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

где, как и раньше, В —-среднее значение коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Статический коэффициент разветвления элемента, схема которого приведена на рис. 1.1, будет не менее определенного из соотношения (1.29), так как входное сопротивление этого элемента больше, чем Гвх> НЗ. В6ЛИчину, эквивалентную сопротивлению делителя. Анализ выражения (1.29) показывает, что статический коэффи-

Рис. 1.7. Выходные характеристики мажоритарного элемента.

циент разветвления элемента может составлять десятки и даже сотни. Поэтому на практике в логических элемен­ тах подобного типа коэффициент разветвления по выхо­ ду (нагрузочную способность) необходимо определять исходя из заданных характеристик переходных процес­ сов.

Область переключения

При исследовании возможностей потенциального со­ гласования элементов необходимо особое внимание уде­ лить рассмотрению влияния параметров на положение области переключения. Ширина области переключения (1.9) зависит лишь от температуры и типа транзистора. Одиако при неизменной ширине области переключения на положение ее центра 0’Ки=бщ или % = ы п) влияет

21

ряд параметров, особенно неравенство падений напря­ жений на переходах эмиттер — база транзисторов токо­ вого переключателя, так как оно непосредственно сказы­ вается на показателях экспоненциальных функций ха­ рактеристик передачи. Кроме того, на положение центра влияют все параметры, определяющие симметрию плеч элемента.

Непосредственное исследование влияния разброса параметров, входящих в выражения (1.12) — (1.15), вви­ ду сложности выражений целесообразно проводить лишь

Рис. 1.8. Зависимости коллекторных токов транзисторов от напря­ жения «бэ на эмиттерном переходе при постоя/нпом напряжении икз между коллектором и эмиттером транзистора (а). Часть принци­ пиальной схемы переключателя тока на транзисторах 77 и Г2, пояс­ няющая принятые обозначения (б).

с помощью ЦВМ. При ручном счете целесообразно опре­ делить только положение центра области переключения. Для этого в выражения характеристики передачи введем

1.9. На рис. 1.8 представлены зависимости коллекторных токов /к от напряжения »бэ Для двух образцов кремние­ вых транзисторов. Транзисторы выбраны такие, что вольтамперные характеристики /K= f(Ибо) при «K6= const значительно отличаются. На рис. 1.9 показано влияние разностного напряжения

22

определяемого при }Ki= } K2, «а положение центра облас­ ти переключения. Графики характеристик передачи по­ лучены экспериментально при различных вариантах включения образцов № 5 и № 7 (нумерация условная) транзисторов вместо 77 и Т2. Порядок включения этих образцов указан на рис. 1.9: 77 (№ 5) или Т2 (№ 7). Эти надписи означают, что вместо транзистора Т1 МЭ (см. рис. 1.3) включен образец под условным номером 5, а вместо транзистора Т2 — образец под условным номе­ ром 7.

Рис. 1.9. Характеристики передачи переключателя тока по току, поясняющие влияние разностного напряжения мр „ на положение центра области переключения.

Из рис. 1.9 следует, что коллекторные токи 77 и Т2 достигают равенства не при «б1= «оп, а при ив\ = и0п+ + lipя. Следовательно, центр области переключения сме­

чим выражение для определения центра области пере­ ключения в следующем виде:

Ыб1=Ыоп+«рн—&фт In[(щ—с)1(а2—с)], (1.33) где ai=«i7?Ki; «2= 02^ 2;

С — (Ыб04— «Сэз) 7?о/ (Д э “Ь «оп— «бэ) •

23

Здесь «биз и «g;>4— напряжения на эмиттерных переходах эмиттерных повторителей, Ыбэ — среднее значение напря­ жения на эмиттерном переходе открытого транзистора переключателя тока.

