Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра РЕЗ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Електронні ключі. Особливості схемотехніки РТЛ і ДТЛ »
МІНСЬК, 2008
1 Електронні ключі
Ключ - елемент, який під впливом керуючого сигналу виробляє різні комутації (джерел живлення, активних елементів і т.д.). Електронний ключ є основою для побудови більш складних цифрових пристроїв. При включенні активного елемента з загальним емітером (витоком) ключ виконує логічну операцію НЕ, тобто інвертує вхідний сигнал.
Ключ має два стани: замкнутий і розімкнене
.
Для реалізації ключів використовують діоди, біполярні і польові транзистори.
Розглянемо найпростіші діодні ключі.
Особливість діодних ключів полягає в тому, що джерелом енергії для формування вихідного сигналу є джерело вхідного сигналу.
Розглянемо схему з'єднання ключа послідовно з навантаженням.
Включення ключа паралельно з навантаженням:
На діодних ключах можна виконувати логічні операції І або АБО.
На рис. 1, а показана схема і часові діаграми діодного логічного елемента АБО. Напруга на виході елемента АБО матиме високий рівень (логічна одиниця), якщо високий рівень (логічна одиниця) діє хоча б на одному вході.
На рис. 1, б показана схема і часові діаграми діодного логічного елемента І. Напруга на виході елемента І буде мати високий рівень (логічна одиниця), якщо на всіх входах діють високі рівні (логічні одиниці). Наявність низького рівня (логічного нуля) хоча б на одному вході призводить до відкривання відповідного діода і струм, що протікає через резистор R, буде замикатися через цей діод на «землю», так що вихідна напруга буде мати низький рівень (логічний нуль).
1.1 Насичений транзисторний ключ на біполярному транзисторі
Розглянемо режими роботи транзисторного ключа.
Вибираємо транзистор VT n - p - n типу, схема включення з загальним емітером показана на рис. 4.2.
Рис. 4.2
Для ключа на транзисторі p - n - p типу змінюються полярності напруг.
Транзистор в нашій схемі може перебувати в одному з трьох станів:
1) Закрито (вимкнений), знаходиться в режимі відсічки (область 1);
2) Відкрито, знаходиться в лінійній області в активному режимі (область 2);
3) Відкрито (включений), знаходиться в режимі насичення (область 3).
1) Режим відсічення:
Режим відсічення створюється шляхом подачі на базу VT замикаючого негативної напруги , VT закритий, обидва p - n переходу зміщені у зворотному напрямку.
2) Активний режим:
Активний режим створюється шляхом подачі на базу VT позитивного напруги . При цьому емітерний p - n перехід буде зміщений у прямому напрямку, а колекторний - у зворотному напрямку, тому що
.
В активній області між вхідними і вихідними струмами існує жорстка зв'язок:
, Тому що
;
,
- Коефіцієнт посилення струму бази.
3) Режим насичення. Такий режим настає при , При цьому VT відкритий. Обидва p - n переходу зміщені в прямому напрямі.
У режимі насичення транзистор перестає управлятися по ланцюгу бази, тому струм колектора насичення залишається незмінним і визначається опором резистора навантаження
:
.
Подальше збільшення вхідного сигналу при призводить до збільшення потоку електронів з емітера в базу і електрони (неосновні носії) у вигляді об'ємного заряду скупчуються в області бази.
Настає так зване насичення транзистора.
Умова насичення VT може бути представлено у вигляді:
;
.
Кількісно глибина насичення VT характеризується коефіцієнтом насичення
, (
),
а також ступенем насичення
.
З фізичної точки зору ступінь насичення характеризує собою величину надлишкового заряду неосновних носіїв (електронів) в базі транзистора.
З ростом струму бази зростає за експоненціальним законом об'ємний заряд неосновних носіїв в базі VT і на межі насичення при він досягає значення
,
де - Постійна часу життя неосновних носіїв в області бази, що відображає частотну залежність коефіцієнта передачі
.
, Де
- Верхня гранична частота VT.
Чим більше надлишковий заряд , Тим сильніше насичений транзистор, а розсіювання заряду обумовлює інерційність VT при його вимиканні, що в підсумку істотно впливає на швидкодію ключовою схеми.
1.2 Статичні характеристики ключа
Перепади амплітуд напруги і струму:
від 0 до
;
від 0 до
;
від 0 до
;
від U КН до Е К.
Амплітуда вихідного напруги:
Передавальна характеристика:
Чим вже перехідна область, тим краще передавальна характеристика транзисторного ключа.
- Ідеальна характеристика
1.3 Динамічні характеристики електронного ключа
Розглянемо епюри струмів і напруг для схеми електронного ключа, зображеної на малюнку нижче.
- Об'ємний заряд,
-Час затримки,
-Час фронту,
.
До моменту комутації вхідний струм був відсутній. Об'ємний заряд в області бази після моменту комутації з'явиться з деякою затримкою через наявність ємності
переходу, паразитної ємності монтажу.
- Середня тривалість життя неосновних носіїв в області бази.
