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

Анализ выражений (1.74) и (1.77) показывает, что при воздействии на все входы низких или высоких уров­ ней напряжения запас помехоустойчивости и помехо­ устойчивость элементов типа ПТРЛ равны соответствую­ щим параметрам элементов типа ПТТЛ. При воздейст­ вии только одного или двух высоких уровней помехо­ устойчивость у элементов ПТРЛ в три раза ниже, чем у элементов ПТТЛ.

Заметим, что помехоустойчивость элементов необхо­ димо определять статистическими методами с учетом разбросов значений параметров резисторов, транзисто­ ров и питающих напряжений. Причем нужно учитывать производственные допуски, влияние влажности, темпе­ ратуры, старения и других факторов. При этом харак­ теристики передачи займут некоторые области вблизи своих средних значений. Представляется нецелесообраз­ ным вести расчеты на худший случай сочетания деста­ билизирующих факторов. Для элементов, в состав кото­ рых входят переключатели тока, расчет на худший слу­ чай часто ошибочно приводит к заключению о неработо­ способности элементов, в то время как расчет статисти­ ческим методом указывает на работоспособность элемен­ тов с достаточно высокой вероятностью.

Статистические оценки разбросов характеристик пе­ редачи элементов типа ПТТЛ и ПТРЛ, выполненных на кремниевых транзисторах с напряжением па эмиттерных переходах транзисторов около «яп = 0,74 В, (сГиОо—Ю мВ) при допусках па номинальные значения сопротивлений резисторов и напряжений источников питания, равных 5%, показали, что разброс характеристик передачи по уровню Зет для нижнего и верхнего значений входных напряжений составляет около 66 мВ для выхода, кото­ рый связан с закрытым транзистором и около 100 мВ для выхода, который связан с открытым транзистором переключателя тока; разброс положения центра области переключения — около 100 мВ. При этом помехоустой­ чивость элемента типа ПТТЛ составляет 0,39; помехо­ устойчивость элемента типа ПТРЛ при воздействии на. входы трех одинаковых уровней тоже равна /70= 0,39, а при воздействии на входы только двух одинаковых уровней 77i= /72=0,1.

Таким образом, расчеты показали, что помехоустой­ чивость элементов типа ПТРЛ довольно низкая, однако при этом не учитывалась корреляция между падениями

напряжений на эмиттерных переходах транзисторов, что, очевидно, привело к завышению значения среднеквадра­ тического отклонения центра области переключения. В полупроводниковых интегральных микросхемах необ­ ходимо учитывать корреляционные связи параметров элементов микросхем.

Приведенные оценки касаются лишь статической по­ мехоустойчивости. Анализ динамической помехоустойчи­ вости здесь не приводится.

Потребляемая мощность

Мощность, потребляемая МЭ, является одним из важнейших параметров. Известно, что при увеличении расходуемой элементом мощности повышается надеж­ ность функционирования, быстродействие элемента, но при этом затрудняется отвод тепла и обеспечение эле­ ментов питанием.

Рассмотрим отдельно мощности, потребляемые пере­ ключателем тока и эмиттерпыми повторителями. В об­ щем случае для питания элемента используются три источника напряжения питания Ек, Е3 и н0п. Определив ток, отдаваемый каждым источником, можно рассчитать потребляемую элементом мощность. Вычисления произ­ ведем для случая, когда в эмиттерной цепи транзисторов переключателя тока используется идеальный генератор тока г'= /п, сопротивления Rki = R,(z= R k и все транзисто­ ры идентичны. Ток /о определяется из соотношения (1.8).

Токи коллекторов транзисторов зависят от уровня «si, однако их сумма равна a/о- Ток источника «оп мож­ но определить, зная /о- Он равен (1—а)/о-

Мощность Psn , потребляемая переключателем тока,

ности, отдаваемые источниками Ек, Еэ, ноп соответствен­ но; «макс — размах выходных или входных напряжений.

34

Переходные процессы

Метод исследования. Исследованию переходных про­ цессов в интегральных ПТТЛ элементах посвящено много работ. Наиболее полно эти задачи решены в i[l и 2].

Нелинейность режима работы транзисторов токового переключателя, сложная зависимость емкостей переходов транзисторов от режима, влияние подложки, сложность самой схемы сильно затрудняют получение общих выра­ жений переходных характеристик. Поэтому целесообраз­ но ставить вопрос лишь о получении приближенных оце­ нок переходных характеристик элемента.

Для получения приближенных оценок длительности переходных процессов можно предложить следующий ме­

нию в операторной форме и переходная характеристика входной цепи (нелинейностью системы пренебрегаем).

