Глава 3. Базовые элементы цифровых интегральных схем

(рис.1.1.),
которое предназначено для коммутации тока в цепи сопротивления
нагрузки

т.е. он позволяет подключать нагрузку к источнику
напряжения (питания) или отключать нагрузку от источника питания.


Ключевая схема (ключ) имеет два состояния - ключ замкнут (включен-2), ключ разомкнут (выключен-1).
Состояние ключа характеризуют: 1. током через ключ - Iк,
2. напряжением на ключе - Uк,
3. сопротивлением ключа - Rкл=Uк/Iк.
Ключ работает так. Под действием входного напряжения Uвх ключ может находится в одном из двух своих возможных состояний:
Ключ разомкнут (состояние «выключено»), то: Iк.выкл = 0; Uк.выкл = Е; Rкл= ∞.
Ключ замкнут (состояние «включено»), то: Iк.вкл = Е/RН, Uк.вкл=0, Rкл.вкл=0.

Электроника

Работа биполярного транзистора в импульсном (ключевом) режиме

транзисторе – это с ОБ, ОЭ, ОК. Наиболее распространена схема

ключа на биполярном транзисторе с ОЭ. Простейшая схема ключа на биполярном транзисторе с резистивной нагрузкой приведена на рис.1.2.
Ключом на транзисторе VT1 управляет источник сигнала Uвх с внутренним сопротивлением, равным RБ. Нагрузкой каскада служит резистор RK. Внешняя нагрузка для простоты не показана. На схеме пунктирными линиями показаны две паразитные емкости:
Входная емкость Свх= СБЭ+ СМОН
Выходная емкость Свых =СКЭ+СН +СМОН
Ключевой режим работы транзистора характеризуется большой амплитудой переключающего импульса, под действием которого транзистор переходит из состояния с большим внутренним сопротивлением (ключ разомкнут) в состояние с малым сопротивлением (ключ замкнут) и обратно – это существенно нелинейный режим, поэтому анализ его работы проводят графоаналитическим методом.
На рис.1.3.б показаны выходные статические характеристики, нагрузочная характеристика и расположение рабочих точек A (ключ выключен) и B (ключ включен) На рис.1.3а показаны: входная характеристика; нагрузочные прямые, когда Uвх равно U1вх или U0вх ; и расположение рабочих точек A и B.
На рис. показаны временные диаграммы напряжений и тока
Различают два режима работы транзисторного ключа: статический и динамический.

транзисторный ключ может находиться лишь в одном из двух состояний:

ключ включен, ключ выключен.
Первое состояние - ключ выключен, заперт (точка А). Идеально, это режим отсечки коллекторного тока, когда Uбэ< 0.
Это требует для управления ключом двухполярного источника сигнала, что усложняет схему.
Поэтому, условием запирания ключа считают:.

Электроника

Величина Uбэ.пор зависит от материала, для кремния - 0,6- 0,7В, для германия - 0,2- 0,4В.

В состояние выключено на транзисторе напряжения и токи следующие:
для входной цепи UбэСопротивление транзистора в режиме отсечки велико и примерно равно: Rотс ≈ UКЭ выкл/Iк0 =1МОм, (здесь считали, что UКЭ выкл=5В, а Iк0=5мкА).

Определим входное напряжение U0вх, при котором транзистор заперт. Из схемы и условия запирания ключа следует, что Uбэ= U0вх - Iк0RБ < Uбэ.пор , т.е. U0вх < Iк0RБ + Uбэ.пор .
Необходимо помнить, что Iк0 сильно возрастает с увеличением температуры, а потому условие выбора величины U0вх должно выполняться на самой высокой температуре. Поскольку для кремниевых транзисторов Iк0 значительно меньше чем для германиевых, то для них указанное условие всегда выполняется при U0вх>0.

Uбэ

= S.IбН ≥ IбН = IКН /β = Ек/(βRк) ,

где β - коэффициент передачи тока базы транзистора. S = Iб/Iб нас - степень насыщения характеризует силу неравенства. S = 1 соответствует границе с активным режимом. На практике для надежного насыщения S>5.
В состояние включено на транзисторе напряжения и токи следующие:
для входной цепи: Uбэ >Uбэ.пор, Iб ≥ IбН ; для выходной цепи: Iк= IКН , UКЭ = Uкэ ост .
В режиме насыщения на транзисторе остается остаточное напряжение, его называют напряжением насыщения. Оно состоит из двух составляющих: Uкэ ост=Uкэ+ IкнRкэ.наc,
где Uкэ - разность напряжений на переходах, IкнRкэ.наc - падение напряжения на омическом сопротивлении коллекторной области транзистора. Обычно Uкэ ост около 0,1…0,2В.
Определим напряжение входного сигнала U1вх, при котором транзистор насыщен.
Из условия насыщения ключа Iб = SIбН следует, что: U1вх /(Rб + Rвх оэ) = SЕк/(βRк), т.е.
U1вх = SЕк Rб /(βRк).
Здесь учтено, что Rб >> Rвх оэ, Rвх оэ - входное сопротивление транзистора с ОЭ.

