110250 (709252), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

_____________

F=x1+x2+ x3+…+xn

Примеры использования функционально полных элементов сведены в таблице 2, где показано, как набором элементов И/-НЕ можно реализовы- вать функции И, ИЛИ, НЕ.

Таблица 2

Реализация логических устройств на базе комбинированных элементов упрощает компановку и ремонт устройств.

1. СХЕМНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Основой для построения узлов импульсной и цифровой техники служат полупроводниковые ключевые схемы. Ключевая схема (ключ) позволяет подключать нагрузку к источнику или отключать ее и таким образом коммутировать ток в нагрузке. В качестве электронных ключей применяют диоды, транзисторы, тиристоры и некоторые другие электронные приборы.

3.1. Ключевой режим работы биполярного транзистора

Простейший транзисторный ключ – каскад на биполярном транзисто-ре, включенный по схеме с общим эмиттером, представлен на рис. 4. Выход-

ное сопротивление транзистора по постоянному току со стороны электродов коллектор-эмиттер может изменяться в широких пределах в зависимости от положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике (рис. 5).

Рис. 4

Рис. 5

Точка 1 на рис. 5 соответствует режиму отсечки (состояние ''выключе-но''), в котором падение напряжения на транзисторе V'КЭ близко к напряже-нию источника питания EК. Точки IК и IБ при этом минимальны и равны обратному току коллекторного перехода IКО.

Точка 2 (состояние ''включено'') соответствует режиму насыщения. При этом через транзистор протекает максимально возможный при данных EК и RК ток, практически равный ЕК/RК, т.е. определяемый величиной нагрузочного сопротивления. Падение напряжения на транзисторе VКЭ'' в этом случае минимально.

Для переключения транзистора из режима отсечки в режим насыще-ния необходимо обеспечить определенный ток базы IБ'', для чего на эмит-терный переход требуется подать соответствующее этому току напряжение VБЭ.

Важнейшим показателем работы электронных ключей является их быстродействие, которое определяется скоростью протекания переходных процессов при переключении. Мгновенное переключение транзисторного ключа невозможно из-за инерционности свойств транзисторов, а также наличия паразитных реактивных элементов схемы и проводников.

Рис. 6

Переход транзистора из одного стационарного состояния в другое происходит с задержками времени tВКЛ и tВЫКЛ (рис. 6). Длительность фронта включения tВКЛ зависит от времени распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору и значения коллекторной емкости. Это время уменьшается при увеличении тока базы.

Задержка выключения tВЫКЛ связана с тем, что под действием выклю-чающего сигнала происходит рассасывание заряда, накопившегося в базе

при насыщении транзистора.

Таким образом, быстродействие транзисторного ключа зависит от частотных свойств используемого транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок величин задержек составляет от долей единицы до микросекунд.

Ключевые схемы широко используются в устройствах, оперирующих с информацией, представленной в цифровой форме. В частности, их применяют в элементах, выполняющих простейшие логические операции. Переключение основной схемы из одного состояния в другое производится с помощью управляющих сигналов, подаваемых на ее вход. Эти сигналы могут быть представлены в виде ступенчатого или импульсного напряже-ния.

В логических устройствах сигнал может принимать только два значения: логического нуля и логической единицы. Если логической единице соответствует высокий потенциальный уровень, а логическому нулю – низкий, такую логику называют положительной (позитивной). В противном случае логика называется отрицательной (негативной). Интегральные логические элементы изготавливаются в основном для работы в позитивной логике.

Рассмотренный нами простейший транзисторный ключ выполняет логическую операцию отрицания (операцию НЕ). Высокому уровню напряжения на входе ключа (''1'') соответствует низкий уровень напряжения на его выходе (''0''), и наоборот.

В совокупности с другими элементами транзисторные ключи могут реализовать более сложные функции.

