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

коллектором этих транзисторов было отрицательно (или, по край­ ней мере, не превосходило некоторой небольшой положительной величины). Другими словами, необходимо, чтобы низкий уровень напряжения на коллекторе был выше высокого уровня напряжения на базе, т. е. цКб мші = ик„„„ — и5 макс > 0. Очевидно, что в рас­ сматриваемой схеме это условие выполняется благодаря примене­ нию выходных эмиттерных повторителей; напряжение на выходе эмиттерного повторителя (которое является входным для после­ дующего элемента) меньше коллекторного напряжения транзисто­ ров Т0 или соответственно Ти . . . , Тт на величину напряжения база — эмиттер («б акт 0,7 В).

Переходные процессы

В схемах ПТТЛ длительность переходных процессов мала. Это обусловлено, как указано в разд. 2.53, следующими факторами.

Во-первых, открытые транзисторы работают в активном ре­ жиме, вследствие чего устраняется задержка выключения, связан­ ная с рассасыванием избыточного заряда.

Во-вторых, транзистор Т0 работает в режиме схемы ОБ и, кроме того, управляется по цепи эмиттера от источника с малым выход­

чаются быстро, так как управляющие перепады напряжения по­ даются на их базы от выходных эмиттерных повторителей пред­ шествующих элементов ПТТЛ: важно отметить, что в схемах ПТТЛ управляющие перепады напряжения невелики (порядка де­ сятых долей вольта), и поэтому при передаче отрицательных (за­ пирающих) перепадов напряжения транзисторы выходных эмит­ терных повторителей не запираются н отсутствует соответствую­ щая задержка в установлении выходных низких уровней (£°).

В-четвертых, для переключения схемы ПТТЛ требуются малые перепады управляющего напряжения и при этом сопротивления резисторов в схеме невелики; поэтому при достаточно больших значениях питающих напряжений токи, определяющие скорости перезаряда паразитных емкостей, оказываются большими и дли­ тельность этого перезаряда невелика.

Характеристики элементов ПТТЛ

Нагрузочная способность п элементов ПТТЛ велика благодаря их малому выходному сопротивлению (обусловленному выход­ ными эмиттерными повторителями на Тв ы х 1 и Твых2) и большому входную сопротивлению схемы (обусловленному отрицательной обратной связью через резистор RBв цепи эмиттеров входных тран­ зисторов Т1, Тт). Увеличение п ограничено ростом суммарной

172

.паразитной емкости и соответствующим снижением быстродей­ ствия.

Из условий работоспособности (2.172) и (2.173) следует, в ча­ стности, что зависимость нагрузочной способности элементов ПТТЛ

(«) по обоим выходам от коэффициентов усиления транзисторов |$ является квадратичной. Это обусловлено тем, что п тем больше* чем больше коэффициент усиления по току эмиттерного повтори­ теля и чем меньше величина входного тока нагрузочного транзи­ стора, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна ß. Обыч­ но п < 10.

Коэффициент объединения по входу m ограничен ростом сум­ марной паразитной емкости (на выходе транзисторов Ти ..., Гт )г а также увеличением габаритов элемента за счет увеличения чис­ ла входных транзисторов. Обычно m ^ 5.

Быстродействие элементов, по упомянутым в пункте переход­ ные процессы причинам, весьма велико; обычно /ЭСр элементов ПТТЛ не превышает единиц наносекунд.

Помехоустойчивость элементов ПТТЛ невелика, так как для переключения схемы ПТТЛ требуется весьма небольшой положи­ тельный или отрицательный перепад напряжения; обычно Un по­ рядка 0,2 -=-0,3 В. Для увеличения помехоустойчивости необходимо увеличить амплитуду входных перепадов; при этом для предотвра­ щения насыщения входных транзисторов вводят дополнительный сдвиг выходных уровней напряжения эмиттерных повторителей от­ носительно коллекторных. Это достигается при помощи дополни­ тельных смещающих диодов, включаемых в цепи эмиттеров выход­ ных эмиттерных повторителей.

Потребляемая мощность относительно велика (для достижения быстрого перезаряда паразитных емкостей используются резисторы в схеме с малым сопротивлением). Обычно Рср — порядка десят­ ков милливатт.

2.6.7.МИКРОМОЩНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Всвязи с разработкой больших интегральных схем (ВРІО) и все более широким внедрением бортовых вычислительных и управ­ ляющих систем значительное внимание уделяется созданию микромощных (йли микроваттных) ЦРІС, т. е. схем, потребляющих в

расчете на одну основную ЦИС мощность РСр < 300 мкВт (обыч­ ные ЦИС потребляют единицы или десятки милливатт; ЦРІС боль­ шой мощности потребляют более 30 мВт).

Уменьшение потребляемой мощности достигается в основном за счет увеличения сопротивлений резисторов (т. е. уменьшения токов) в рассмотренных выше логических схемах. Наряду с этим разрабатываются и специальные микромощные логические схемы, в частности схемы на транзисторах дополняющей проводимости (типа п-р-п и типа р-п-р), потребляющие мощность только в про­ цессе переключения.

173

Основные количественные соотношения, записанные для рас­ смотренных выше ЦИС, сохраняют сил)' и для микромощных ва­ риантов. Следует, однако, отметить и некоторые особенности-пере­ ходных процессов и статических режимов микромощных схем. Так, например, с ростом сопротивлений резисторов уменьшаются ско­ рости заряда паразитных емкостей (барьерных, монтажа и т. д.) и возрастает время задержки включения. Поэтому важно, чтобы у применяемых транзисторов были невелики барьерные емкости; до­ пустимая величина паразитных емкостей ограничивает значения коэффициентов разветвления по выходу и объединения по входу (кстати, от их величин зависит и средняя мощность, потребляемая схемой, так как ими определяется минимально допустимая вели­ чина напряжения источника питания).