2. Второе состояние - ключ включен, открыт, замкнут (точка В). Транзистор находится в состояние насыщения, т.е. оба его перехода окажутся смещенными в прямом направлении - это режим двойной инжекции.
В режиме насыщения через транзистор протекает ток коллектора насыщения: IКН= (ЕК- UКЭ ОСТ )/RК ≈ ЕК /RК.
Состояние насыщение транзистора достигается увеличением тока базы до величины когда дальнейший рост тока базы не приводит к возрастанию IКН. Ток базы при котором достигается насыщение называется током базы насыщения Iбн,

Электроника

uвх= U0вх ≤ U0пор транзистор закрыт и на выходе устанавливается

высокое напряжение U1к ≈ Ек, что в цифровых схемах соответствует логической единице.
Участок 111. Если напряжение uвх= U1вх ≥ U1пор, то транзистор полностью открывается. Через него в этом случае протекает ток коллектора насыщения, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rк будет большим, примерно равным напряжению питания Ек. На выходе ключа устанавливается низкий уровень напряжения U0к ≈ Uост, что в цифровых схемах соответствует логическому нулю.
Участок 11. U0вх< uвх

электроника

Передаточная (амплитудная) характеристика электронного ключа это зависимость Uвых = Uк = F(Uвх). Она приведена на рис. 4. На ней можно выделить три участка.
.

одного стационарного состояния в другое происходит не мгновенно, а в

течение некоторого времени - времени переходных процессов. Этим временем определяется быстродействие переключения ключа и им определяется максимальная частота следования входных переключающих импульсов.
Быстродействие переключения определяется двумя факторами:
1. Влиянием паразитных элементов - перезаряд паразитных емкостей в процессе переключения.;
2. Инерционностью транзистора, которая связана с конечной скорость движения зарядов, что приводит к необходимости учета времени их накопления и рассасывания
Если входной сигнал (напряжение) представляет собой прямоугольный импульс, а его длительность достаточно велика, то выходной сигнал (напряжение Uк) тоже является прямоугольным импульсом, но противоположной полярности. Поэтому ключ называют инвертором.
Если входной сигнал (напряжение) представляет собой прямоугольный импульс, а его длительность достаточно мала и соизмерима с временем переходных процессов в транзисторном ключе, то возникают искажения и выходной импульс отличается от прямоугольного.

Электроника

с перезарядом паразитных емкостей в процессе переключения, а инерционностью транзистора

пренебрегаем.

Схема ключа с учетом паразитной выходной емкости приведена на рис. а временные диаграммы входного и выходного напряжений на рис. .
В исходном состояние ключ выключен uвх=U0вх, Uк=Ек. Емкость С0 заряжена до напряжения Ек.
На вход ключа поступает идеальный прямоугольный импульс s(t), длительность которого сравнима с длительностью переходных процессов в электронном ключе.
При t=t1 возникает положительный перепад напряжения uвх=U1вх, транзистор мгновенно переходит в состояние насыщения, но напряжение Uк мгновенно не изменяется. Происходит разряд конденсатора С0, через транзистор находящимся в состояние насыщения, с постоянной времени τразр= С0RVTнас , где RVTнас - сопротивление транзистора находящегося в состояние насыщения. tвыкл= 3 τразр
При t=t2 возникает отрицательный перепад напряжения uвх=U0вх, транзистор мгновенно переходит в выключенное состояние, но напряжение uк мгновенно не изменяется. Происходит заряд конденсатора С0, через сопротивление Rк, с постоянной времени τзар= С0Rк. tвкл= 3 τзaр
Поскольку Rк > RVTнас, то τзар > τразр , то в основном искажения прямоугольного импульса наблюдаются на этапе выключения ключа.

