Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Заметьте также, что в типичном случае сопротивление открытого диода, равное 25 Ом, малб по сравнению с другими сопротивлениями в цепи, поэтому после того, как падение напряжения на смещенном в прямом направлении диоде Кдостигает 0.6 В, дальнейшее увеличение напряжения очень малу. Таким образом, для практических целей можно считать, что падение напряжения на диоде, смещенном в прямом направлении, составляет 0.6 В или близкую к этому значению величину. СТАВИЛ ИТРОН Ы В стабилитранах (Х«пег 6((аг(ез) используется режим пробоя диодов, в частности, большая крутизна вольт-амперной характеристики в области пробоя.
Вместе с резистором, ограничивающим ток пробоя, сибил нтрон можно применять для стабилизации напряжения. Для таких применений выпускается множество стабилитронов с различными напряжениями пробоя. 3.9.Логические схемы набиполириыхтранзисторах 183 3.9.2. Диодная логика Свойства диода можно использовать для реализации логических операций.
Рассмотрим логическую систему с напряжением питания 5 В и параметрам н, указанными в табл. 3.9. В пределах 5-вольтового диапазона напряжения сигнала разбиты надва поддиапазона: нижний ((.ОЧЧ) и верхний (Н!ОН) с зоной запаса помехоустойчивости между ними шириной 1 В. Напряжение, попадающее в поддиапазон ~Ову, рассматривается как логический О, а напряжению, попадающему в поддиапазон Н!ОН, приписывается значение логической 1. табл.
3.9. Логические уровни в простой диодной логической системе Значение вдвоичнсй системе 0-2 вольта 2-3 вольта 3-5 вольт запас помехоустойчивости ноч не определено 1 Используя эти определения, можно образовать диодную схему И, как показано на рис. 3.64(а). Предположим, что в этой схеме на оба входа Х и у подан сигнал, имеющий высокий уровень, скажем 4 В, как изображено иа рнс. 3.64(Ь). Тогда оба диода смещены в прямом направлении и выходное напряжение Р„больше значения 4 В на величину прямого падения напряжения на диоде, то есть равно приблизительно 4.6 В.
От шины питания с напряжением 5 В через этн два диода в источники входного напряжения 4 В текут небольшие таки, величина которых определяется сопротивлением резистора )!. Стрелки на рисунке показывают пути, по которым текут эти токи. Теперь предположим, что напряжение Р снижается до 1 В, как показано на рис.3.64(с). В диодной схеме И выходное напряжение равно наименьшему из двух входных напряжений плюс падение напряжения на открытом диоде.
Таким обра- ЗОМ, НаПряжЕНИЕ г' ПадаЕт да 1.6 В, а дИОд В2 ОКаЗЫВаЕтСя СысщЕННЫМ В ОбратиОМ направлении (напряжение на аноде равно 1.6 В, а на катоде по-прежнему 4 В). Низкий уровень на одном из входов «понижает» напряжение на выходе диодной схемы И до низкого уровня. Ясно, что наличие низкого уровня на двух входах закже создает низкий уровень на выходе. Сказанное отражено на рис. 3.64(д) в виде таблицы и повторено в терминах двоичных логических значений на рис. 3.64(е); очевидно, что это схема И. На рис. 3.65 (а) приведена логическая схема с двумя соединенными один за другим вентилями И, а на рис. 3.65(Ь) — эквивалентная электрическая схема с конкретной комбинацией значений входных сигналов. Этот пример показывает необхолимость диодов в схеме И: наличие диода ТзЗ позволяет сигналу на выходе Е первого вентиля И оставаться на высоком уровне, в то время как напряжение на выходе С второго вентиля И снижается до низкого уровня в результате прохождения сигнала со входа В через диод ь!4.
184 Глава 3. Цифровывохемы (Ь) (а) +БВ Ут 4.6 Ч 2 4 +6 В (е) ХУТ !.6В Рис. 3.64. Диодная схема И: (а) электрическая схема; (Ь) случай, когда сигналы на обоих входах имеют высокий уровень (Н)ОН); (с) случай, когда на одном из входов имеется высокий уровень (Н)6Н), а на другом — низкий уровень (ЬОЧ/); (б) таблица, описывающая работу схемы; (е) таблица истинности О +О В +5 В (Ь) 1.6В С Рис.