В микромощном режиме распространение получили только на­ сыщенные цифровые интегральные схемы. Эти схемы позволяют получить малые уровни входного напряжения (в открытом состоя­ нии) и обладают достаточно высокой помехоустойчивостью; в то же время длительность рассасывания в микромощных схемах мала по сравнению с общим временем задержки.

Выпускаемые промышленностью микромощные схемы типа РСТЛ, ДТЛ, ТТЛ потребляют мощность порядка Рср = 100-ь300 мкВт. Средняя задержка в этих схемах ^зср = 200-ь400 нс, нагрузочная способность п ^ . 8 .

2.7. КЛЮЧЕВЫЕ СХЕМЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

2.7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Типы полевых транзисторов

Полевой транзистор — униполярный полупроводниковый при­ бор; ток в нем обусловлен только свободными основными носите­ лями в проводящем канале между двумя электродами (омически­ ми контактами) — истоком и стоком. Проводимость канала моду­ лируется поперечным (перпендикулярным направлению тока) электрическим полем, создаваемым при помощи управляющего электрода— затвора. Различают два класса полевых транзисторов: с управляющим р-/г-пере.\одом и с изолированным затвором; по­ следние, в свою очередь, делятся на А4ДП транзисторы (транзи­ сторы со структурой металл— диэлектрик — полупроводник) с встроенным проводящим каналом и МДП транзисторы с индуци­ рованным каналом.

Проводящие каналы в полевых транзисторах могут быть либо п-типа (в которых носителями заряда являются электроны), либо /О-типа (в которых носители заряда—дырки). При этом возмож­ ны два режима работы полевых транзисторов — режим обеднения и режим обогащения канала носителями заряда. В режиме обед­ нения рост абсолютной величины напряжения на затворе и3 при­

174

водит к уменьшению величины тока стока |ісІ транзистора, в ре­ жиме обогащения рост |л3| приводит к росту |і0|.

По самой структуре полевой транзистор с управляющим р-п- переходом может нормально работать лишь в режиме обеднения, МДП транзистор с индуцированным каналом — лишь в режиме обогащения, МДП транзистор с встроенным каналом — и в ре­ жиме обогащения, и в режиме обеднения. В настоящее время по технологическим и конструктивным соображениям в схемах на дискретных компонентах и в пленочно-гибридных микросхемах в качестве активных элементов используются преимущественно по­ левые транзисторы с управляющим р-л-переходом и МДП транзи­ сторы с встроенным каналом, а в ИС — МДП транзисторы с инду­ цированным каналом. При этом у большинства транзисторов с управляемым р-л-переходом — канал p-типа, у большинства МДП транзисторов с встроенным каналом — канал л-типа, а у МДП транзисторов с индуцированным каналом — канал р-типа.

Статические характеристики

На рис. 2.55 приведены структура, условное изображение и ти­ повые статические характеристики полевого транзистора с управ­ ляемым р-л-переходом с каналом p-типа (аналогичные характери-

иі и

г)

стики имеет транзистор с каналом л-типа, но здесь ППОр < 0 ) .

На рис. 2.56 и 2.57 приведены структуры, условные изображе­ ния и типовые статические характеристики соответственно для МДП транзисторов с встроенным каналом л-типа и индуцирован­ ным каналом p-типа (у МДП транзистора с встроенным каналом p-типа /Упор > 0; у МДП транзистора с индуцированным каналом л-типа Ппор > 0). Для различных типов полевых транзисторов по­ роговый уровень отпирания транзистора |[/ПОр| составляет вели­

175

чину порядка нескольких вольт. Рабочая точка открытого полевого транзистора может располагаться либо в пологой области сто­ ковых характеристик (так называемой области насыщения), либо в крутой области (так называемой триодной области) характери­ стик.

В качестве границы между крутой и пологой областями стоко­ вых характеристик обычно принимают геометрическое место то­ чек, для которых приближенно выполняется равенство ис = и3 —

— Üпор (см., например, пунктирную линию на рис. 2.57а). В крутой области, где стоковое напряжение мало (|пс|< |« з — £/ПОр|), стоко-

176

вын ток іс приблизительно линейно зависит от стокового напря­ жения и, кроме того, характеристика ic = f{uc) проходит через начало координат (именно поэтому МДП транзистор в этой обла­ сти может быть использован в качестве квазилинейного резистора).

Достаточно хородпая для практических расчетов аппроксимация характеристик транзистора в крутой области дается выражением [15]

практически не зависит от напряжения ис (выходное сопротивле­

ние Двы.ч = -д ^в этой области достигает сотен килоом); в этой

области зависимость стокового тока от напряжения затвора вполне удовлетворительно аппроксимируется квадратичной параболой

Одним из важных параметров полевого транзистора является его крутизна 5, т. е. крутизна характеристики ic = f(u3):

1 мА/В, а для МДП транзисторов ИС — 0,1 мА/В. Другим важным параметром является так называемый масштабный ток / м— сто­ ковый ток, определенный для полевых транзисторов с управляю­ щим р-я-переходом и для МДП транзисторов с встроенным кана­ лом при напряжениях и3 = 0, и0 — ІІПор, а для МДП транзисторов

следовательно,

т. е. все три основных параметра полевого транзистора Ua0р, Sa, Ім тесно связаны друг с другом.

177