ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Транзисторные ключи
Основу построения логических устройств любой степени сложности составляют так называемые базовые логические элементы, выполняющие простейшие логические операции, они присутствуют практически во всех современных сериях цифровых интегральных схем.
Основой широко распространенной серии ИС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ): К155 и усовершенствованные модификации К533, К555, К1533 и др.) является ключевой элемент (ключ) на биполярном транзисторе, выполняющий операцию логического отрицания. Используется также название ключа — инвертор. Схема транзисторного ключа приведена на рис..1. Характерной особенностью схемы является работа транзистора либо в режиме «закрыт» — рабочая точка на выходных характеристиках транзистора располагается на границе области отсечки (логический 0 по коллекторному току), либо в режиме «открыт» — рабочая точка располагается на границе области насыщения (логическая 1 по коллекторному току). Кроме того, из-за инерционных свойств транзистора переход рабочей точки из одного состояния в другое происходит не мгновенно, поэтому необходимо учитывать переходный процесс переключения, влияющий на параметры выходного импульса коллекторного тока.
Условное графическое изображение инвертора показано на Рис..2.
В состоянии насыщения транзистор как бы «стянут» в точку, грубой аналогией этого состояния может служить замкнутый ме-
Рис.1
ханический тумблер. При этом в идеальном случае должно быть Uвых=0 (логический 0), однако реально Uвых равно напряжению насыщения транзистора (около 0,5 В для кремниевых транзисторов),это напряжение называют остаточным параметром, характеризующим неидеальные свойства ключа в указанном режиме. В режиме насыщения ток коллектора макси-
Рис. 2
мален, ограничен только сопротивлением коллекторной нагрузки R к
для поддержания коллекторного тока насыщения, очевидно, необходимо создать ток в базе транзистора
где h21э — коэффициент передачи базового тока в коллектор для схемы с общим эмиттером.
Практически из-за технологического разброса h21э, а также его нестабильности в температурном диапазоне реальный базовый ток должен быть больше теоретического значения, величина реального тока базы
поскольку напряжение на открытом переходе база—эмиттер Uб_э«Uвх.
Отношение Iб.реал/Iб.нас =.Sназывают коэффициентом насыщения (практически его величина лежит в пределах 5... 10 относительных единиц).
В состоянии отсечки сопротивление между коллектором и эмиттером транзистора велико, грубой аналогией в этом случае является разомкнутый механический тумблер. При этом напряжение на выходе в идеальном случае должно быть равно напряжению коллекторного питания (если сопротивление нагрузки ключа бecконечно велико) и трактуется как логическая единица. Однако из-за наличия теплового тока коллектора образуется напряжение на коллекторном резисторе и реальное напряжение на выходе будем
т. е. несколько меньше (на единицы милливольт) идеального. Напряжение Ik0Rk также называется остаточным параметром в режиме отсечки и характеризует неидеальность ключа в этом режиме. Кроме того, указанный режим накладывает ограничения НШ предельную величину резистора, ограничивающего базовый токи. Поскольку тепловой коллекторный ток создает напряжение на этом резисторе, причем его полярность является отпирающей для транзистора, то при слишком большой величине Rб транзистор из состояния отсечки может перейти в активный режим, т. е. произойдет несанкционированное срабатывание ключа (низкий уровень напряжения логической единицы или переход транзистора в открытое состояние). Опасность несанкционированного срабатывания резко возрастает, если ключ работает в широком температурном диапазоне, поскольку тепловой ток коллектора удваивается на каждые 10 °С повышения температуры окружающей среды. Очевидно, что величина Rб должна быть ограничена сверху в соответствии с условием:
где Uб-э.пор — напряжение отпирания транзистора по базе; Iк0 max — максимальное значение теплового тока для данного типа транзистора и заданных условий внешней среды.
Переходный процесс переключения транзистора между указанными состояниями исследуется с помощью так называемого метода заряда в базе транзистора. Суть метода заключается в следующем: скорость изменения заряда в базе при переключениях ключа можно записать
где Q — величина заряда; Iб — установившееся значение тока базы; τ — постоянная времени транзистора (пропорциональна времени жизни неосновных носителей заряда в базе). После очевидных преобразований получим:
|
Итак, имеем неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка, аналогичное уравнениям, описывающим поведение.RС-цепей с одной реактивностью в переходном процессе. Решение таких уравнений рассматривается в курсе теоретических основ электротехники.
Рис. 3
Вид функции на рис.3; Практический интерес представляет интервал времени, в течение которого заряд изменяется в определенных пределах, например
для рис..3 в пределах от Q(t\) до Q(t2). Из общего решения можно найти моменты времени t1 , t2 и их разность:
|
Временные диаграммы, поясняющие процесс переключения транзисторного ключа при подаче на его базу прямоугольного импульса тока и влияние переходного процесса на форму и параметры выходного (коллекторного) импульса тока, приведены на рис..4.