Об'ємний заряд відповідає деякому току колектора насичення
. Для зменшення часу включення транзистора необхідно збільшити вхідний струм
- Напруга закритого транзистора;
- Струм бази логічної одиниці.
, Де
- Гранична частота підсилення транзистора (
).
При виключенні транзистора
.
1.4 Способи збільшення швидкодії ключа на біполярному транзисторі
Основним недоліком насиченого ключа є відносно низьку його швидкодію, обумовлене розсмоктуванням надлишкового заряду в базі VT. Для підвищення швидкодії необхідно будувати схеми ненасичених ключів. Наведемо приклади.
1.Використання прискорюючою ємності.
Оптимальна форма струму бази для поліпшення форми вихідного імпульсу повинна мати наступний вигляд:
Для отримання струму такої форми використовується форсуючих (при-ряющая) місткість:
Призначення форсує ємності полягає в тому, щоб тимчасово збільшити отпирающий струм бази і зворотний струм
на час перехідних процесів, коли формується
і
.
У момент часу при відмиканні ключа і формуванні
маємо:
,
тому що високочастотна складова вхідного сигналу проходить через , Шунтуючи при цьому резистор
.
У момент часу при формуванні
маємо:
,
тому що ємність робить істотний реактивний опір низькочастотним складовим вхідного сигналу, який, проходячи по ланцюгу
зменшує струм бази.
У момент часу замикаючий струм бази
формується аналогічно току
, Коли у вхідні ланцюг надходять низькочастотні складові, що формують
.
2.Використання зовнішнього фіксуючого джерела напруги.
Зовнішнє зміщення можна здійснити по ланцюгу бази або колектора. У цьому випадку вибирається таким, щоб
.
3.Використання негативного зворотного зв'язку.
У цій схемі вхідний базовий струм обмежується на рівні струму бази насичення, а надлишок базового струму відводиться через відкритий діод VD в колекторний ланцюг транзистора. У цій схемі транзистор не входить у режим насичення.
2 Серії логічних елементів
Історично розвиток імпульсної та цифрової техніки пройшло кілька етапів, розробка основних типів логіки:
1.РТЛ - резисторной-транзисторна логіка.
2.ДТЛ - діод-транзисторна логіка.
3.ТТЛ - транзисторних-транзисторна логіка.
4.ТТЛШ - транзисторних-транзисторна логіка з діодами Шотки.
5.ЕЛС - емітерний-пов'язана логіка.
6.МОП (МДП) - логіка на уніполярних транзисторах з каналами провідності p - і n-типів.
7. КМОП (КМДП) - логіка на основі уніполярних транзисторів з використанням доповнюють комплементарних транзисторів.
8. - Інжекційний інтегральна логіка.
Цифрові інтегральні мікросхеми випускаються серіями. Усередині кожної серії є об'єднані за функціональною ознакою групи пристроїв, що мають єдине конструкторсько-технологічне виконання. Основою кожної серії ІМС є базовий логічний елемент.
3 Особливості схемотехніки РТЛ
Базовий логічний елемент РТЛ представлений на рис., Він функціонує згідно логічного виразу:
, Де
і
- Відповідно вхідні і вихідні сигнали.
Гідність цієї схеми: використання тільки двох видів елементів (резисторів і транзисторів). Недоліки схеми: використання двох джерел живлення, мала навантажувальна здатність по виходу, мале швидкодію.
Існує інший різновид цієї схеми, що володіє підвищеною навантажувальною здатністю.
4 Особливості схемотехніки ДТЛ
Базова схема ДТЛ показана на рис. 4.3.
Рис. 4.3.
Діоди виконують логічну операцію І, діоди
і
є зміщуються і встановлюють спільно з
необхідний поріг спрацьовування транзистора VT, який виконує функції ключа-інвертора.
Якщо на діоди подані високі рівні
, То діоди будуть закриті, а транзистор VT відкритий позитивним потенціалом
, На виході схеми -
(Балка. 0). Якщо хоча б на один з входів надходить напруга низького рівня
, То відповідний діод буде відкритий. Позитивний потенціал бази VT зменшується на величину
і транзистор VT закривається, на виході схеми буде напруга
(Балка. 1).
Схема ДТЛ (рис. 3) виконує логічну функцію n І-НЕ.
ЛІТЕРАТУРА
1. Достанко А.П., Пікуль М.І., Хмиль А.А. Технологія виробництва ЕОМ. Учеб. Мн.: Вишейшая школа, 2004.
2. Кофанов Ю.М. Теоретичні основи конструювання технології та надійності РЕЗ. Учеб. М.: Радіо і зв'язок, 2001.
3. Глудкін О.П. Методи та пристрої випробувань РЕЗ та ЕВС. Учеб. М.: Вищ. шк., 2001.
4. Технологія радіоелектронних пристроїв і автоматизація виробництва: Підручник А.П. Достанко, В.Л. Ланін, А.А. Хмиль, Л.П. Ануфрієв. Мн. Обчислюємо. шк., 2002.