Файл: Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник.pdf

и возможно большее в выключенном (в идеальном ключе внутрен­ нее сопротивление предполагается равным нулю в замкнутом со­ стоянии и бесконечности — в разомкнутом);

— высокое быстродействие, т. е. высокая скорость перехода ключа из одного состояния в другое; такой переход не* может быть мгновенным из-за переходных процессов, обусловленных, в част­ ности, различными паразитными параметрами (емкостями, ин­ дуктивностью рассеяния и т. п.);

—высокая стабильность пороговых уровней ключа, т. е. тех уровней управляющего напряжения (или тока), при которых про­ исходит переключение; эти уровни могут изменяться с изменением температуры, в результате старения элементов схемы, из-за неста­ бильности напряжения источников питания и т. п.;

—высокая помехоустойчивость, определяемая минимальным

уровнем входной помехи, при котором происходит переключение ключа в противоположное состояние.

Наряду с указанными требованиями в различных случаях мо­ гут быть выдвинуты дополнительные (например, минимальная по­ требляемая мощность) и ряд специфических требований. Есте­ ственно, что при проектировании ключевых схем сформулирован­ ные требования должны быть соответствующим образом удовлет­ ворены.

Заметим, что все упомянутые выше ключевые схемы реализуют логические функции типа 2.1 и их называют логическими схемами; в этих схемах выходной сигнал в фиксированный момент времени (без учета переходных процессов) зависит только от комбинации информационных значений входных сигналов в этот же момент вре­ мени (эти схемы еще называют комбинационными) .

Другой класс переключательных схем составляют цифровые автоматы, которые содержат элементы памяти (линии задержки, триггеры и т. п.); информационное значение выходных сигналов автомата в момент времени t определяется информационными

63

значениями сигналов, поступивших на его вход в этот момент вре­ мени, и внутренним состоянием автомата, т. е. его состоянием в предшествующий момент времени. Для построения упомянутых цифровых (логических) элементов могут быть применены различ­ ные приборы: диоды, транзисторы, ферриты, туннельные диоды

ит. д.

Внастоящей главе рассматриваются лишь принципы построе­ ния и расчета простейших ключей и логических схем на полупро­ водниковых и электровакуумных приборах.

2.2.ДИОДНЫЕ КЛЮЧИ

2.2.1.ДИОДНО-РЕЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

Статическая характеристика диода

Для построения диодных ключей используются в основном им­ пульсные полупроводниковые (германиевые или кремниевые)

диоды; примерный вид их статической характери­ стики приведен на рис. 2.3.

Эта характеристика (для теоретической моде­ ли диода, т. е. р-п-пере- хода) приближенно опи­ сывается уравнением

I

где /д, Мд— соответствен­ но ток через диод и на­ пряжение на диоде (точ­

нее, напряжение на р-«-переходе); /до — тепловой ток перехода, зависящий от температуры и свойств материалов, образующих

Обычно прямое напряжение на кремниевом переходе состав­ ляет 0,6 -4- 0,8 В, при этом Мд/фт 30 и, естественно, можно считать,

что в активном режиме / пр /д0е Фт .

Заметим, что в кремниевых переходах тепловой ток /д0 весьма

часто считают, что он равен нулю (в этом смысле говорят о «пятке» характеристики диода). У характеристик германиевых диодов такая «пятка» незначительна.

64

Схема ключа

Вначале рассмотрим ключи с дискретными диодами. На рис. 2.4а показана схема элементарного диодно-резисторного ключа, управляемого перепадами напряжения с амплитудой UmBZ

ляется выходным сигналом транзисторного ключа; как будет по­ казано ниже, если при этом используется транзистор типа п-р-п,

t

Рис. 2.4

ный, и поэтому уровни напряжения Е° и Е 1 не зависят от нагрузки, т. е. от величины тока через источник. Кроме того, предположим, что перепады напряжения Umвх от Е° до Е 1 и обратно происходят мгновенно.

В дальнейшем для упрощения расчетов будем рассматривать схему (рис. 2.46) с эквивалентными параметрами:

(2.2)

где RB— сопротивление нагрузки, R0 — сопротивление в цепи сме­ щения диода, Е0 — напряжение смещения в схеме 2.4а.

Статические режимы

Рассмотрим статические состояния ключа. В этих состояниях диод может быть смещен либо в прямом направлении (диод рабо­ тает в активной области), либо в обратном (область отсечки диода). При подаче на диод обратного напряжения (иа < 0) через него протекает обратный ток / 0бр, который состоит в основном из теплового тока /до и тока утечки /у. Ток утечки, естественно, зави­ сит от величины обратного .напряжения диода (чем больше обрат­ ное напряжение, тем больше и ток утечки); от температуры среды, окружающей диод, /у практически не зависит. Тепловой ток /до за­ висит от температуры t°\ можно приближенно считать, что / д о удваивается при повышении температуры на 10° С:

/до ( П = /до ( О 2 10°

(в действительности температура удвоения тока /до для разных диодов различна и может быть значительно меньше 10° С [8]). Если, например, известно, что при комнатной температуре (і = 20°С) тепловой ток германиевого диода /до = Ю мкА, то при £ = 60°С /д0 = 10-24 = 160 мкА.

При малых обратных напряжениях ток / у может быть незначи­

где Ro6 p— сопротивление, определяющее наклон аппроксимирую­ щей прямой; Яобр — порядка 0,1 -Е 1 МОм.

Эквивалентная схема обратно смещенного диода, соответствую­ щая ф-ле (2.3), показана на рис. 2.5а.

66

периой характеристики.

То или иное состояние диода зависит от соотношения управ­ ляющих уровней Е°, Ех и напряжения смещения Е0п. При воздей­ ствии низкого потенциала Е° диод открыт, так как всегда пара­ метры схемы выбираются так, чтобы Е° < Е0и■При этом уровень выходного напряжения будет низким:

(2.4)

Если внутреннее сопротивление источника Rr не пренебрежимо мало, то его учет сводится к замене в ф-ле (2.4) величины /?пр величиной

Величина уровня U' зависит от температуры — с ее ростом рас­ тет ток /до и увеличивается потенциал U1. Для того чтобы можно было не считаться с влиянием температуры, следует выбрать Ron так, чтобы

где /до мопс — значение теплового тока при максимальной темпе­ ратуре в заданном температурном диапазоне работы ключа; при этом