Пользуясь приведенными ранее соотношениями, можно определить временные параметры импульса коллекторного тока. Так, для длительности переднего фронта получим:
|
Для рассматриваемой фазы импульса:
|
Применим разложение функции натурального логарифма в степенной ряд:
где x = S/(S-1)
Получим:
Из полученного выражения следует, что для уменьшения длительности переднего фронта необходимо увеличивать степень насыщения транзистора на этапе включения. Таким образом, время включения транзистора при подаче отпирающего импульса тока в базу составит:
Рис. 4
tвкл=tзад +tф+ =0,25τ + τ/S
где tзад- время заряда емкости коллекторного перехода, tзад=t1-t0
По изложенной методике найдем время рассасывания избыточного заряда в базе
В данном случае необходимо уменьшить насыщение транзистора, чтобы ускорить процесс его выключения, т. е. для улучшения параметров импульсов выходного коллекторного тока необходимо удовлетворить противоречивые требования относительно коэффициента насыщения транзистора.
Длительность заднего фронта выходного импульса найдем, предполагая, что его формирование закончилось при снижении величины заряда в базе до уровня 0,1Qн, тогда
Известны методы ускорения переходных процессов транзисторного ключа.
Метод форсирующего конденсатора основан на свойстве конденсатора сохранять неизменным напряжение на нем в момент поступления переднего фронта входного импульса, т. е. фактически в этот момент его реактивное сопротивление равно нулю (первый закон коммутации теории переходных процессов в RС-цепях). Схема включения форсирующего конденсатора приведена на рис.5.
В момент включения ток базы достигает максимальной величины — Iб max= Um/ Rб-э, где Rб-э — входное сопротивление транзис-
Рис. 5 Рис. 6
Рис. 7
тора., тем самым обеспечивается высокое значение коэффициента насыщения и минимальная длительность переднего фронта коллекторного тока. По мере заряда конденсатора ток
базы уменьшается и в конце входного импульса достигает минимальной величины Iб mjn= Uвх /(Rб + Rб- э), обеспечивающей S=1.
Метод введения нелинейной отрицательной обратной связи с использованием диода Шоттки также обеспечивает разное насыщение транзистора в процессе его коммутации аналогично предыдущему случаю, однако технологически проще реализуем в интегральном исполнении. Особенностью диода Шоттки является малый порог срабатывания и высокое быстродействие, благодаря чему отрицательная обратная связь срабатывает раньше, чем транзистор ключа войдет в насыщение. Схеме ключа с диодом Шоттки представлена на рис. 6.
Падение напряжения на диоде Шоттки обеспечивает положительный потенциал коллектора относительно базы, предотвращая тем самым смещение коллекторно-базового перехода в прямом направлении и накопление избыточного заряда в базе. В современной схемотехнике ИС серии ТТЛ диод Шоттки интегрирован с транзистором (ТТЛШ).
Инвертор (ключ) на полевых транзисторах является основой! популярной серии КМОП (К561,564). Ключ выполнен на двух полевых транзисторах с дополнительной симметрией (К дополнительный), т. е. транзисторы имеют каналы различного типа проводимости. На рис. 7 приведена схема такого ключа на полевых транзисторах с индуцируемыми р- п -каналами.
Переключение ключа происходит, когда входное напряжение превышает по модулю порог срабатывания транзисторов. При этом
Uпор VT1 » - 0,5U; Unop VT2 » + 0,5 U
Таким образом, при UBX = 0 (логический 0) VT2 — закрыт, VT1 - открыт, поскольку на его затворе действует потенциал -U, на выходе формируется высокий уровень, примерно равный напряжению питания + U (логическая 1). При Uвх » +U (по входу ключ управляется выходным напряжением аналогичного элемента) состояние транзисторов противоположно предыдущему и на выходе напряжение оказывается близким к нулю (логический 0).
Базовый логический элемент И —НЕ серии ТТЛ
На основе ключей на биполярных транзисторах строятся базовые логические элементы (БЛЭ) ИС серии ТТЛ: И—НЕ (штрих Шеффера), ИЛИ — НЕ (стрелка Пирса), на которых возможна реализация сложных логических устройств с наименьшими затратами аппаратных средств.