3.2. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Простейшая ключевая схема имеет один управляющий вход и один выход. В общем случае число входов и выходов может быть больше. На рис.7 приведена схема логического элемента И-НЕ, построенная на основе

транзисторного ключа. В состав элемента входит ключевая схема на транзисторе VT2. Управление схемой производится с помощью многоэмит-терного транзистора VT1. Многоэмиттерный транзистор разработан специ- ально для микроминиатюрных логических устройств. На его входах (эмиттеры) могут подаваться сигналы высокого (''1'') либо низкого (''0'') уровня.

Рассмотрим принцип работы схемы. Если на все входы (в данном случае на три) подан высокий положительный потенциал ( x1=x2=x3=1),

Рис. 7

транзистор VT1 закрывается, потенциал коллектора VT1 близок к напряжению +Eк, что приводит к отпиранию транзистора VT2. Напряжение на выходе VT2 устанавливается низким, т.е. выходной сигнал соответствует логическому нулю (F=0).

При наличии на одном из входов логического нуля, например, x1=0, VT1 открывается. На коллекторе транзистора VT1 в этом режиме устанавли-вается низкий потенциал, и что приводит к закрытию транзистора VT2. На выходе устанавливается высокий потенциал, соответствующий логической единице, т.е. при x1=0 F=1 при любом состоянии входов x2 и x3. Таким обра-зом схема реализует функцию ЗИ-НЕ.

1. Логические элементы на основе полевых транзисторов

1. МОП-транзисторная логика на ключах одного типа проводимости

Одним из основных достоинств полевых транзисторов с изолирован- ным затвором (МОП-транзисторов) по сравнению с биполярным является более высокая технологичность и возможность изготовления на одной под-ложке большого числа приборов с идентичными параметрами. Кроме того, полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощности по входной (затворной) цепи.

Если логические элементы на базе полевых транзисторов выполнены по интегральной технологии, то в качестве нагрузки ключевого транзистора с точки зрения упрощения технологии оказывается более выгодным исполь-зовать не резистор, а второй МОП-транзистор, у которого затвор и исток замкнуты.

Транзисторы пМОП-типа являются в 2-3 раза более быстродействую-щими по сравнению с транзисторами рМОП-типа и требуют меньшей пло-щади полупроводниковой поверхности, существенно более экономичны и поэтому часто используются в микромощных БИС.

На рис. 8 представлен инвертор на МОП-транзисторах с п-каналом и использованным затвором. Нагрузкой инвертора в этой схеме служит тран-зистор VT1, затвор которого соединен с источником положительного напря-

Рис. 8

жения. Поскольку вольт-амперная характеристика транзисторов нелинейна, то и выходное сопротивление при переключении изменяется нелинейно. По этой причине данная схема получила название ключа с нелинейной нагрузкой.

Транзистор VT2 называется активным (управляющим). При низком входном потенциале (логический ''0'' на входе) транзистор VT2 закрыт, ток

-9 -10

стока IС=10 – 10 А и менее, VВЫХ  EК (логическая ''1'' на выходе).

Когда на входе высокий потенциал (логическая ''1'' на входе), транзис-тор VT2 отпирается, сопротивление канала резко падает и VВЫХ  0 (логичес-кий ''0'' на выходе). Таким образом, в результате переключения транзистора выходное напряжение изменяется от EК до 0, т.е. схема реализует логичес-кую функцию НЕ.

3.3.2. МОП-транзисторная логика на комплиментарных транзисторах

(КМОП-логика)

В основу построения данной логики положен комплиментарный

транзисторный ключ, состоящий из последовательно соединенных полевых транзисторов с разным типом проводимости канала (рис. 9). В такой схеме коммутируются оба транзистора одновременно, так как затворы их соедине-ны, т.е. на оба затвора поступает управляющий сигнал.

Рис. 9

При низком уровне входного сигнала открыт транзистор VT2 с р-каналом, а транзистор VT1 с п-каналом закрыт. При этом выходное напряже- ние снимаемое со стоков обоих транзисторов, примерно равно ЕО.

