Схемы ЭСЛ. Особенности работы. Помехоустойчивость. Модификации

5. Схемы ЭСЛ. Особенности работы. Помехоустойчивость. Модификации.

В основе схем эмиттерно-связной логики (ЭСЛ) лежит транзисторный ключ с большим сопротивлением в цепи эмиттера (рис.11.1). Этот тип ключа относится к наиболее быстродействующим. Его основные особенности: малые перепады напряжений, большие переключаемые токи и ненасыщенный режим работы транзистора. Для стабилизации режима работы ключа величина сопротивления должна быть взята как можно большей, на нем образуется сильная отрицательная обратная связь, которая стабилизирует работу транзистора в режиме, когда он открыт.

Режим работы транзистора не зависит от величины входного напряжения, от него требуется либо открыт, либо закрыт, по этому ∆Uвх могут быть маленькими, резистор в базу здесь не ставят, для повышения быстродействия схемы ток эмиттера примерно равен току коллектора и выбирается достаточно большим, сопротивление в коллекторе выбирается исходя из Eк-IкRк>Uб

Маленькие перепады напряжения на входе говорят о том, что Uб≈константе, т. е. режим работы соответствует режиму с общей базой. Малые перепады напряжения, большие переключаемые токи, ненасыщенный режим работы транзистора и работа в режиме с общей базой обеспечивают высокое быстродействие этого ключа.

В интегральных схемах вместо диода используют переход база-эмиттер дополнительного транзистора (рис.11.2). Замена диода транзистором, не увеличивая стоимость схемы, позволяет получить дополнительный выход, снимаемый с коллектора транзистора . Из схемы рис.11.2 видим, что эмиттеры транзисторов , соединены между собой, откуда и произошло название схемы – эмиттерно-связная логика (ЭСЛ). Схема ячейки ЭСЛ, показанная на рис.11.2, представляет собой схему дифференциального усилителя. Отличие ячейки ЭСЛ от аналогового дифференциального усилителя состоит в том, что в ячейке ЭСЛ транзисторы работают в ключевом режиме.

			Операция
			Инверсия
			Эквивалентность

Из таблицы видим, что ячейка ЭСЛ (рис.11.2) по выходу реализует операцию инверсии, по выходу – операцию эквивалентности.

Значение перепада напряжения на входе ячейки ЭСЛ, необходимого для ее полного переключения, возьмем . Видим, что величина , достаточная для переключения элемента ЭСЛ из одного состояния в другое, мала.

11.2. Основная схема ЭСЛ. Оценка величины

логического перепада на выходе схемы.

Напряжение низкого уровня, подаваемого на вход ячейки ЭСЛ, должно быть ниже , т. е. . С другой стороны, в схемах ЭСЛ в открытом состоянии транзистор находится в активном режиме, т. е. напряжение на его коллекторе всегда больше, чем на базе. С целью согласования с входным напряжением последующего элемента ЭСЛ напряжение, снимаемое с коллекторов ячейки ЭСЛ, необходимо сдвинуть вниз. Для сдвига напряжения вниз в элементах ЭСЛ используют каскады сдвига уровня, которые в интегральных схемах чаще всего выполняют на эмиттерных повторителях.

Схема основного элемента ЭСЛ совместно каскадами сдвига уровня показана на рис.11.4. Каскады сдвига уровня выполнены на транзисторах , , транзисторы , , соединены параллельно для образования многоместной логической функции (в данном случае на три входа). В варианте схемы ЭСЛ, показанном на рис.11.4, напряжение питания выбрано равным нулю: , напряжение питания эмиттерной цепи () обычно берут равным ().

Если на все входы элемента ЭСЛ (рис.11.4) подан низкий уровень , то все логические транзисторы закрыты, транзистор - открыт. На коллекторе транзистора (соответственно, на базе транзистора ) присутствует высокий уровень

. (11.12)

На эмиттере транзистора , обозначенном на рис.6.83 как , присутствует напряжение, соответствующее высокому логическому уровню:

.

Таким образом, при подаче хотя бы на один вход высокого уровня , с выхода снимаем низкий уровень , с выхода - высокий . При подаче низкого уровня одновременно на все входы, на выходе имеем высокий уровень , на выходе - низкий. Видим, что по выходу основная схема ЭСЛ в логике на положительные сигналы выполняет операцию ИЛИ, по выходу - операцию ИЛИ-НЕ.

