Базовые логические элементы
2.1. Электронный ключ на биполярном транзисторе
Основным элементом вычислительных машин является электронный ключ, имеющий два устойчивых состояния: "включен" - "выключен"; или "высокий уровень" - "низкий уровень". Условимся называть "низкий уровень" - ЛОГИЧЕСКИМ НУЛЕМ, а "высокий уровень" - ЛОГИЧЕСКОЙ ЕДИНИЦЕЙ.
Электронный ключ может быть реализован на активных элементах: биполярных или полевых транзисторах, на туннельных диодах, на тиристорах и др. В интегральной схемотехнике наиболее широко используется
э
лектронный
ключ на биполярном транзисторе (рис.
2.1).
Рис. 2.1 - Насыщенный электронный ключ
Входной импульс напряжения Uвх положительной полярности подается на базу транзистора VT через токоограничивающий резистор Rб. Выходное напряжение в виде отрицательного импульса Uвых снимается с коллекторной нагрузки Rк. Междуэлектродные емкости транзистора показаны в виде конденсаторов Сбэ, Сбк, Скэ. Емкость нагрузки, а также паразитная емкость монтажа объединены в конденсаторе Сн. Транзисторный ключ (рис. 2.1) может находиться в одном из трех режимах: режим отсечки, активный режим, режим насыщения. В режиме отсечки оба перехода транзистора (база-эмиттер и база коллектор) находятся в закрытом (нетокопроводящем) состоянии. В активном режиме переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор - закрыт. В режиме насыщения - оба перехода открыты. Очень редко в некоторых схемах используется инверсный режим, при котором переход база-эмиттер закрыт, а переход база-коллектор открыт.
При выборе элементов электронного ключа необходимо учитывать, что амплитуда напряжения входного импульса равна амплитуде напряжения выходного импульса (т.е. почти равна напряжению источника питания +Ек).
Коэффициент усиления по току h ной
пачки может изменяться в несколько раз
(например, от 40 до 120). Поэтому коэффициент
насыщения электронного ключа (Кнас),
зависящий от параметров применяемого
транзистора, может изменяться в широких
пределах. С ростом коэффициента насыщения
увеличивается время рассасывания
электронного ключа. Следовательно,
быстродействие ключевых схем сильно
зависит от параметров применяемых
транзисторов. Для повышения
быстродействия ключевых схем желательно
не доводить транзистор до насыщения, а
работать в активном режиме - при этом
время рассасывания будет равно нулю.
На рис. 2.5 приведена схема ненасыщенного
электронного ключа с ДИОДОМ ШОТКИ (VD) в
цепи обратной связи. ДИОД ШОТКИ
реализован на переходе металл-полупроводник
(p-типа или n-типа). Такой диод открывается
при напряжении 0,1...0,2В.
Рис. 2.5 – 2.6 - Ненасыщенный электронный ключ с диодом Шотки
Работа ненасыщенного ключа до некоторого момента времени аналогична работе насыщенного ключа. Однако, в режим насыщения такой ключ (рис. 2.5) не войдет, потому что при напряжении Uбэ = 0,6...0,7 вольт транзистор почти открыт, напряжение на переходе коллектор-эмиттер составляет: Uкэ = 0,4...0,5 В - поэтому откроется диод Шотки VD и весь дополнительный входной ток потечет не в базу транзистора, а через открытый диод Шотки и переход коллектор-эмиттер транзистора VT. Поэтому транзистор находится в активном режиме и, по окончании входного импульса Uвх, сразу переходит к этапу закрывания транзистора, минуя стадию рассасывания (рис. 2.4). Необходимо отметить, что напряжение Uкэ открытого ненасыщенного ключа (рис. 2.5) больше, чем у насыщенного ключа, и составляет 0,4...0,7 Вольт. Повышение быстродействия ключевых схем достигается также уменьшением времени перезаряда конденсаторов Сбэ, Сбк, Скэ и Сн (см. рис. 2.1) за счет увеличения токов в схеме, т.е. за счет уменьшения номиналов резисторов Rк и Rб. При этом увеличение быстродействия ключевых схем сопровождается пропорциональным увеличением потребляемой мощности. Максимальное быстродействие, т.е. минимальное расстояние между соседними импульсами определяется длительностью фронта нарастания импульса и длительностью фронта спада импульса. Поэтому одним из путей повышения быстродействия является уменьшение амплитуды импульсов, т.е. уменьшение перепада напряжения между высоким логическим уровнем и низким логическим уровнем. Учитывая линейность нарастания и спада напряжения на фронтах импульсов, уменьшение расстояния между логическими уровнями приводит к уменьшению длительности фронтов импульсов, т.е. к повышению быстродействия.