Рис. 1ЛЗ. Представление МЭ в виде многокаскадного соеди­ нения элементов. г

3. Находится связь между напряжением, действую­ щим непосредственно на эмиттерном переходе транзисто­ ра, и током в эмиттерной цепи токового переключателя.

4. Определяется коэффициент передачи по току между эмиттерной и коллекторной цепью транзистора с учетом влияния емкостей транзистора эмиттерного повторителя.

5. Определяются переходные характеристики коллек­ торной цепи по току и напряжению с учетом реальной формы эмиттерного тока, что равносильно учету инер­

ционности входной цепи.

6. Рассчитываются переходные процессы в эмиттер­ ном повторителе с учетом нагрузки и определяются усло­ вия запирания эмиттерного повторителя отрицательным перепадом.

36

?. Оценивается суммарная задержка сигнала й вре­ мя переключения МЭ по задержкам и временам пере­ ключения элементов схемы.

Ниже рассматриваются основные этапы анализа пере­ ходных процессов МЭ, произведенного этим методом. Особенности расчета переходных процессов каждого зве­ на рассматриваются непосредственно в процессе анализа.

Переходные процессы во входной цепи. Переходные процессы во входной цепи оценим при следующих допу­ щениях: транзистор Т1 во всем диапазоне входных на­

входной цепи изображена

на рис. 1.14. Входная статическая характеристика i6(«6i), определенная без учета Гб, представлена соотношением (1.24). Входная эквивалентная емкость Сry является не линейным элементом; она зависит от напряжения щ i и от напряжений на переходах транзистора Т1, которые, в свою очередь, являются нелинейными функциями вход­ ного напряжения.

Представив входную емкость, как производную элек­ трического заряда, поступающего в базу, а напряжение на переходах в виде икъ = ик—иц и ибэ=«б—w3, получаем

Это выражение позволяет рассчитать значение входной емкости по производным характеристик передачи коллек­ торной и эмиттерной цепей *. Однако выражения для

* Характеристикой передачи коллекторной цепи переключателя тока МЭ называют функцию uK=,f(uBx), а характеристикой передачи

эмиттерной цепи — функцию u8= /( « bx). Здесь ц„ принимает значе­ ние «„и (рис. 1.3), а «э — напряжение между общей точкой включе­ ния эмиттеров транзисторов переключателя тока и общей шиной.

37

характеристик передачи коллекторной и эмиттерной це­ пей по напряжению громоздки. Из анализа характери­ стик передачи 'видно, что du1(Jdu6<0, a du3/due>0. По­ этому при нахождении входной емкости величина коллек­ торной емкости будет определяющей величиной.

При анализе переходных процессов допустима замена нелинейной емкости эквивалентной линейной, равной ин­ тегральному среднему значению нелинейной емкости [2]. Поэтому численное значение Свх определим по интеграль­ ным значениям коллекторной и эмиттерной емкостей.

Зависимость емкостей переходов от напряжения опре­ деляется соотношениями

где сро — контактная разность потенциалов р—л-перехода

(для германия ф0=0,3 ... 0,4 В икремния <р0=0,7 ... 0,8 В );

Лбэ(ибк)— внешнее прямое смещение эмиттерного (кол­ лекторного) перехода; г — показатель, зависящий от тех­ нологии изготовления переходов (для плавных переходов г~3, а для ступенчатых, резких г » 2; С;,бо н Скбо-—емко­ сти переходов при нулевом смещении (C0go— задается в ТУ). Для коллекторного перехода чаще указывается

Для определения пределов изменения напряжения учтем условия потенциального согласования элементов (1.39)—(1.42), причем при вычислении емкостей будем пренебрегать током /б и полагать, что входные напряже­ ния обеспечивают изменение потенциала базы Т1 от игно до «613 (1-54), (1.55). Кроме того учтем, что потенциал общей точки включения эмиттеров изменяется в пределах

где «макс — размах сигнала (при сделанных допущениях «макс= Иб1макс.), а «бэ— напряжение на эмнттерном пере­

38

Изменение базового напряжения определяется выра­

Аналогично-находим емкость эмиттерпого перехода:

При «макс= 'фо И Г = 2

Емкость коллекторного перехода для источника сиг­ нала, включенного со стороны коллектора, определяется из соотношений (1.97) —(1.99). Таким образом эквива­ лентная входная емкость может быть рассчитана по фор­ муле

Учитывая большое значение входного статического сопротивления МЭ, приведем эквивалентную схему вход­ ной цепи к виду, представленному на рис. 1.15. Упроще­ ния основаны на том, что входной ток схемы в переход­ ном режиме в основном носит емкостной характер.

* В выражениях, начиная с (1.97), индексы б в обозначениях емкостей переходов с целью упрощения записей опущены.

39