Электроника

искажения, обусловленные инерционностью транзистора, а влиянием паразитной емкости пренебрежем.
В исходном

состоянии на базу транзистора подано запирающее напряжение EБ. Транзистор выключен.
Процесс отпирания транзистора начигается при подаче отпирающего напряжения E+Б можно разделить на три этапа: 1.задержка фронта, 2. формирование фронта и накопление заряда, 3 – накопление избыточного заряда в базе.
Этап задержки фронта (t1-t0): обусловлен зарядом входной емкости запертого транзистора от напряжения EБ до U -напряжения отпирания эмиттерного перехода (для Si - U0,6В, для Ge - U0,2В). Этот процесс протекает с постоянной времени c =RБCвх где Cвх=CЭбар+CКбар

Время задержки фронта определяется формулой

Электроника

в активный режим. Коллекторный ток возрастает до Iкн, а коллекторное

напряжение падает до Uкн в условиях заданного тока базы Iб1. Процесс формирования фронта характеризуется эквивалентной постоянной времени

где  - время жизни носителей в базе, для схемы включения с ОЭ
 = ; Ск - емкость коллекторного перехода
Длительность фронта tф=t2 – t1 , определяют формулой



В момент времени t2 транзистор переходит в насыщение , после чего токи и напряжения транзистора остаются практически постоянными, а заряд Q в области базы продолжает нарастать до стационарного значения. Стационарного значения заряд достигнет только в случае, если длительность входного импульса ,
где  - постоянная времени транзистора в схеме с ОЭ. ,

Электроника

базы появляется обратный ток, под действием которого заряд в базе

уменьшается.
Время, в течение которого заряд уменьшился от Qст до Qгр, называется временем рассасывания tp , при этом транзистор остается в режиме насыщения, а, следовательно, происходит задержка выключения на время tp. Рассасывание происходит в тех же условиях, что и накопление при неизменных внешних токах, поэтому и скорость процесса рассасывания определяется той же постоянной времени .


если , тогда
По окончании этапа рассасывания начинается этап запирания транзистора. В момент времени t4 транзистор переходит в активный режим. Заряд в базе убывает до 0. Длительность запирания транзистора обычно определяют процессом заряда коллекторной емкости, которая протекает с постоянной времени , тогда время спада заднего фронта.
Время включения tвкл и время выключения tвыкл ТК соответственно равны
tвкл= tзф+ tф, tвыкл= tр+ tс.
При практическом определении времен tзф, tф, tр, tс обычно используются уровни 0,1IКН и 0,9IКН .

Электроника

времени включения, необходимо увеличивать степень насыщения транзистора. Однако на этапе

выключения – это приведёт к повышению времени выключения. Для уменьшения времени выключения степень насыщения должна быть около единицы. Отсюда следует, что сигнал управления ТК должен иметь специальную форму, временная диаграмма которого показана на рис 5. Включение в момент t1 производится сильным током I1 > Iн, в момент t2 ток базы снижается до значения I2 = Iн, при этом заряд в базе сохраняется на уровне Qгр. Тем самым транзистор подготавливается к выключению (исключается время на рассасывание избыточного заряда). Выключение в момент t3 осуществляется путем подачи в базу тока I3.

Перечислим схемотехнические способы повышения быстродействия переключения ТК.
1. Схема ТК с ускоряющей (форсирующей) ёмкостью
2. ТК с нелинейной обратной связью. ТК с диодом Шотки. Эта схема ТК с ненасыщенным транзистором, благодаря чему сокращается время выключения транзисторного ключа.
3. Транзисторный переключатель тока.
Для увеличения быстродействия электронного ключа при изготовлении современных микросхем и микропроцессоров используется простой, но эффективный метод — уменьшение геометрических размеров транзисторов. При этом уменьшаются площади р-n-переходов и их емкости, уменьшаются также паразитные емкости и время рассасывания неосновных носителей в уменьшенной по объему базе транзистора. На основе электронного ключа строятся логические элементы цифровых устройств.
Далее рассмотрим схемотехнические методы повышения быстродействия ТК.

Электроника

схему транзисторного ключа вводят дополнительный элемент – ускоряющий конденсатор, который

включают параллельно резистору R (рис. 6). Благодаря этому в цепи базы создается примерно оптимальная форма тока.
Если на вход ключа подать импульс положительной полярности E, то в начальный момент времени весь
ток I1 замыкается через емкость С и определяется

при условии, что r  R.
По мере заряда емкости С, ток I1- уменьшается и в стационарном состоянии равен I2

Выбором R обуславливается I2 = Iн , тогда tp  0.
При выключении ключа (момент t3 на рис. 7) E = 0 и начинается разряд конденсатора. Ток разряда, замыкаясь в цепи базы, создает сильный обратный ток I3.