При высоком уровне входного сигнала открыт транзистор VT1, а тран- зистор VT2 закрыт, т.е. выходное напряжение близко к нулю. Схема реали-зует логическую функцию НЕ.

Основным достоинством этой схемы по сравнению с предыдущей является то, что в статическом состоянии один из транзисторов всегда зак-рыт, и поэтому мощность, потребляемая от источника питания, очень мала. Расход мощности источника питания происходит только при переключении транзисторов и определяется в основном процессами перезаряда паразитных емкостей.

Недостатки схем на комплиментарных транзисторах – большое число элементов в логических схемах, усложнение технологии их изготовления, что приводит к увеличению площади кристалла и стоимости изготовления по сравнению с интегральными схемами на однородных МОП-транзисторах.

3.4. Эмитеррно-связанная логика (ЭСЛ)

В логических элементах ЭСЛ в качестве ключа применяют транзисторные переключатели тока, производящие переключение тока от одной нагрузки к другой (рис. 10).

Рис. 10

Принцип работы переключателя тока аналогичен принципу работы дифференциального усилительного каскада в режиме ограничения амплиту-ды выходного сигнала. На базу транзистора VT2 дифференциального усили-теля подается напряжение смещение ЕСМ, а а переключение тока IО генерато-ра тока с транзистора VT1 на транзистор VT2 происходит за счет подачи на базу транзистора VT1 управляющего сигнала от внешнего источника. Для надежного переключения транзисторов достаточно изменения уровня вход-ного управляющего сигнала примерно на 0,5  0,6 В.

Глубокая отрицательная обратная связь по току в схеме дифферен-циального каскада обусловливает то обстоятельство, что коллекторный ток каждого из транзисторов не может превысить ток генератора тока в эмиттер-ной цепи транзисторов. Выбором элементов схемы можно добиться выпол-нения условия IО < IК.НАС, поэтому транзисторы не переходят в режим насыще-ния и при переключении остаются в активном режиме. Эта особенность в сочетании с хорошими частотными свойствами транзисторов и самой схемы переключателей тока определяет ее высокое быстродействие. Время переключения таких схем может быть порядка нескольких наносекунд.

Связь между транзисторами в переключателе тока осуществляется через генератор тока, включенный в неразветвленную цепь эмиттеров транзисторов. Это обстоятельство обуславливает название логических элементов, построенных на рассмотренном типе ключа, – эмитеррно-связанная логика.

Рассматриваемая схема имеет два выхода: F1 и F2. На выходе F2 фик-сируется результат операции эквивалентности F2 = x, а на выходе F1 – опера-ции НЕ F1 = x.

Когда на логическом входе действует напряжение логической едини-цы (x = 1), транзистор VT1 открывается, а VT2 – запирается. При этом на логическом выходе F2 имеем логическую единицу (F2 =1), а на выходе F1 – логический ноль (F1 =0).

Если напряжение на входе элемента становится равным напряжению логического ноля (x=0), транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. В этом случае на логическом выходе F1 имеем логическую единицу (F1 =1), а на логическом выходе F2 – логический ноль (F2 =0).

3.5. Интегральная инжекционная логика (И²Л-логика)

Схемы И²Л выпускаются только в интегральном исполнении. И²Л-схемы работают с весьма малыми перепадами логических уровней и требуют минимальной площади поверхности полупродниковой подложки. Показатель степени ''два'' в обозначении указывает на то, что транзистор, осуществляющий питание (инжектор), работает в режиме двойной инжекции.

На рис. 11 изображен инвертор, выполненный в интегральной инжекционной логике. Питание И²Л-схем осуществляется от источника тока через p-n-p-переход транзисторов VTП, имеющих общую эмиттерную p-область, называемую инжектором. Транзисторы VTП имеют продольную структуру, причем p-область базы транзистора VTП физически совмещена с эмиттерной p-областью транзистора VT.

Характеристики

Список файлов реферата