Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Коллекторные токи Iк всложных ключевых схемах могут сильно различаться.одинаковыхзначенияхПривходного базового напряжения И вРис.9.2Раздел2522.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫв транзисторе с большим токомIкток базыIвбудет меньше,степень насыщения этого транзистора тоже меньше. При большой разнице в токах Iк этот транзистор вообще окажется ненасыщенным, что нарушает работу ключа.
Выравнивание токовIв можно достигнуть за счет уменьшения крутизны входной характеристики. Для этого в цепь базы каждого транзистора последовательно включают одинаковые резисторы (на рис.9.2этирезисторы изображены пунктиром). В последовательной цепочке каждый из ключей, с одной стороны, управляется предыдущим и в то же время управляет последующим ключом (рис.9.3).В результате для последовательной цепочки характерно чередование открытых и закрытых ключей.Вариантом ключа с хорошим быстродействием является переключатель тока, который представляет собой симметричнуюсхему (рис.9.4),в которой заданный ток10протекает через однуиз ветвей в зависимости от потенциала на одном из базовых входов.
На рис.9.4к первому базовому входу подключен источниксигнала Ивх• а на второй вход подается напряжение от источникапостоянного напряженияником. Источник10'30 ,который .является опорным источ-обеспечивает ток, соответствующий нормальному режиму. Работа схемы сводится к следующеNу. ЕслиИвх=И~х =О, то транзисторвыходеVT 2VT 1закрыт, аVT 2 -открыт. Нанапряжение будет малым, соответствующим насыщенному транзистору (логический :ноль (О)). При подаче на входVT 1:напряжения, соответствующего логической единице(1),+ек+ИипивыхИ*И*+и.хIo~•Рис.9.3Рис.9.4ео,Глават. е.
Ивх = И!х,9.Цифровые интегральные схемы253VT 1 открывается, а VT 2 закрывается, т. е. на выходе второго. транзистора будет большое напряжение (логическая 1 и Ивых=И!ых ).В интегральных схемах обычно используются последовательные цепочки переключателей тока, при этом необходимомеждуотдельнымипереключателямисхемы(элементы),которыеуровня.В простейшемвключатьназываютсясогласующиесхемамисмещенияслучае смещение уровня может осуществляться за счет включения ЭДС между смежными переключателями.9.3.Простейшие инверторные(ключевые) схемы на МДП-транзисторахМДП-транзисторные ключи можно разделить на три типа: срезистивной нагрузкой (рис.рис.9. 7,9.5,а), с динамической нагрузкой (см.а}и комплементарные ключи (см.
рис.9.8,а).Рассмотрим процессы переключения n-канального МДП-ключа срезистивной нагрузкой (см. рис.пряжение И вх = И 3+<9.5).Если на затвор подать на-И пор' то ключ закрыт, ток стока равен нулю, а выходное напряжение ИвыхИ1==что соответствует логической единиценапряжения Ивх = И 3+>Sc (точка А на рис. 9.5, б),1.При подаче на затворИ пор ключ переходит в открытое состояние. Входное напряжение должно быть достаточно большим,чтобы напряжение Ивых =Иост=u0 (точка В на рис. 9.5, б- ло-+и;=constп-канал3+иАоИ 1 =бсб)а)Рис.9.5Ивых=ИсРаздел2542.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫа) И3 t6),___--!..__---_~t-___._-J-_-f=_пop---~r,r "t,[I\F.Рис....t9.6гический О (ноль)) было по возможности меньшим, тогда рабочий ток Iси определяется внешними элементами схемы, т.
е.(9.1)Для уменьшения И ост необходимо увеличивать сопротивлениеRcи напряжение Из+ и, принципиально, Иост = и0 можносделать сколь угодно малым. В то время как в биполярных ключах И ост принципиально ограничено напряжением И кэ·На рис.9.6приведены временные диаграммы входного (а) ивыходного (в) напряжений, а также тока стока (б). При поступлении входного импульса (при Из+> Ипор) в моментt1транзистор открывается.
Время формирования канала и установлениятока равно по порядку величине времени пролета электроновчерез канал, которым можно пренебречь при достаточно большой нагрузочной емкости и считать, что ток стока I с устанавливается мгновенно, достигая значения Iснас (см. рис.ветствующего статической БАХ при Ис =Ре· Токвыходную емкость,этом ток разрядаJP9.6, б), соотIc разряжаети выходное напряжение понижается,=Iс(Ивых>-приIш где Iс(Ивых> определяетсястоковой БАХ (Ивых = Ис), аlя = (Sc - Ивых)!Rс.
Напряжение навыходной ~мкости может быть вычислено из выражения(9.2)Глава9.255Цифровые интегральные схемыпри и+= constАа)б)Рис.Время спада9.7tc отсчитывается по уровням 0,1и0,9 (рис. 9. 7,б)выходной амплитуды импульса Ре· Анализ переходного процесса, включающий интегрирование уравнения(9.2)с учетом особенностей параметров схемы, позволяет вычислить время спадапо формуле(9.3)где коэффициент ~= 1 ... 2зависит от многих факторов (приоценках обычно принимают~=В момент выключенияэтомуI е =О.1,5).(t = t 2) канал мгновенно исчезает, поВыходная емкость заряжается через резисторRe,инапряжение И вых возрастает до величины Ре при времени нарастания (см. рис.9.6,в) tн=tФ=2,2RеСвых·Для снижения tн необходимо уменьшитьReс одновременным пропорциональным увеличением тока Iенас' чтобы сохранить малое значение Иост· Поскольку в цифровых ИС выход логического элемента соединяется со входами аналогичных элементов, то выходная емкость Свых=Сн для каждого элементаопределяется емкостью затвор-исток (пропорциональной длине канала), которая может составлять сотые доли пикофарады.Более высокое быстродействие (примерно на порядок) достигается на комплементарных транзисторах сtc~ tн< 0,5 нс.В МДП-кпючах с динамической нагрузкой вместо резистора используются транзисторы.