При условии, что входной импульс tu  2,3’; I1 > Iн
В формуле tф знак равенства имеет место, если I1=Iн, где ’ – постоянная времени базовой цепи.

Электроника

ключ имеет наиболее высокое быстродействие. Схема ключа представлена на рис.8.

В момент времени t1, когда начинает действовать положительный импульс, диод VD находится в закрытом состоянии, а резисторы подобраны так что s>>1. 
Соотношение резисторов  рассчитывается таким образом, что в момент времени t2, когда значение Iк  достигает Iкн , и напряжение на коллекторе снизится до остаточного уровня  , потенциал катода диода станет ниже потенциала анода. Диод откроется и часть входного тока будет ответвляться через диод и открытый транзистор в коллекторную и эмиттерную цепь. Ток базы в этот момент равен:. I1 =Iвх- Ig =Iбн.
 Степень насыщения s=1. В базе не происходит накопления избыточного заряда. Поэтому в момент времени t4 (момент смены полярности входного напряжения) сразу же начинается снижение тока коллектора. При этом не требуется время на рассасывание избыточного заряда.
За счет большого iб1 , в то время когда диод закрыт, обеспечивается быстрое нарастание коллекторного тока при открывании. В результате имеем малую длительность фронтов  и  , а также отсутствие времени на рассасывание избыточного заряда.
За счет исключения времени рассасывания значительно повышается быстродействие ключа при закрывании. 

Электроника

сразу же после отирания создать режим, когда бы он находился

на границе между состоянием насыщения и активным режимом работы. Этого можно достичь шунтированием перехода коллектор-база транзистора диодом Шоттки (рис. 15).

Когда транзистор закрыт или работает в активном режиме, потенциал коллектора выше потенциала базы и, следовательно, диод закрыт и не влияет на работу ключа. В режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт, потенциал его коллектора оказывается ниже потенциала базы, что приводит к открыванию диода, на котором устанавливается напряжение менее 0,5 В, т. е. меньше напряжения, открывающего переход база–коллектор. Транзистор тем самым окажется на грани насыщения, так как диод зашунтирует через себя ту часть тока базы, которая создала бы избыточный заряд.
В интегральном исполнении диод Шоттки представляет собой контакт металла с коллекторной областью транзистора и составляет единую структуру, называемую транзистором Шоттки. Особенностью диода Шоттки является низкое прямое падение на нем напряжения порядка 0,4 В.

Электроника

Рис. 15. Ключевая схема на транзисторе Шоттки

и коллектором транзистора. Запертый диод не влияет на работу схемы,

когда ключ открывается, диод оказывается смещенным в прямом направлении, а транзистор охваченным глубокой отрицательной обратной связью. Для уменьшения времени выключения необходимо обеспечить малое время восстановления обратного сопротивления диода, для чего применяются диоды с барьером Шотки.
Монолитная структура диод Шотки - биполярный транзистор называется транзистором Шотки.

Электроника

на базу второго транзистора подаётся опорное напряжение Uоп, а на

базу первого транзистора управляющий сигнал Uвх. Роль резистора R0 обычно выполняет источник тока с током I0. Опорное напряжение побирается так, что когда Uвх= Uоп, то суммарный ток Iк1+Iк2=I0< Iк.нас.
Если входное Uвх< U0пор, то транзистор VT1 закрыт. Весь ток источника тока протекает через VT2 (Iк1=0, Iк2=I0), однако он не входит в состояние насыщения т.к. I0< Iк.нас . Если входное напряжение Uвх=Uоп, то оба транзистора находятся в линейном активном режиме.
Если входное Uвх> U1пор, то транзистор VT2 закрыт, транзистор VT1открыт. Весь ток источника тока протекает через VT1 (Iк1= I0, Iк2=0), однако он не входит в состояние насыщения т.к. I0< Iк.нас .
В этой схеме нет стадии задержки и рассасывания, благодаря чему наблюдается высокое быстродействие переключаемого тока.
Таким образом, схема обладает двумя особенностями:
1. управление схемы осуществляется не током, а напряжением;
2. открытые транзисторы находятся в ненасыщенном (активном) состоянии, что обеспечивает повышенную скорость переключения в связи с отсутствием задержки на рассасывание.
Транзистор в составе электронного ключа удобно рассматривать как резистор с управляемым сопротивлением. При открытом транзисторе сопротивление между коллектором и эмиттером мало (ключ замкнут), при закрытом — велико (ключ разомкнут).

