Водовозов А. Цифровые элементы систем автоматики. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

характеристик с резко выраженными уровнями логического нуля и логической

единицы.

Полупроводниковые диоды

Диод представляет собой двухслойную полупроводниковую структуру с двумя

выводами, получившими названия анод и катод (рис 3.1).

Рис. 3.1. Условное обозначение диода

Параметры и режим работы диода определяются его вольтамперной

характеристикой, иллюстрирующей зависимость протекающего через диод тока

от

приложенного напряжения

. Типовая вольтамперная характеристика прибора

показана на рис. 3.2.

Рис.3.2. Вольтамперная характеристика диода

Приложенное к диоду напряжение может быть разной полярности.

Положительным принято считать напряжение между электродами, приложенное

плюсом к аноду прибора, минусом - к катоду.

При положительном напряжении через диод протекает

прямой

ток, резко

возрастающий при увеличении напряжения. Максимальное значение прямого тока

макс

нельзя превышать из-за возможного перегрева диода и выхода его из строя. При

максимальном значении тока приложенное к диоду напряжение мало зависит от типа

прибора и для диодов из германия находится в пределах 0,7- 0,9 В, для диодов из

кремния - 1,0 - 1,2 В.

При отрицательном напряжении диод считается запертым, через него

протекает незначительный

обратный

ток на несколько порядков меньший прямого.

Максимальное значение обратного напряжения

максобр

также ограничено.

Напряжение больше максимального значения приводит к возникновению лавинного

пробоя, при котором ток через прибор начинает резко возрастать при неизменном

напряжении, и последующему перегреву прибора.

Участок характеристики, ограниченный максимальным обратным

напряжением

максобр

и максимальным прямым током

макс

считается

рабочим

участком. На рабочем участке характеристика прибора описывается

экспоненциальной зависимостью Эберса-Молла:

)]

[exp(II

−=

, ( 3.1)

где

- теоретическое значение обратного тока,

m = 1

- поправочный коэффициент,

термический потенциал электрона,

В свою очередь:

qkT

, (3.2)

где

k=1,38*10

-23

[Дж/К] -

постоянная Больцмана,

Т [

K] -

абсолютная температура,

q = 1,6*10

-19

[кулон] -

заряд электрона

При комнатной температуре

Т=296 К

термический потенциал электрона

приблизительно равен 25,5 mB.

Непосредственно формулой 3.1 у дается воспользоваться на практике очень

редко из-за большой неопределенности параметра

, который к тому же сильно

зависит от температуры

Считается, что обратный ток диода удваивается при

увеличении температуры всего на

К.

Однако с помощью формулы 3.1 можно доказать, что падение напряжения на

диоде увеличивается всего на

mmB

ln10 60 120≈÷

при возрастании тока через

диод в 10 раз.

Из-за неоднозначности термического потенциала

прямое падение

напряжения на диоде с ростом температуры уменьшается по линейному закону:

K/mB

constI

−≈

, ( 3.3)

а при постоянном напряжении с увеличением температуры ток возрастает по

экспоненциальному закону (3.1).

В быстродействующих схемах широко используются

диоды Шоттки,

построенные на основе переходов металл-полупроводник. Эти диоды имеют очень

малое (около 0,3В) прямое падение напряжения. Условное обозначение диода Шоттки

несколько отличается от обозначения обычного диода.

Рис. 3.3. Условное обозначение диода Шоттки

Биполярные транзисторы

Транзистор является усилительным прибором. В зависимости от

расположения слоев полупроводника в структуре прибора различают транзисторы

типа

p-n-p

и типа

n-p-n

. Их условные обозначения показаны на рис. 3.4

а) б)

Рис. 3.4. Транзисторы со структурой n-p-n (а) и p-n-p (б)

При правильном включении направление всех токов через транзистор должно

совпадать с направлением стрелки в условном обозначении прибора. В этом случае

переход “база-эмиттер” работает как открытый диод, а переход “база-коллектор”

находится под обратным напряжением (закрыт).

