Файл: Пакулов, Н. И. Мажоритарный принцип построения надежных узлов и устройств ЦВМ.pdf

рои резисторов (для кремниевых транзисторов Awgi**

-150 ... 230 мВ).

Если допустить, что верхний и нижний уровни на­ пряжения U6i расположены симметрично относительно

Uon и что |Поп—w gi| = |«6i—«оп| >Афт, то из выражений (1.4) и (1.5) с учетом соотношения (1.8) можно найти перепады выходных напряжений:

Из выражений (1.10) и (1.11) следует, что перепад выходных напряжений полностью определяется отноше­ нием сопротивлений в коллекторной и эмиттерной цепях. Если учесть, что при производстве полупроводниковых интегральных микросхем трудно изготовить резисторы с малым разбросом номинальных значений сопротив­ лений, но сравнительно легко получить отношение со­ противлений резисторов с высокой точностью, то стано­ вятся очевидными преимущества элементов на пере­ ключателях тока.

В выражениях для характеристик передачи не учте­ ны обратные токи транзисторов / ко и входные токи эмиттерных повторителей. Общее выражение для базовых то­

где «вых —напряжение инверсного и„ (1.4) или прямого ип (1.5) выходов.

При согласованности входных и выходных потенциа­ лов элементов с учетом среднего значения выходных на­ пряжений можно упростить расчеты, приняв во внима­ ние средний входной ток эмиттерпых повторителей:

15

В этих выражениях принято, что 7?э1= 7?з2= 7?э (транзис­ торы идентичны) напряжения на эмиттерных переходах транзисторов эмиттерных повторителей обозначены «бэ4 и ибэз. Полученные выражения для инверсного выхо­ да (1.12, 1.14) недостаточно полно отражают физические процессы в элементе, так как не учитывают возможность насыщения транзистора 77.

Ненасыщенный режим работы транзистора переключателя тока

Для устранения задержки, обусловленной процессом рассасывания неосновных носителей в базе 77, необхо­ димо предотвратить насыщение транзистора. В рассма­ триваемом элементе насыщенным может оказаться толь­ ко транзистор 77 при достаточно высоком уровне на­ пряжения «61. Значение напряжения «бь при котором происходит насыщение 77, назовем критическим и обо­ значим «бкрПри этом условием ненасыщенного режима работы транзистора 77 будет выполнение неравенства

Для определения «бкр рассмотрим эквивалентную схему левого плеча токового переключателя в режиме, когда 77 открыт («б1>«оп) и через него проходит весь эмиттерный

ток i (рис. 1.5).

На этой схеме вынесены за пределы условного обозначе­ ния транзистора объемные со­ противления базовой (Гб), кол-

■—I лекторный (гкк) и эмиттерной (гЭэ) областей транзистора.

Рис. 1.5. Эквивалентная схема инвер­ тирующего плеча токового переклю­ чателя, используемая для определе­ ния критического значения напряже­ ния «61-

16

В соответствии с эквивалентной схемой, представленной на рис. 1.5, получаем

Где R э = Ro Ч” Гээ! к == RkЧ- Бек-

Учитывая, что на практике (1—а)Гб<С^8/, гээ-С/?о, и обо­ значая. граничное (для активной области) напряжение на коллекторном переходе «гжгр, получаем

Значение Пбкгр можно определить по выходным вольтамперным характеристикам транзисторов, включенных по схеме ОБ, как граничное напряжение между актив­ ной областью и областью насыщения.

Экспериментальные исследования полупроводнико­ вых приборов, применяемых в дискретных схемах и гиб­

Очевидно, что для увеличения верхней границы допу­ стимых значений «бь при которых еще не наступает на­ сыщения, можно либо увеличивать Ек, либо уменьшать отношение aRK'/Ro■ Возможность увеличения Ек. можно использовать лишь в отдельных элементах, до.нагружен­ ных аналогичными элементамигДл я цифровых устройств такое включение элементов це-характерно. При выполне-

ййй же условий потенциального согласования элемен­ тов значение Ек однозначно связано с максимальным перепадом напряжений имакс на выходах и входах эле­ мента. Ниже будет показано, что из условий потенциаль­ ного согласования элементов напряжение источника пи­ тания £,( целесообразно выбирать равным 3/гМмаксПри этом

бКР~ («/?'к/^о) + 1

Таким образом, даже при благоприятном условии (а#к7^о<С1) верхний уровень напряжения «gi имеет же­ сткие ограничения. При отклонениях этот уровень не должен превосходить значения «бкгр. В практических же случаях отношение aRu'/Ro составляет 0,1 ... 0,5. При ЭТОМ Ыбнр ДОЛЖНО отличаться ОТ макс на величину, меньшую «бкгр.

Учитывая критическое значение напряжения «бкр и выражение (1.14) для характеристики передачи по току йш, получаем

Это выражение совместно с (1.12), (1.13) и (1.15) по­ зволяет достаточно точно представить характеристики передачи элемента. Графики этих характеристик будут приведены после получения выражения для входной ха­ рактеристики.

Входные и выходные характеристики МЭ

Входная характеристика элемента представляет со­ бой зависимость входного тока от входного напряжения. Для рассматриваемого элемента, учитывая нелинейный характер вольт-амперных характеристик транзистора, удобнее вместо входной характеристики элемента (см. рис. 1.1) рассмотреть зависимость тока базы г'б± транзис­ тора 77 от напряжения «бь соответствующую входной характеристике элемента, схема которого представлена на рис. 1.3.

18

То среднее значение входного сопротивления RBX ср~ (В-И)7?к1, где В — среднее значение коэффициента передачи тока в схеме с об­ щим эмиттером (для рассматриваемого диапазона входных напря­ жений).

Входное сопротивление элемента (см. рис. !1.1) относительно логических входов представляет собой сумму эквивалентного сопро­ тивления резистивного делителя и входного сопротивления элемента со стороны базы 77.

Теперь получим выходную характеристику. Выход­ ная характеристика элемента — это зависимость выход­ ного тока (пых от выходного напряжения нВЫх.

Для схемы, приведенной на рис. 1.3, пользуясь выра­ жениями Молла — Эберса, получим

Здесь ык—«бэ—«вых=А«ба — отклонение напряжения на эмиттерном переходе транзистора эмиттерного повтори­ теля от среднего значения. Придав ик одно из значений, соответствующих нижнему (Иб1и) или верхнему («61 в) значениям напряжения Мб1 и подставив значения всех входящих в соотношение (1.26) величин, получим вы­ ражение конкретной выходной характеристики.

На рис. 1.7 представлены экспериментальные и рас­ четные выходные характеристики рассматриваемого эле­ мента на кремниевых транзисторах.

Продифференцировав (1.26), .получим выражение для выходного сопротивления МЭ

Соотношения (1.25) и (1.28) позволяют оценить коэф­ фициент разветвления элементов по выходу для медлен­ но меняющихся сигналов или для статического режима (статический коэффициент разветвления т). Из этих со­ отношений находим

20