области переключения определяется в основном знаком и величиной «рн, определяемой по формуле (1.30), а от соотношения других параметров зависит слабо (логариф­ мически). Введение параметра ырн позволяет расширить представление о поведении транзисторного переключате­ ля тока и значительно упростить расчеты, причем допол­ нительной информации практически не требуется. Это очевидно, если учесть, что напряжения «бэ транзисторов известны. В случае же необходимости произвести стати­

Введя параметр ирн можно получить полное пред­ ставление о разбросе характеристик передачи, определив их разброс вне области переключения и разброс центра области переключения.

Потенциальное согласование мажоритарных элементов

При построении сложных цифровых устройств необ­ ходимо, чтобы размах характеристик передачи элемен­ тов был достаточным для управления идентичными эле­ ментами и чтобы обеспечивалось совпадение верхних и нижних уровней выходных и входных напряжений. Для рассматриваемых элементов, кроме того, необходимо предъявить дополнительное требование об исключении режима насыщения транзисторов, вытекающее из (1.20), т. е. ограничить максимальные значения входных и вы­ ходных напряжений. Размах характеристик передачи вы­ бирается исходя из условий обеспечения надежного пе­ реключения управляемых элементов (ограничение снизу) и получения максимального быстродействия при мини­ мальной мощности (ограничение сверху). Размах напря­ жения «61 должен превосходить ширину области пере-

24

ключенйя с запасом на уход центра области переключе­ ния (не обязательно, чтобы этот размах превосходил удвоенное значение напряжения «бэ). Для управления элементом на кремниевых полупроводниковых приборах достаточен размах Мбь равный «бэ (0,7 ... 0,8 В), мини­ мальный же размах должен превосходить лишь ширину области переключения 150 ... 230 мВ.

Для того чтобы сформулировать требования к уров­ ням напряжений на входе, выходе и иа базе 77, рассмо­ трим симметричную схему МЭ (см. рис. 1.3) при усло­ вии включения в эмиттериую цепь транзисторов пере­ ключателя тока идеального генератора тока i = Iо. Вели­ чины напряжений, соответствующие верхнему уровню,

Щ\ н»

С учетом принятых допущений размахи выходных напряжений равны, т. е. iaRKih='asRK%h- И, кроме того,

Мб1 н —Чп и—Чцн Ек—Мбэ—о/oRи

(1.34)

Мб1 п —Мд в —Ми ] :Ец Мбэ.

Среднее значение напряжений

Ч&\ ср — Uji ср= tin ср = Ноп = Ек— Ибэ— a.IoRn/2.

Отсюда видно, что при Ек= 0, что на практике часто встречается,

Моп==— (Мбэ+а/о^к/2). (1.34а)

Уровни напряжений на коллекторах 77 и Т2 находим из физических соображений:

Для предотвращения насыщения 77 необходимо ограни­ чить Мб1в-С учетом соотношений (1.16) и (1.21) при сде­ ланных допущениях находим

Если величину Мбкгр принять в качестве запаса для предотвращения введения транзистора в режим насыще­

25

С учетом ранее полученных выражений определим

При выполнении условия (1.38) из (1.32) и (1.35) нахо­ дим максимальный размах выходных напряжений и на­ пряжения «6i:

Itn макс — tin макс — Wgi макс — o I oR k — — Ишаке- ( 1 .4 3 )

Это означает, что размах напряжений не может заметно отличаться от напряжения смещения эмиттерного пере­ хода транзисторов.

Учитывая соотношения (1.43) и (1.33), определяем требования к напряжению источника коллекторного пи­ тания и иоп. Так как

Выполнение условия (1.43) означает, что размах вход­ ных и выходных напряжений должен быть равен вели­ чине смещения коллекторных уровней напряжений до нужных выходных уровней. Увеличить же напряжение смещения коллекторных уровней можно различными способами, например, включить в эмиттерные цепи тран­ зисторов эмиттерных повторителей диоды или стабили­ троны, или р—«-переходы транзисторов в прямом направлении, или каждый эмиттерный повторитель вы­ полнить на двух транзисторах. Это позволит удвоить ве­ личину смещения уровней напряжений,

26