Работа транзистора описывается уравнением Эберса-Молла, связывающего

ток коллектора транзистора

с напряжением перехода “база-эмиттер”

бэ

следующей зависимостью:

])/U[exp(II

Тбэok

−=

, ( 3.4)

где термический потенциал электрона

рассчитывается по формуле 3.2, а

ток насыщения обратной характеристики перехода база-эмиттер

≈

0,1

1 нА

Коллекторный ток транзистора

всегда превышает базовый

. Их

отношение:

бk

( 3.5)

называется

коэффициентом усиления транзистора по току.

Для различных

транзисторов даже одного типа коэффициент усиления очень различен, обычно он

точно не известен и находится в пределах от 50 до 250. К тому же коэффициент

усиления сильно зависит от тока коллектора, напряжением между коллектором и

эмиттером и температуры.

Для любого транзистора, в соответствии с первым законом Кирхгофа:

бkэ

III

( 3.6)

и, следовательно,

бэ

I)(I

⋅+=

( 3.7)

Переход “база-эмиттер” транзистора работает аналогично диоду, включенному

в прямом направлении. Напряжение между базой и эмиттером

бэ

не должно быть

более 0,6

0,8 В, так как в противном случае ток через переход возрастает до

недопустимых значений.

В импульсных у силительных каскадах, используемых при построении

логических элементов, токи транзистора ограничиваются резисторами, включаемыми,

как правило, в его базовые и коллекторные цепи (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Транзисторный усилительный каскад

В рассмотренной схеме ток базы транзистора

определяется входным

напряжением

падением напряжения на переходе

бэ

и сопротивлением в цепи

базы

ббэб

RUUI

/)(

−=

, ( 3.8)

а ток коллектора

, согласно формуле 3.5, должен превышать базовый в

раз. Однако, при изменении тока через транзистор происходит изменение напряжения

на коллекторе по закону:

UEIR

kkk

=−

, ( 3.9)

и, следовательно, величина тока коллектора не может превышать

максимального значения :

IER

= /

, ( 3.10)

при котором напряжение на коллекторе становится равным нулю.

Ток базы, при котором достигается максимальный коллекторный ток,

называется

граничным током

. При увеличении тока базы сверх

ток

коллектора не увеличивается, и транзистор переходит в так называемый

режим

насыщения

. В режиме насыщения происходит отпирание коллекторного перехода и в

базе накапливается большое количество не основных носителей заряда.

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме

насыщения равно 0,5

0,1 В и транзистор эквивалентен замкнутому ключу. Для

надежного замыкания ключа транзистор переводят в режим глубокого насыщения,

существенно увеличивая ток базы по сравнению с граничным.

Противоположным насыщению является режим отсечки транзистора. В этом

случае

, а транзистор можно рассматривать как ключ в разомкнутом

состоянии.

Для логических схем режимы отсечки и насыщения являются основными

рабочими режимами.

При включении транзистора в его базу подается прямоугольный импульс тока.

Ток коллектора появляется лишь спустя некоторое время задержки

и плавно

нарастает в течении времени

Полное время включения транзистора:

нзвкл

ttt

(3.11)

Для выключения транзистора на его базу подается обратное напряжение, ток

базы меняет направление. В течении времени

происходит рассасывание

избыточного заряда в базе и далее ток базы спадает за время

В период

транзистор остается включенным, а уменьшение тока коллектора происходит

одновременно с уменьшением тока базы. Полное время выключения транзистора:

cрвыкл

ttt

( 3.12)

Если к базе транзистора при запирании не прикладывать обратное напряжение,

то время рассасывания заряда значительно увеличивается.

Время рассасывания сильно зависит и от степени насыщения транзистора.

Минимальное время достигается при минимальном насыщении, когда ток базы

открытого ключа равен граничному. Поэтому в быстродействующих схемах всегда

пытаются использовать различные способы предотвращения насыщения транзистора.

Хорошие результаты получаются при включении параллельно переходу “коллектор-

база” транзистора диода Шоттки, как показано на рис. 3.6 а.

