Базовые логические элементы, страница 2

На входах и выходах могут действовать импульсные или постоянные напряжения, соответствующие логическим значениям 0 и 1. В связи с этим различают импульсные и потенциальные ЛЭ.

Передаточная характеристика. Основной характеристикой ЛЭ является передаточная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения элемента U_вых от входного напряжения U_вх на одном из входов при определенных постоянных напряжениях на остальных входах. Вид передаточной характеристики зависит от функции, выполняемой ЛЭ. На рис. 5.1, а показана передаточная характеристика инвертора (элемента НЕ).

Рис. 5.1. Передаточная характеристика (а) и графики входного (б) и выходного (в) напряжений инвертора

Участок Ι передаточной характеристики соответствует закрытому состоянию инвертора. Выходное напряжение  имеет высокий уровень (иногда ) и соответствует логической единице. Этот уровень поддерживается до тех пор, пока . Напряжение  называется пороговым напряжением логического нуля.

Участок ΙΙΙ соответствует открытому состоянию. Выходное напряжение  имеет низкий уровень и соответствует логическому нулю. Низкий выходной уровень имеет место при . Напряжение  называется пороговым напряжением логической единицы.

Участок ΙΙ соответствует переходу инвертора из одного состояния в другое. Этот переход совершается не мгновенно, а в течение некоторого времени. На рис. 5.1, б и в показаны графики изменения во времени входного и выходного напряжений инвертора.

Параметры. Обозначения, приведенные на рис.5.1, б, определяют следующие параметры ЛЭ:

 — время перехода ЛЭ из состояния логической 1 в состояние логического 0;

 — время перехода ЛЭ из состояния логического 0 в состояние логической 1;

 — задержка распространения сигнала при переключении ЛЭ из состояния 1 в состояние 0;

 — задержка распространения сигнала при переключении ЛЭ из состояния 0 в состояние 1.

Обобщенным параметром, характеризующим быстродействие ЛЭ, является среднее время задержки распространения. Оно определяется выражением

По величине  ЛЭ подразделяются на сверхбыстродействующие (=1...5 нс), быстродействующие (=5...10 нс), среднего быстродействия (=10...50 нс) и медленнодействующие (>50 нс).

Параметры  называют статическими, а параметры , , ,  и  — динамическими. Кроме этих параметров, ЛЭ характеризуются коэффициентом объединения по входу  и коэффициентом разветвления по выходу .

Коэффициент объединения по входу определяет число входов ЛЭ, по которым реализуется логическая функция, а коэффициент разветвления по выходу — нагрузочную способность ЛЭ и равен числу единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу ЛЭ. Под единичной нагрузкой понимают один вход другого ЛЭ, подключенный к выходу первого ЛЭ.

5.3. Электронные ключи.

Общие сведения. Электронный ключ — это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в идеальном электронном ключе происходит скачком под влиянием управляющего напряжения или тока.

В реальных электронных ключах переход из открытого состояния в закрытое и наоборот происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Это время определяется инерционностью активного нелинейного элемента и наличием в ключе паразитных емкостей и индуктивностей.

В современной электронной технике наибольшее применение находят транзисторные ключи.

Ключи на биполярных транзисторах. Простейшая схема транзисторного ключа (рис. 5.2, а) подобна схеме транзисторного усилителя, однако она отличается режимом работы транзистора. При работе в ключевом режиме рабочая точка транзистора может находиться только в двух положениях: в области отсечки (транзистор закрыт) и в области насыщения (транзистор открыт и насыщен). Такие ключи называют насыщенными транзисторными ключами. Иногда применяются ключи, в которых рабочая точка при открытом транзисторе находится в активной области (обычно вблизи области насыщения, но не достигает ее). Такие ключи называют ненасыщенными. Чаще применяются транзисторные насыщенные ключи, так как у них в состоянии «Включено» выходное напряжение имеет более низкий уровень и отличается большей стабильностью.

Рис. 5.2. Схемы транзисторного ключа (а) и характеристики (б),иллюстрирующие изменения режима при переходе ключа из закрытого состояния {точка А) в открытое (точка В)

Для обеспечения режима отсечки на вход ключа необходимо подать отрицательное напряжение  (или положительное для p-n-p-транзистора).

Для надежного запирания транзистора абсолютное значение отрицательного напряжения  должно быть не менее некоторого значения порогового напряжения , и условие для обеспечения режима отсечки имеет вид

Для перехода транзистора в режим насыщения на вход ключа необходимо подать такое положительное напряжение , при котором в цепи базы создается ток

где  — ток базы на границе между активным режимом и режимом насыщения (точка В на рис. 5.2, б).

Ток коллектора в режиме насыщения

.

В режиме насыщения коллекторное напряжение  остается положительным по отношению к эмиттеру, но имеет очень малое значение (десятые доли вольта для германиевых транзисторов и 1...1,5 В для кремниевых). Поэтому напряжение на коллекторном ЭДП оказывается отрицательным:

,

и он включается в прямом направлении.

Быстродействие электронного ключа зависит от времени включения и выключения.

Время включения определяется временем задержки, обусловленным инерционностью диффузионного движения неосновных носителей заряда в базе БТ, и временем формирования фронта (временем установления) выходного напряжения. Время выключения складывается из времени рассасывания накопленных в базе неосновных носителей заряда и времени формирования среза выходного напряжения.

Увеличению быстродействия транзисторного ключа способствуют применение высокочастотных транзисторов, увеличение отпирающего и обратного токов базы, а также уменьшение тока базы в режиме насыщения.

Для уменьшения тока базы в режиме насыщения применяют ненасыщенные ключи, в которых между базой и коллектором включают диод Шоттки (рис. 5.3). Диод Шоттки имеет напряжение отпирания на 0,1...0,2 В меньше, чем напряжение насыщения коллекторного перехода, поэтому он открывается до наступления режима насыщения, и часть тока базы через открытый диод проходит в коллекторную цепь транзистора, предотвращая тем самым накопление в базе заряда неосновных носителей. Ненасыщенные ключи с диодом Шоттки широко применяются в ИМС. Это связано с тем, что изготовление диодов Шоттки на основе транзисторной структуры с помощью интегральной технологии не требует никаких дополнительных операций и не приводит к увеличению площади кристалла, занимаемой элементами ключа.

Рис. 5.3. Схема ключа с диодом Шоттки