L_15 (1075851), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Чтобы выровнять токи базы, искусственно уменьшают крутизну ВАХвключением в цепи баз параллельных ключей резисторы (рис.15.7а)Полученное значение тока базы ─ это ток, который обеспечивает транзистору коллекторный ток насыщения. Используя токовый критерий насыщения, получаем принципиальное ограничение на нагрузочную способностьключаn<βЕ −U*к.Ек(15.7)А чтобы обеспечить не просто S >1, а минимальную степень насыщения,имеем окончательно для нагрузочной способности ключаЕ −U*к.n<SЕминкβ(15.8)3.1.6.
Коэффициент разветвления.Этот параметр фактически характеризует количество выводов у корпусамикросхемы. Наблюдаемая скорость увеличения количества выводов интегральных микросхем составляет от 8 до 11 % в год и прогнозируется, что к2010 году потребуются корпуса с количеством выводов до 2000 и более. Поэтой причине традиционные корпуса с двухрядным расположением выводовпод монтаж в сквозные отверстия были заменены другими подходами, например, были разработаны методы поверхностного монтажа, матрицы шариковых выводов и многокристальные модули. В силу своей многофункцио-нальности хороший корпус должен удовлетворять большому количеству самых разнообразных требований.3.2.
Переходные процессы в транзисторном ключеРассмотрим переходные процессы в транзисторном ключе, которые в нёмпроисходят под действием прямоугольных импульсов со стороны входа ключа (рис.15.8б).eбE-бЕкRкt1tзфRбIкVTСвхtIбt0ЕбE+бUвыхt1t0UкэI+бt2 t3t4t5t6tBiб > Iкt2 t3tфIкнtнt6t4 t5tр tсUостttа).б).Рис.15.8.Для удобства повторим схему простейшего транзисторного ключа, данногоранее на рис.15.2. Теперь он у нас пойдёт под номером 15.8а.Рассмотрим переходные процессы в транзисторе, распределив их в пятьэтапов.1 этап. Задержка формирования переднего фронта импульса коллекторного тока – t зфС t 0 по t 1 на входе ключа действует перепад отрицательного напряжения─Е б .
Транзистор закрыт и в его цепи протекает лишь ток неосновных носителей, которым мы пренебрежем.С момента времени t 1 на входе меняется полярность сигнала. На входпоступил запускающий импульс Е+ б .Так как во входной цепи транзистора имеет место емкость C вх ≈C эб +C кб , то, до тех пор, пока эта ёмкость не зарядится до напряжения U*,транзистор будет закрыт.
Входная ёмкость заряжается с постоянной времениτ =Сз.вх R б Происходит задержка формирования переднего фронта импуль-са коллекторного тока (с t 1 по t 2 )tЕ + + Е б−=τ з б.зф*−−Еб U(15.9)2 этап. Формирование нарастающего (переднего) фронта импульсаколлекторного тока – t фКлюч собран на транзисторе по схеме с ОЭ. Следовательно, режим транзисторного ключа протекает в условиях заданного тока базы. Воспользуемсяфизической моделью биполярного транзистора, в которой учтены влиянияэмиттерной и коллекторной ёмкостей.КСкIдкБIкэСэIдэРис.15.9.В схеме на рис.15.9:I кэ = I к 0(eu бэ ϕt −euбкϕt) ─ ток управляемого источника;τС = С эбар + I дэ э ─ ёмкость эмиттерного диодного элемента;эϕtII= к 0 (e u бэ ϕ t − 1) ─ ток через эмиттерный диодный элемент;дэ βnτС = С кбар + I дк ккϕtI─ ёмкость коллекторного диодного элемента;I= к 0 (e u бк ϕ t − 1) ─ ток через коллекторный диодный элемент;дкβiС эбар и С кбар ─ барьерные ёмкости переходов;τэτ э и τ к ─ эффективное время жизни неосновных носителей в эмиттерном и коллекторном переходах;I к0 ─ параметр модели управляемого источника тока;β n и β i ─ статические коэффициенты передачи тока базы при нормальном и инверсном включениях.Время нарастания переднего фронта импульса коллекторного тока происходит в промежутке времени с t 2 по t 3 .
Перезаряд ёмкости С э происходитбазовым током I + . С учётом диффузионной ёмкости переходный процесс усбтановления тока чрез диодный эмиттерный элемент, получимiдэ= I б+ (1 − е − t τ э).Следовательно,i = I б+ β n (1 − е − t τ э).к(15.10)Раньше была установлена связь тока коллектора с током базы через статический коэффициент передачи тока базы. Но, в данном случае, в переход-ных процессах это соотношение нарушается (транзистор выходит из подуправления тока базы), так как транзистор переходит в режим двойной инжекции после того, как потенциал коллектора становится отрицательным.Это произошло в момент времени t 3 .