а) б)

Рис. 3.6. Транзистор с диодом Шоттки (а) и его условное обозначение (б)

В данной схеме при открытии транзистора диод Шоттки также открывается и

напряжение на переходе база-эмиттер снижается примерно до 0,3 В. Благодаря такой

схеме время выключения транзисторного ключа уменьшается сразу в несколько раз.

Транзистор с диодом Шотки имеет специальное условное обозначение (рис. 3.6б).

Полевые транзисторы

Полевыми называются транзисторы, в которых ток, протекающий через

прибор, регулируется за счет электрического поля внутри полупроводниковой

структуры практически без затрат электрической энергии. Считается, что ток в

полевом транзисторе протекает по

каналу

от одного электрода -

стока

к другому -

истоку. Канал

транзистора изолируется от управляющего электрода (затвора) либо

переходом, либо слоем диэлектрика. Поэтому все полевые транзисторы условно

делятся на две большие группы: транзисторы с p-n-переходом и транзисторы с

изолированным каналом. Последние часто называют МДП-транзисторами (Металл –

Диэлектрик - Полупроводник). Диэлектриком в кремниевой структуре транзистора

является окись кремния, поэтому третьим и наиболее распространенным названием

транзисторов с изолированным затвором является МОП-транзистор (Металл- Окисел

- Полупроводник). В английской аббревиатуре эти же транзисторы известны как

MOS-

транзисторы

(Metal Oxide Semiconductor).

Шесть различных вариантов

распространенных полевых транзисторов имеют различные условные обозначения

(рис.3.7).

Полевые транзисторы

с управляющим p-n переходом с изолированным затвором (МОП-транзисторы)

с встроенным каналом

с индуцированным каналом

с каналом

типа p

с каналом

типа n

с каналом

типа p

с каналом

типа n

с каналом

типа p

с каналом

типа n

Рис. 3.7. Классификация и условные обозначения полевых транзисторов

Полевой транзистор с

p-n

переходом имеет три электрода:

сток, исток и

затвор

. У МОП-транзисторов есть четвертый электрод -

подложка

, который обычно,

при подключении прибора, соединяется с истоком.

Ток в полевом транзисторе протекает по каналу между стоком и истоком, а

затвор изолируется от канала. Поэтому ток стока

и ток истока

всегда равны, а ток

затвора пренебрежимо мал. Электрическое поле в канале создается за счет

напряжения, приложенного к затвору.

В полевых транзисторах

с p-n переходом

роль диэлектрика, отделяющего

затвор от истока, выполняет p-n-переход, включенный в обратном (непроводящем)

направлении. Поэтому для обеспечения работоспособности транзистора

с каналом

типа n

необходимо поддерживать на затворе отрицательное (относительно истока)

напряжение, а для транзистора

с каналом типа р

это напряжение должно быть

положительным.

В транзисторах типа МОП (металл – окисел - полупроводник) диэлектриком

является окись кремния, сохраняющая свои изоляционные свойства при любой

полярности напряжения на затворе.

У МОП - транзисторов с встроенным каналом при нулевом напряжении на

затворе канал находится в проводящем состоянии и приложение к затвору

напряжения той или иной полярности приводит к увеличению либо уменьшению его

сопротивления. У транзисторов с каналом типа

появление положительного

напряжения на затворе приводит к обогащению канала носителями заряда и

соответствующему снижению сопротивления, а отрицательного напряжения - к

обеднению канала и повышению его сопротивления. У транзисторов с каналом типа

эффект противоположный: положительное напряжение вызывает обеднение канала

и снижение его сопротивления, а отрицательное - к обогащению и снижению

сопротивления.