В схеме на рис.9. 7,а роль динамической нагрузки выполняет нагрузочный транзисторVT 2 ,у кото-•256Раздел2.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫрого затвор соединен со стоком, при этомVT 1 являетсяактивнымтранзистором. При соединении затвора со стоком И зи 2 =справедливо неравенство Изи 2 жениеVT 2 ),затвор-истокVT 2т. е;VT 2 ,И порИси 2 -<Иси 2 (где И зи 2 -напряжениеИси 2напрясток-истокработает на пологом участке выходной характеристики. ВАХVT 2с закороченным на сток затвором можно построить по семейству стоковых характеристик, используя равенство Изи 2=Иси 2 , т. е.
сначала задается одно значение Иси пооси абсцисс исходного семейства выходных ВАХ обычногоVT 2и проводится вертикальная линия до пересечения с той кривой,у которой Изи 2(см. рис.9. 7,=Иси 2 , в результате чего получается одна т·очкаб, точка В). После этого аналогичная операция реализуется для других значений И си 2 и И зи 2 , вплоть до значенияИси 2 =Иип• где ИипЭДС источника питания. Полученная-ВАХ позволяет построить нагрузочную линию RдтораVT 1 (см.рис.9. 7,резистивной нагрузке(VT 2 )Rc(см. рис.9.5,б). Однако эта характеристика будет начинаться не в точке А, где Иси =Иен=VT 2 ).Sc -транзисб), аналогичную нагрузочной прямой приИ 02 (где И 02 = Изипор 2 -Sc,а в точкепороговое напряжение дляВ открытом состоянии ключа рабочая точка лежит на квазилинейном участке характеристики активного транзистораVT 1(точка В на рис.точке (обычно И ост9.
7, б). Остаточное напряжение Иост в этой- 50 ... 100 мВ) в несколько раз меньше соответствующего значения для МДП-ключа с резистивной нагрузкой(300 мВи более).Если в качестве нагрузки использовать МДП-транзистор стипом канала, противоположным основному активному, то такаясхема(рис.9.8,VT 2называетсякомплементарнымключом(инвертором)а). Подложка нагрузочного ргканального транзистораподключается к точке с наибольшим потенциалом, а по/дложка основного п-канального транзистораVT 1подключаетсяк точке с наименьшим потенциалом. В результате исключаетсяотпирание изолирующих р-п-переходов, которые обеспечива-ют изоляцию каналов МДП-структур от подложки. Если Ивх =О,то Изи~ = О, а Изи 2 = -И ипзисторVT 2-<О, следовательно, р-канальный траноткрыт, а п-канальный транзистор(для него Иип =Sc >VT 1 -закрыт1Ипор 2 1).
В результате ток в общей цепи /ост·Глава9.Цифровые интегральные схемы257IcИ2п-каналVT2}i1ивх+-1БсИвых......'\/\\= Ис 1VT2тсн(Ивх= uo) \АИ1оИзи~VT 2Иип= Ul)VT 1= uo)(Ивха)б)Рис.9.8определяется сопротивлением закрытого транзистораI остИси1(UвхVT 1 •Токимеет очень малые значения, так как сопротивление закрытого транзистора VT 1 очень велико, а напряжение IИси 2 1-очень мало.Величину Iост можно определить, если найти точку пересечеVT 1и выизвестномИзи 2ния выходной (стоковой) характеристики закрытогоходнойхарактеристики(точка А на рис.9.8,открытогоб, где Иси=VT 2приИс ~ Иип). Таким образом,выступает как нелинейная нагрузка дляVT 2VT 1 •Если же на вход подать положительный сигнал величинойИвх=Бс, то Изи~= Бскрыт, аVT 2 ->Ипорl и Изи 2 =О.
В этом случаеVT 1 -отзакрыт, при этом ток Iост в общей цепи остаетсяна том же уровне, что и в предыдущем случае, хотя транзисторыпереключились(точка Вна рис.9.8,б).Следовательно,комплементарные ключи потребляют крайне малую мощностьв обоих состояниях, что является их важнейшим достоинством.Однако оба устойчивых состояния сильно различаются поуровню выходного напряжения.случае при Ивха во втором=Иост=u-В первомрассматриваемом= О выходное напряжение Ивых = Бс = Иип = И 1 ,при И вх = Бс = И ип выходное напряжение Ивых =0 • Остаточное напряжение И ост может иметь очень малые значения (единицы микровольт и менее), что является также достоинством рассматриваемых ключей.Кроме полезных сигналов, на входы ключей всегда воздействуют внешние электромагнитные помехи. Ключи (инверторы)9 -6779.Раздел 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