3. 66. Две схемы И: (а) логическая схема; (Ь) электрическая схема 1 (а) О Ьа 1оа Ххо Ыв МЯЛ 1оа МОЬ 1оа 1оа Гтев МОЛ ЫОЛ О О О О 1 О 1 О О 1 1 1 3.9.Логическиесхеыынвбмпспярныхтрвнвисторах 186 Когда диодные вентили соединяются так, как показано нв рис.
3.65, уровни логических сигналов отклоняются от напряжения питания и потенциала земли и приближаются к области неопределенности Таким образом, для нормальной работы за днодным вентилем И должен следовать трввписторный усилитель, восстанавливающий логические уровни; такая схема применяется в ТТЛ-вентилях И-НЕ, рассматриваемых в разделе 3.10.1. Однако иногда для разработчиков логических схем бывает соблазнительным воспользоваться дискретными диодами, чтобы реал изовать требуемую логику в том нли ином частном случае; см. нштример, задачу 3.95.
3.9.3. Биполярные транзисторы Биполярный транзистор (Ь(ро!аг уипсйоп ггапз(з(ог) — это устройство с тремя выводами, которое в большинстве логических схем действует подобно ключу, управляемому током. Если в один из выводов, называемый базой (Ьазе), втекает небольшой ток, то ключ «замкнут»: между двумя другими выводами, которые называются эмиттером (ет(пег) и коллекторам (со!(есгог), может протекать ток. Если в базу ток не втекает то ключ «разомкнут» и ток между эми пером и коллектором не течет. Изучение транзистора мы начнем с рассмотрения двух диодов, соединенных так, как показано на рис. 3.66(а).
В этой схеме ток может протекать от точки В к точке С нли к точке Е, если соответствующий диод открыт. Однако от точки С к точке Е и в обратном направлении ток протекать не может, так как при любом выборе напряжений в точках В, С и Е один или оба диода будут заперты. На рис. 3.66(Ь) эти два диода показаны в виде р-п-переходов.
Рис. 3.66. Переход от полупроводниковых диодов к и-р — и-транзистору: (в) встречное включение диодов;()з) представление диодов в виде р-и-переходов,(с) структура л-р-п-трвнзисторв, (б) условное обозначение и-р-л-транзистора Теперь предположим, что диоды, включенные встречно, изготовляются так, что область полупроводника р-типа у них общая, квк показано на рис. 3.66(с). Получающаяся структура называется и-р-п-трапзистором (прп Л апзигог); она обладает поразительным свойством (по крайней мере, физикам, придумавшим транзисторы еще в 50-е годы, это свойство казалось потрясающим! ): если обеспечить протекание тока через р-п-переход база-эмиттер„то тогда возможно также протекание тока и через п-р-переход коллектор-база (что в нормальных условиях невозможно), так что в результате ток течет от коллектора к эмнттеру.
186 Глава 3. Цифровые схемы условное обозначение п-р — п-транзистора показано на рнс. 3.66(п). Обратите внимание, что в условном обозначении транзистора имеется стрелка, указывающая положительное направление тока, Кроме того, это напоминает нам, что переход база-эмиттер является р-п-переходом, таким же, как диод, в условном обозначении которого имеется стрелка, направленная в ту же сторону. Можно также изготовить р — и-р-транзистор (рпр а апмтаг), показанный на рис. 3.67. Однако р-и-р-транзисторы редко используются в цифровых схемах„так что в дальнейшем мы не будем их рассматривать. Рис.
3.67. р-и — р-транзистор; (а) структура; (о) условное обозначение авипер тлвепор Ток эмиттера 1, вытекающий из п-р-птранзистора, равен сумме гоков 1 и 1, втекающих в транзистор со стороны базы и коллектора. Транзистор часто является составной частьюусилитезя (атр1(1)ег) сигнала, поскольку в пределах некоторого рабочего диапазона (актавпая область; асгл е ге8(оп) ток коллектора равен произведению тока базы на фиксированную константу (1 = р 1ь). Однако в цифровых схемах, как объясняется ниже, транзистор обычно используют в качестве простого ключа, который всегда либо «замкнут», либо «разомкнут».