Из формулы (15.10) определяем времяформирования переднего фронта импульса коллекторного токаtф= τ э ln1−1I.кнβ I б+n(15.11)Примечание. Если имеет место примесь золота, то типичным значением τ э будет 10нс, а без примеси золота 100 нс.Из уравнения (15.11) следует, чем больше отпирающий ток I + , тембменьшее время затрачивается на формирование переднего фронта импульсаколлекторного тока. Но не надо забывать, что увеличение тока базы приведётк увеличению времени переходных процессов при запирании транзистора.3 этап.
Накопление объёмного заряда в базе.Транзистор работает в режиме заданного тока базы. После момента времени t 3 установился режим, при котором токи не меняются. Накопление неосновных носителей в базе идёт за счёт токов термогенерации. Эффективноевремя жизни неосновных носителей в коллекторном переходе значительновыше, чем в эмиттерном, следовательно, основное скопление неосновных носителей будет в коллекторном переходе. Время накопления определяетсяпромежутком времени с t 3 по t 4t = 3τ ,н(15.12)где τ ─ эффективная постоянная времени перезаряда.4 этап. Время рассасывания объёмного заряда (или ─ это время задержки среза спадающего фронта.Поскольку накопленный заряд не может исчезнуть мгновенно, то процесс с выключения транзистора затягивается.
Несмотря на то, что в моментвремени t 4 произошла смена полярности напряжения на входе ключа, наэмиттерном и коллекторном переходе какое-то время сохраняются прямыенапряжения, близкие к значению U*. Базовый ток делает выброс в обратномнаправлении: поле коллекторного перехода при смене полярности входногосигнала стало ускоряющим для носителей, скопившихся в базе.
Начался процесс рассасывания заряда, который продлится до момента времени t 5 . В момент t 5 на коллекторном переходе устанавливается обратное напряжение:концентрация неосновных носителей на границе базы и коллектора уменьшается до нуля.I б+t = τ ln(1 +).рI б−(15.13)Из формулы (15.13) видно, что, чем больше импульс запирающего токаI − , тем меньше время рассасывания.б5 этап. Время формирования спадающего фронта импульса коллекторного тока (время среза) ─ время запирание транзистора.В момент времени t 5 на коллекторном переходе установилось обратноенапряжение.
В глубине базы осталась ещё какая то часть неосновных носителей и с t 5 по t 6 происходит рассасывание этого остаточного заряда. В моментвремени t 6 транзистор запирается и в его цепи течёт лишь ток неосновныхносителей. Транзистор перешёл в режим отсечки. Время среза на уровне 0,1от I кн определяется, в основном, постоянной времени коллекторной цепи,правда, есть ещё параметр ─ время пролёта носителей, но оно несущественно.t = 2,3τ отс ,(15.14)сгде τ отс = 0,25 t пр + С к R к .ПримечаниеСигнал, который проходит через все цепи цифровой логической схемы,на выходе появляется с некоторой задержкой по времени относительно времени подачи входного сигнала.
Поэтому, не менее важным показателем дляцифровой ИС будет время задержки распространения сигнала. Задержкараспространения сигнала в схеме определяет быстроту, с которой эта схемареагирует на изменение состояния на её входе, и выражает ту задержку, которую испытывает сигнал при прохождении через схему. Измеряется задержка между точками перехода входным и выходным сигналами уровня50% (рис.15.10 – для инвертирующей схемы). Такой способ измерения за-держки на уровне 50% вызван предположением, что порог переключенияобычно лежит посредине размаха логического сигнала.Так как у схемы разные времена реакции на нарастающий и спадающийфронты входного сигнала, то необходимо учитывать две задержки распространения:а) задержка, которая определяет время реакции схемы для случая перехода выходного сигнала из низкого в высокое логическое состояние (нарастающий фронт);б) задержка, которая определяет время реакции схемы для случая перехода выходного сигнала из высокого в низкое логическое состояние (спадающий фронт).Uвх50%tUвыхt10t0190%50%10%tсфttнфРис.15.10Задержка распространения сигнала (её среднее значение) определяетсяПо формулеt 01 +t10.t зрср =2Задержка распространения определяется не только особенностями технологии изготовления микросхемы и её топологии.
Наиболее важно то, чтозадержка является функцией наклона фронтов входного и выходного сигналов. Для количественной оценки этих свойств вводятся понятия временифронта нарастания t нф и времени фронта спада (среза) t сф – рис.15.10. Этипонятия и определяют быстроту перехода сигналов от одного уровня к другому.4. Теоретическое обобщение по темеВ этой лекции был проделан анализ работы простейшего ключа на биполярном транзисторе, его основные параметры и переходные процессы внём. На основе таких простейших ячеек строятся сложные цифровые схемы,например, схема транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) – в лекции №16,рис.16.12, стр.13.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