У транзисторов с индуцированным каналом изначально (при нулевом

напряжении на затворе) канал не проводит электрический ток и его переход в

проводящее состояние достигается за счет обогащения. У транзисторов с каналом

типа

это происходит при положительном напряжении на затворе, а у транзисторов с

каналом типа

- при отрицательном. Ток, протекающий через транзистор при

нулевом напряжении между затвором и истоком (

зи

) называется начальным током

стока

. У МОП-транзисторов с индуцированным каналом начальный ток стока

равен нулю. Напряжение между затвором и истоком транзистора, при котором ток

стока равен нулю, называется

напряжением отсечки

. Напряжение отсечки у

МОП-транзисторов с индуцированным каналом равно нулю, а у МОП-транзисторов с

встроенным каналом и транзисторов с p-n-переходом - в пределах от 0,5 до 5В,

причем транзисторы с каналом типа n имеют положительное напряжение отсечки, а

транзисторы с каналом типа p - отрицательное. Напряжение

зи

, при котором через

транзистор начинает течь ток, называется

пороговым напряжением

Наиболее полное представление о работе полевого транзистора дает семейство

его

выходных характеристик,

иллюстрирующее зависимость тока стока

от

напряжения между электродами сток и исток

си

при различных напряжениях между

затвором и истоком

зи

Типовая характеристика МОП-транзистора с встроенным

каналом типа n в качестве примера приведена на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Семейство выходных характеристик полевого транзистора

Семейство состоит из множества характеристик, каждая из которых снимается

при постоянном напряжении на затворе (

сonstUU

пзи

=−

)

На каждой кривой ток

стока транзистора растет линейно вместе с напряжением

си

до значения

пзиси

UUU

−=

Далее характеристика выходит на участок насыщения, на котором ток

стока не изменяется.

На участке насыщения ток стока не зависит от напряжения

си

, а его

зависимость от напряжения

зи

имеет квадратичный характер:

)(

пзиc

UUkI

−=

( 3.13)

На линейном участке:

]5,0)[2

сисипзиc

UUUUkI

−−=

Коэффициент пропорциональности

является конструктивным параметром

транзистора. Поскольку у МОП-транзисторов с встроенным каналом и полевых

транзисторов с

p-n

- переходом при нулевом напряжении на затворе

зи

ток стока

равен начальному:

нc

то, согласно уравнения 3.13, коэффициент

может быть

вычислен по простой формуле:

пн

UIk

( 3.14)

На начальном участке линейной характеристики при малом напряжении на

стоке выражение 3.14 можно упростить:

сипзиc

UUkUI

−=

( 3.15)

Полученное выражение позволяет определить сопротивление канала в

линейной области:

)](2/[1/

зипcсиc

UUkIUR

−==

( 3.16)

Из выражения следует, что при

зи

= 0

сопротивление канала будет

минимальным

)2/(1

пc

kUR

а при

пз

сопротивление канала стремится к

бесконечности. Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как ключ,

управляемый напряжением на затворе.

Для открытия ключа на затвор транзистора подается импульс напряжения.

При этом вначале происходит заряд емкости затвора. До тех пор пока напряжение на

затворе не достигнет порогового значения (время задержки включения

) ток стока

транзистора остается равным нулю. Далее при увеличении напряжения на затворе ток

стока нарастает (время включения

вкл

). Процесс при выключении транзистора

аналогичен.

4. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

Элементной базой цифровых схем являются логические элементы,

выполняющие простейшие логические преобразования. Основные параметры

логических элементов определяют параметры и характеристики всей схемы. В первую

очередь они зависят от технологии изготовления, накладывающей свои ограничения

на производительность, экономичность и стоимость изделия и, в конечном счете,

определяющей его конкурентоспособность

Основные параметры логических элементов

Основной характеристикой логического элемента является

передаточная

характеристика

- зависимость выходного напряжения

вых

от напряжения на одном

их входов при фиксированных напряжениях на входах остальных. На рис. 4.1. в

качестве примера показана типовая передаточная характеристика логического

элемента с

инвертирующей

характеристикой.

Рис. 4.1. Передаточная характеристики логического элемента инвертирующего типа

Характеристика имеет три четко выраженных участка. Первый соответствует

выходному напряжению логического нуля:

вых

второй - выходному

напряжению логической единицы:

вых

третий - переходу из нуля в единицу.