Электроника

управляет работой нескольких транзисторных ключей – это параллельное соединение ключей.
Если

считать, что все транзисторы одинаковы (IБН1=IБН2= IБН), тогда для ввода их в насыщение должно выполняться условие: UВХ=U1ВХ > nIБНRБ , где n – это число одинаковых транзисторов.

Однако на практике токи насыщения JБН транзисторов не одинаковы (из-за разброса по параметру β) и симметрия распределения тока в цепи базы нарушается. Для выравнивания токов базы в цепь базы каждого транзистора вводят добавочное сопротивление R, что уменьшает быстродействие переключения.

Электроника

работа нескольких ТК, соединенных последовательно. Когда каждый ключ управляется предыдущим,

а сам управляет последующим. Для последовательной цепочки ТК характерно чередование открытых и закрытых ключей и две особенности
1. Высокая степень насыщения транзисторов. Считаем, что транзистор VT1 открыт и насыщен, тогда транзистор VT2 заперт. Следовательно, в цепь транзистора VT3 через Rк втекает ток вводящий его в насыщение и равный IБЗ =(EП - UБЭ ПОР) / RК > IБ НАС З= EП/RК. Отсюда следует, что коллекторный и базовый ток в последовательной цепочки почти одинаковы.
Степень насыщения транзисторов в последовательной цепочки определяется выражением: S = IБЗ / IБ НАС З =(EП - UБЭ ПОР) / ЕП   = 50200 .

2. Напряжение на коллекторе транзистора в рабочей цепочке изменяется в более узких пределах, чем в изолированном ТК.
В изолированном ТК: UКЭ  ЕП - Uост≈ ЕП.
В последовательной цепи ТК: UКЭ  UКЭ ПОР. Это напряжение значительно меньше чем в первом случае, т.к. коллектор запертого транзистора соединен с базой следующего транзистора находящегося в состояние насыщения.
Нагрузочная способность. Типичным для цифровых схем является сочетание последовательного и параллельного соединений ключей, т.е. такое сочетание, когда один ключ должен управлять не одним, а несколькими ТК. Такой режим работы характеризуют нагрузочной способность ю ключа.
Нагрузочная способность – это количество параллельно включённых ключей, которыми способен управлять данный ключ. Обозначим ее через N.
Если суммарный ток отпирающий транзисторы распределяется между базами транзисторов включенных параллельно равномерно, то : N = [ (EП - UБЭ ПОР) / EП].
Учитывая, что для надёжной работы ТК должна быть обеспечена определённая степень насыщения - Sмин, то нагрузочная способность определяется из неравенства: N = [ (Eк - U БЭ ПОР ) / (Eк Sмин)].
Например, Eк=5В, В=100, Sмин=5, U БЭ ПОР ≈0,6В, то N ≤20.

Электроника

протекания переходных процессов в ключевых схемах на полевых транзисторах оказывают

емкости, образованные между их выводами (рис. 16).
Рис. 16. Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторах: а – эквивалентная схема, б – временные диаграммы
При закрытом транзисторе выходная емкость Cси заряжена до напряжения, практически равного E. Когда входное напряжение превышает пороговое напряжение Uпор(напряжение открывания транзистора) в течение времени задержки
формируется проводящее состояние канала. Однако, при достаточно низком сопротивлении Rвн источника входного сигнала Uвх время задержки пренебрежимо мало.
Как только канал сформирован, емкость Cси начинает разряжаться постоянным током Iр, определяемым небольшим сопротивлением проводящего канала транзистора, в течение времени tвкл. За это время выходное напряжение ключа падает до величины близкой к нулю.
При запирании транзистора (уменьшение Uвх до нуля) происходит зарядка емкости Cси через резистор R от напряжения источника питания E в течение времени tвыкл. Это время, как правило, больше времени включения, так как сопротивление нагрузочного резистора R значительно больше сопротивления канала транзистора в проводящем состоянии.
В комплементарном ключе заряд и разряд нагрузочной емкости происходит в одинаковых условиях через открытый проводящий канал. Это объясняется симметрией схемы относительно входного напряжения и нагрузки. Соответственно, интервалы времени tвкл и tвыкл примерно одинаковы и почти на порядок меньше, чем у обычного ключа на МДП-транзисторах. Это преимущество сохраняется и при уменьшении напряжения питания.