На рис. 3.68 показано включение и-р-п-транзистора по схеме с общим эмиттераи (сот топ-ет Шее соеЯнгагюп), которая чаще всего встречается в цифровых схемах. Эта схема помимо одного и-р-и-транзистора содержит два дискретных резистора Я1 н л2. Если напряжение р равно 0 или отрицательно, то переход база-эмитгер оказывается запертым, и ток базы (1 ) течь не может. Коль скоро отсутствует ток базы, то не может протекать и ток коллектора (1,); в таком случае говорят, что транзистор находится в состоянии отсечеаг (сиг огу), то есть закрыт (Огг). ~сс Рис. 3.68. Схема с общим эмитте- ром на и-р-и-транзисторе яг 3.9.Логическмесхемыивбипопяриыхтрвиаисторах 187 Поскольку переход база-эмиттер является не идеальным, а реальным диодом, прежде чем сможет протечь какой-либо ток базы, напряжение Г,н должно достичь, по крайней мере, вел ичины +0.6 В (падение напряжения на открытом диоде).
Как только это произойдет, согласно закону Ома получим: !ь = (и~и -0.6) к! (Обычно пренебрегают малым сопротивлением !! открытого перехода база-эмиттер по сравнению с сопротивлением базового резйстора Я1.) Когда течет ток базы 1, тогда может течь пропорциональный ему ток коллектора, равный 1,=,В 1ь Коэффициент пропорцнонал ьности )з называется коэффипиентам усиления (яа!п) тока транзистора; в типичном случае величина )!имеет значение порядка ! 00. Хотя ток базы! определяет ток коллектора1, он, помимо этого, косвенно алие яет на напряжение К между коллектором и эмиттером, так как К равно напряжению питания !г минус падение напряжения на резисторе Р2: !'се =ксс ! 'й2=ьсс Ф'1ь'Р2=)сс-Ф'()'!ы-о.б) й2~й1.
Однако в идеальном транзисторе напряжение )г „. никогда не может быть меньше нуля (транзистор, конечно, не может быть источником отрицательного потенциала), а в реальном транзисторе )г никогда не может быть меньше напряжения К „„, являющегося параметром транзистора; величина Р, обычно бывает порядка 0,2 В. Если значения )гие Д Ж и й2 таковы, что напряжение !' „., вычисленное согласно приведенному выше выражению, меньше чем К, то транзистор не может находиться в активной области, и указанное соотношение не применимо.
В этом случае транзистор переходит в область насыщения (загигайоп гея!оп) или, как говорят, оказывается насыщенным (залпа!ее!) и полностью открыт (Ог!). Независимо от того, насколько велик ток 1, втекающий в базу, напряжение )г „. не может стать меньше У, поэтому ток коллектора1 определяется, главным образом, сеп ер с сопротивлением резистора нагрузки Р2: 1с (~ СС гСЕ(зай)/(н2+ йСЕ(зм)) где Я .
— сопротивление транзистора в режиме насыщения (за!ига!!оп сепап гели!апов). Как правило, сопротивление Я не более 50 Ом и пренебрежимо св!ье! мало по сравнению с Ю. Специалистам в области информатики может понравиться представление об и-р-и-транзисторе как об устройстве, которое непрерывно наблюдает за тем, что происходит вокруг, выполняя приведенную в табл. 3.10 программу, моделирующую поведение транзистора (!гапзЬгог з!ти!а!Гоп).
188 глава з. Цифровыеохемы Табл. 3. 10. программа на языке С, моделирующая поведение о — р — л-транзис- тора в схеме с общим эмиттером /» Тгапв1впог регашвсегв */ №де11пе 010РЕРКРР 0.6 /* чс1са »/ №о»11пе ВЕТА 10; №йе11пе ЧСЕ„ЗАТ 0.2 №йвХ1пе КСЕ ВАТ 60 /» то1св»/ /» опав»/ шаьп О 11оас Чсс, Чьп, К1, В2; /* с1тсп1с ратааесетв »/ 11оас 1Ь, 1с, Чсе; /» с1гсп1п соп61С1опв »/ 11 (Чьп < 01РРЕРВОР) ( /» спс отт »/ 1Ь = 0.0; 1с = 0.0; Чсе = Чсс; е1ве ~ /* асс1те от ааспкасеа »/ 1Ь = (Ч1п — 010РЕРКРР) / В1; 11 ((Чсс - ((ВКТА » 1Ь) * В2)) >ы ЧСЕ ВАТ) 1с = ВЕТА » 1Ь; Чсе = Чсс — (Хс » К2); /» асе1ие */ е1ве ~ Чсе 1с ) /» ааспкасеа »/ = ЧСЕ ЯАТ; = (Чсс — Чсе) / (К2 + ВСЕ ЯАТ); 3.9.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
