_кmax, (3а)

то при данном источнике напряжения и параметрах внешней цепи такой ток I_К получить нельзя. Транзистор откроется полностью, но через него будет протекать ток I_Кmax, который меньше тока I_К, определяемого выражением (3а). Это максимальное значение тока коллектора и называют коллекторным током насыщения. Значение его обычно оценивают приближенно с помощью уравнения

I_Кнас = I_Кmax» E_К / R_к. (4)

Из сказанного следует, что в режиме насыщения нарушаются соотношения между токами электродов транзистора, характерные для активного режима. Поэтому критерием насыщения является неравенство

I_б > I_Бнас = I_Кнас /b_ст. (5)

Для количественной оценки глубины насыщения вводят параметр степень насыщения. Степень насыщения определяется как относительное превышение базовым током I_б того значения тока I_Бmax, которое характерно для границы насыщения:

N = (I_б - I_Бнас)/ I_Бнас = (I_б× b - I_Кнас)/ I_Кнас.

Иногда оценку глубины насыщения производят с помощью коэффициента насыщения, который показывает, во сколько раз ток, протекающий в цепи базы, больше базового тока, при котором транзистор входит в насыщение:

S = (I_б + I_КБО)/(I_Бнас + I_КБО)» I_б / I_Бнас >> 1.

При насыщении сопротивление БТ минимально и практически не зависит от значений I_б и R_К. Оно и является выходным сопротивлением ТК в стационарном замкнутом состоянии.

Значение U_КЭнас зависит от типа транзисторов и обычно находится в пределах 0.3¼1 В.

Величину степени насыщения ограничивают (N =3¼5), исходя из соображений быстродействия, т.к. при больших N в базе накапливается большой заряд.

Важным преимуществом режима насыщения является практическая независимость тока коллектора от температуры окружающей среды и параметров конкретного транзистора.

На эквивалентных схемах насыщенный транзистор представляют в виде точки, общей для электродов эмиттера, коллектора и базы (транзистор как бы стянут в точку).

Переходные процесс ы в транзисторном ключе.

При анализе переходных процессов в транзисторе обычно рассматривают метод заряда базы, в основе которого лежит принцип ее электрической нейтральности. Согласно этому принципу в любой точке базы положительный и отрицательный заряды одинаковы и изменяются с одинаковой скоростью. (Подробно этот принцип рассмотрен в кн. Степаненко И.П. “Основы теории транзисторов и транзисторных схем”; Гусев В.Г., Гусев Ю.М. “Электроника”.)

Вне зависимости от электропроводности транзистора будем считать, что этап открывания ключа характеризуется положительным фронтом, а этап запирания – отрицательным.

Процесс открывания ТК можно разделить на 3 стадии: задержка фронта; формирование фронта; накопление избыточного заряда в базе.

1. Задержка фронта (рис.2а,2б). Она обусловлена перезарядом барьерных емкостей эмиттерного С_Э и коллекторного С_К переходов.

В исходном состоянии, когда ключ заперт, на базе транзистора имеется напряжение смещения - U_бЗак, обусловленное входным сигналом Е^о. (Конденсатор С_Э заряжен до значения

U_бЗак , а С_К – до | Е_к |+ | U_бЗак |).

Когда сигнал U_вх скачком принимает значение Е¹, транзистор остается запертым, так как напряжение на его входной емкости не может измениться скачком. Начинается процесс перезаряда емкостей С_Э и С_К, который идет по экспоненте. При этом напряжение на базе транзистора меняется по закону:

.

Постоянная времени с учетом того, что R_б >> R_к, равна

,

Здесь входная емкость С_вх приблизительно равна емкости параллельно соединенных емкостей коллекторного и эмиттерного переходов: С_вх = С_Э + С_К.

При t=t_зад напряжение , и транзистор открывается. Здесь - напряжение между базой и эмиттером, при котором открывается эмиттерный переход.

Отсюда время задержки можно приближенно оценить, используя выражение

.

Значение времени задержки обычно сравнительно невелико. Так, например, при С_вх = 30 пФ; | U_вх | = | U_бэЗак | = 2 В;

R_б = 2 кОм время задержки t_зд» 4 нс.