Логический элемент И — НЕ имеет условное графическое обозначение, показанное на рис. 8, выполняет логическую операцию
Принцип работы и техническая реализация указанного элемента показаны на рис. 9. Основой схемы является многоэмиттерный транзистор VT1, выполняющий операцию конъюнкции (И), фактически он представляет собой интегрированный набор диодов: по числу входов — два и числу выходов — один. Операция НЕ реализуется транзисторами VT2, VT3, VT4 с одновременным усилением выходного сигнала. Диоды VD1, VD2 необходимы для повышения порогов срабатывания транзисторов VT2 и VT3 в целях их надежного запирания при низких уровнях входных напряжений. Резисторы R1...R4 обеспечивают допустимые режимы работы транзисторов по базовым и коллекторным токам транзисторов. Характерной особенностью ТТЛ-схем является напряжение питания +5 В.
Введем обозначения физических уровней логических 1 и 0 как Е1 и Е0 соответственно.
Работа базового элемента происходит следующим образом.
U вх1 = Uвx2 = Е0 — эмиттерные выводы VT1 через внутренние сопротивления источников входных сигналов соединены с общей точкой, базоэмиттерные переходы открыты и шунтируют коллекторно-базовый переход VT1, ток базы VT2 равен нулю и транзисторы VT2 и VT4 закрыты. В этом случае транзистор VT3 отпирается током базы по цепи «Un—R2 — базо-эмиттерный переход VT3— VD2 — RH — общая точка», на выходе формируется высокий уровень напряжения: Е1 » UnRH/(R3 + RH) — логическая 1.
Комбинации входных сигналов: Uвх1 =E1; U x2 =E0 или U BXl =E0; UBx2 = Е 1 — состояние схемы не изменяется, поскольку коллекторно-базовый переход VT1 шунтирован одним из открытых базоэмиттерных переходов, на выходе сохраняется логическая 1
Рис. 8
Рис..9. Схема базового элемента И —НЕ серии ТТЛ
Комбинация входных сигналов: Uвх1 = Uвх2 = Е1 — оба базоэмиттерных перехода VT1 закрыты высокими запирающими напряжениями, открывается коллекторно-базовый переход транзистора VT1, и его коллекторный ток открывает транзистор VT2 по цепи: « Uп —R1— коллекторно-базовый переход VT1—VD1 —база VT2». Эмиттерный ток VT2 создает напряжение на резисторе R4, отпирающее транзистор VT4, тем самым вывод выхода оказывается соединенным с общей точкой через малое сопротивление между коллектором и эмиттером открытого VT4 и на выходе формируется низкое напряжение Е0 (логический 0).
Таким образом, приведенная схема реализует таблицу истинности логической операции штрих Шеффера. Типичным представителем рассмотренного базового логического элемента является микросхема серии ТТЛ — К555ЛАЗ, содержащая четыре двухвходовых элемента И — НЕ.
Основные параметры и характеристики базового логического элемента ТТЛ:
I1 вх = 40 мкА — входной ток при UBX = Е1 (обратный ток базоэмиттерного перехода VT1);
I0 вх =1,6 мА — входной ток при UBX = Е0 (максимальное значение для открытого базоэмиттерного перехода VT1);
I1 вых = I0 вых =16 мА — максимально допустимый выходной ток;
коэффициент разветвления: n = Iвых / I0вх = 16 — допустимое число аналогичных логических элементов, которое может быть подключено к выходу одного базового логического элемента при создании сложных логических устройств;
Uвых = U1 = 2,4...4,5Вв зависимости от величины сопротивления нагрузки;
Uвых = Е0 = 0,2...0,4 В в зависимости от величины выходного тока;
Рис. 10
Uвх=Е1 или Е0, поскольку логические элементы одной серии ИС, как правило, соединены по выходам (входам) между собой; быстродействие базового логического элемента оценивается временем перехода выходного напряжения из состояния Е0 в Е1(t01) (t10) и зависит от задержки срабатывания транзисторных ключей, рассмотренной ранее. Обычно принимают t01=t10=3tзюср, практически эта величина составляет 10…20 нс;
помехоустойчивость ИС ТТЛ можно оценить по передаточной характеристике, идеализированный вид которой для наиболее тяжелого режима (минимально допустимое сопротивление нагрузки) приведен на рис. 10. Для состояния UBX = Е0 и Uвых = Е1 возможно ложное срабатывание элемента, если напряжение помехи относительно шины «земля»
Uпом зем³1,6...0,4 = 1,2В.
Для состояния UBX = Е1 и Uвых = Е0 ложное срабатывание возможно, если напряжение помехи относительно шины «питание» Uпом пит³ 2,4... 1,6 = 0,8 В. Практически с учетом влияния температуры внешней среды считается допустимой помеха не более 0,6 В;
потребляемая базовым логическим элементом мощность относительно велика и составляет около 20 мВт.
Следует отметить, что элементы серии ТТЛ чувствительны к величине внутреннего сопротивления источника входного сигнала (Ri). Если Ri> 1 кОм, то в состоянии UBX = E0 падение напряжения на нем от входного тока может превысить пороговое напряжение, что приведет к несанкционированному срабатыванию.