Входные напряжения, определяющие гр аницы участков, называются

порогами

переключения:

, а разность напряжений логической единицы и логического

нуля -

логическим перепадом:

UUU

‘

−=

( 4.1)

При построении схемы сигналы с выходов одних элементов подаются на

входы других. Сигналы могут искажаться

помехами,

изменяющими их по величине.

Для сигнала низкого уровня

нежелательна помеха положительной полярности,

повышающая уровень напряжения.

Запас помехоустойчивости по уровню 0

определяется разностью низшего порога переключения

и уровня логического

нуля

000

UUU

nз

−=

. (4.2)

Для сигнала высокого уровня

,наоборот, опасна помеха отрицательной

полярности, снижающая его уровень.

Запас помехоустойчивости по уровню 1

определяется разностью напряжения логической единицы

и высшим порогом

переключения

111

nз

UUU −=

. ( 4.3)

Для повышения помехоустойчивости необходимо увеличивать логический

перепад и уменьшать ширину области переключения

пп

UU −

(рис. 4.1). Идеальная

передаточная характеристика, обеспечивающая максимальный запас

помехоустойчивости 2/

EUU

зз

, где

- напряжение источника питания

логического элемента, соответствует условиям:

.2/;;0

0110

EUUEUU

порпор

====

( 4.4)

Эффективным способом повышения помехоустойчивости схем является

создание передаточной характеристики с петлей гистерезиса (рис. 4.2).

Рис. 4.2.. Передаточная характеристика с петлей гистерезиса

В этом случае:

пп

UU >

и в пределе при 0;

пп

UЕU

запас

помехоустойчивости возрастает в два раза:

ЕUU

зз

Формулы 4.2 и 4.3 определяют максимальные значения постоянных помех.

Если длительность помехи меньше времени переключения элемента, то допустимая

амплитуда импульсной помехи возрастает.

Входные токи

логического элемента могут быть различны при различных

значениях входного напряжения. Входной ток логического нуля

вх

определяется при

вх

и обычно для логического элемента является вытекающим током. Входной

ток логической единицы

вх

, втекающий в логический элемент, определяется при

вх

. У логических элементов на МОП-транзисторах эти токи пренебрежимо

малы.

Нагрузочная способность

логического элемента определяется значением

коэффициента разветвления по выходу N,

определяющего максимальное число

аналогичных элементов, которые можно подключать к его выходу одновременно.

Обычно значение N находится в пределах от 4 до 10. Мощные схемы допускают

подключение до 30

50 входов.

Коэффициент объединения по входу M

равен числу входов логического

элемента. Для построения большинства схем достаточно иметь элементы с числом

входов

М = 3

В случаях, когда этого количества входов недостаточно, используют

специальные схемы - расширители.

Потребляемая мощность

логического элемента зависит от его состояния.

Потребляемые от источника питания

токи:

при

вых

при

вых

различны. Поэтому для характеристики элемента используется средняя потребляемая

мощность в статическом режиме, определяемая по формуле:

)II(E,P

ппс

( 4.5)

Для уменьшения потребляемой мощности необходимо снижать напряжение

питания Е, однако это однозначно приводит к ухудшению помехоустойчивости

элемента.

В процессе переключения логического элемента ток, потребляемый от

источника питания, всегда увеличивается. Считается, что в этом случае схема

потребляет дополнительную

динамическую мощность

величина которой

пропорциональна частоте переключения схемы. Для схем, работающих на высоких

частотах, необходимо учитывать среднюю мощность в режиме переключения:

дc

PPP

, которая может оказаться значительно больше мощности в статическом

режиме (4.5). Значение средней мощности в справочных данных на микросхему

обычно указываться на некоторой частоте, близкой к максимально допустимой.

Быстродействие логического элемента характеризуется

задержкой

распространения сигнала.

Задержка определяется по переходным характеристикам

элемента (рис. 2.3) промежутками времени между моментами достижения входным и

выходным напряжением среднего порога переключения 2/)(

ппп

UUU +=