2. Формирование фронта (рис.2в). Так как задержка сдвигает только переходную характеристику ключа, не влияя на форму фронта, в дальнейшем будем считать, что входной сигнал сразу отпирает транзистор. Считаем, что ток I_б скачком возрастает от до , значение которого достаточно для последующего насыщения транзистора. Изменение заряда в базе во времени показано на рис.2в. Оно идет по экспоненциальному закону. Увеличение коллекторного тока также идет по экспоненциальному закону (аналогично переходной характеристике усилительного каскада). При достижении значения коллекторным током значения I_Кнас () изменение тока коллектора, а соответственно и формирование фронта, заканчиваются. Длительность положительного фронта

,

где ,

- время жизни неосновных носителей в активном режиме,

- усредненная по диапазону рабочих напряжений (от Е_к до U_кн) емкость коллекторного перехода в схеме ОЭ.

Так, если =2 мкс; b=50; I_б1 = 1 мА; I_Кнас = 5 мА, то t_ф = 0.2 мкс.

Для уменьшения длительности фронта необходимо использовать высокочастотные транзисторы, у которых имеют малые значения, и увеличивать управляющий ток .

3. Накопление носителей. После входа транзистора в режим насыщения (с момента t₁) токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются. Однако заряд в базе продолжает возрастать с постоянной времени t_н, равной времени жизни неосновных носителей в режиме насыщения. Значение t_н зависит от концентрации носителей в базе.

t_н < t_экв. т.к. в режиме насыщения влияние емкости ничтожно мало. Обычно t_н £ t_b.

Процесс накопления носителей в базе заканчивается через промежуток времени t_н = (3-5) t_н,

Закрывание транзисторного ключа (отрицательный фронт). Входной сигнал меняется скачком от E¹ до Е^о (рис.2г). При этом входной ток меняется скачком от положительного значения до отрицательного . Процесс запирания включает два этапа: рассасывание избыточного заряда и формирование отрицательного фронта.

1. Рассасывание избыточного заряда. Приводит к задержке начала заднего фронта (среза) относительно момента поступления запирающего импульса. При отрицательном напряжении на базе начинается экстракция (отсос зарядов из базы). Заряд, находящийся в базе, не может измениться скачком (так же, как и в случае заряженной емкости). Ток коллектора при этом практически не изменяется, т.к. ограничен сопротивлением R_к.

Рассасывание закончится, когда избыточный заряд в базе исчезнет (; ).

Время рассасывания

.

При большом запирающем сигнале при , используя разложение ln () в степенной ряд, можно получить упрощенное выражение

, где .

Время рассасывания и связанная с ним задержка уменьшаются с увеличением запирающего сигнала и убыванием степени насыщения. Поэтому большие отпирающие токи , которые выгодны с точки зрения длительности положительного фронта, нежелательны с точки зрения запирания ключа. После рассасывания избыточного заряда в базе транзистор оказывается в активной области.

2. Формирование отрицательного фронта. Рассасывание избыточного заряда может произойти одновременно у коллекторного и эмиттерного переходов, а также окончиться раньше у коллекторного или эмиттерного перехода. Картина переходного процесса зависит от того, где раньше произойдет рассасывание.(Подробно этот процесс описан в кн.”Электроника”, авт. Гусев В.Г, Гусев Ю.М.)

Рассмотрим наиболее типичный случай, когда заряд рассевается раньше у коллекторного перехода. Диаграммы токов и напряжений показаны на рис.3г.

В этом случае до рассасывания избыточного заряда у коллекторного перехода ток коллектора I_к остается неизменным. После рассасывания заряда коллекторный переход закрывается, и транзистор переходит в активный режим. Ток коллектора начинает уменьшаться по экспоненциальному закону с постоянной времени приблизительной равной .

Время отрицательного фронта (среза)

.

При сильном запирающем сигнале, когда | |>> I_Бнас, длительность отрицательного фронта равна

.

Ток базы остается неизменным приблизительно до момента рассасывания заряда у эмиттерного перехода. После этого он изменяется по экспоненциальному закону за счет заряда входной емкости (до запирающего значения на базе) с постоянной времени приблизительно равной .

На длительность переходных процессов в ключе оказывают также влияние емкость С_кэ и емкость нагрузки С_н. Причем при открывании транзистора влияние их невелико, т.к. постоянная времени в этом случае, равная мала из-за малого сопротивления R_Тнас.

При закрывании транзистора емкости перезаряжаются через сопротивление R_к||R_н. При малых С_кэ и С_н длительность отрицательного фронта (среза) напряжения на коллектора при выключении ключа , а при значительных

,

т.е. происходит затягивание среза выходного импульса.

 

В ключах стремятся применять высокочастотные транзисторы, имеющие малые емкости С_кэ, а в цепь коллектора включают небольшие сопротивления R_к.