Низкая статическая помехоустойчивость - серьезный недостаток схем ЭСЛ. Учитывая высокое быстродействие ЭСЛ отметим, что и динамическая помехоустойчивость схем ЭСЛ получается крайне низкой. Низкая статическая и динамическая помехоустойчивость схем ЭСЛ налагает жесткие требования на стабильность напряжений , , и на конструктивное исполнение элементов ЭСЛ.

Термокомпенсированный источник опорного напряжения.

Для согласования элементов ЭСЛ между собой напряжение , подаваемое на базы транзисторов , должно быть одной и той же величины в любом элементе ЭСЛ. Это условие проще всего выполнить, если напряжение подать на все элементы ЭСЛ от одного источника опорного напряжения. Однако такое решение оказалось несостоятельным из-за большой длины подводящих проводов. Уровень наводимых помех на таких проводах получается большим. К тому же, эти помехи подключены к наиболее чувствительным точкам схемы, а именно - к базам транзисторов .

Лучшим решением оказалась установка источника опорного напряжения внутри каждого элемента ЭСЛ. Но в данном варианте к источнику должны быть предъявлены повышенные требования, касающиеся стабильности напряжения . В частности, величина напряжения не должна зависеть от температуры. Схема элемента ЭСЛ совместно с термокомпенсированным источником опорного напряжения показана на рис.11.15.

Источник опорного напряжения собран на делителе напряжения , …, , и эмиттерном повторителе на транзисторе . Эмиттерный повторитель позволяет устранить влияние режима работы транзистора на величину .

Диоды … называют диодами термокомпенсации.

11.7.2. Использование генераторов стабильного тока и компенсация температурных изменений сопротивлений нагрузок в схемах ЭСЛ.

Ранее было показано, что с целью повышения стабильности работы схем ЭСЛ величина сопротивления , установленного в цепи эмиттеров ячейки ЭСЛ, должна быть выбрана как можно больше. Выбору большого значения сопротивления препятствуют две важные причины:

1. С ростом номинала сопротивления при неизменном значении тока (см. рис.11.15) повышается номинал напряжения питания () и возрастает рассеиваемая на кристалле мощность.

2.Использование сопротивлений больших номиналов невыгодно в интегральных схемах.

Разрешить указанные затруднения позволяет установка вместо генератора стабильного тока (ГСТ). Схема ячейки ЭСЛ с ГСТ показана на рис.11.16. Для простоты чертежа логические транзисторы и каскады сдвига уровня на рис.11.16 не представлены. В данном варианте схемы элемента ЭСЛ на резисторах , , и диоде собран делитель напряжения. Напряжение в т. А делителя используется для формирования опорного напряжения , а напряжение в т. В подается на базу транзистора , на котором собран ГСТ.

В качестве резисторов в интегральных схемах используют некоторую область полупроводника. Следовательно, сопротивления резисторов Rк1, Rк2 зависят от температуры. Если считать, что ток I0 термокомпенсирован, то зависимость сопротивлений Rк от температуры приведет к зависимости от температуры величины логического перепада . Для исключения этой зависимости сопротивления Rк также должны быть термокомпенсированы.

Для термокомпенсации сопротивления резисторов Rк между коллекторами транзисторов VT1, VTоп включают цепочку из резистора Rш и двух встречно включенных диодов VD1, VD2 (рис. 11.17). Пусть транзистор VT1 закрыт, транзистор VTоп – открыт. На коллекторе транзистора VT1 присутствует высокий уровень напряжения , на коллекторе VTоп – низкий

,

где – эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора VTоп.

Разность напряжений между коллекторами транзисторов VT1, VTоп

откроет диод VD1. Сопротивление из схемы рис.11.17 равно

, (11.42)

где Rпр1- сопротивление приоткрытого диода VD1.

1.7.3. Схема ЭСЛ со сложным эмиттерным повторителем

На рис. 11.18 показан элемент ЭСЛ со сложным эмиттерным повторителем на выходе. Для упрощения чертежа источник Eоп, ГСТ в цепи эмиттеров и термокомпенсация резисторов Rк не показаны.

Сложные эмиттерные повторители собраны на транзисторах VT1, VT2, VT3 и VT8, VT9, VT10. Работу сложного эмиттерного повторителя рассмотрим на примере схемы, собранной на транзисторах VT8, VT9, VT10. Эмиттерный повторитель на транзисторах VT1, VT2, VT3 работает аналогично. В качестве каскада сдвига уровня используют эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT9. Этот эмиттерный повторитель нагружен на ГСТ, выполненный на транзисторе VT10. Напряжение на базу VT10 подается через эмиттерный повторитель на транзисторе VT8. Для согласования уровней напряжения на коллекторе транзистора VT7 и базе транзистора VT10 в цепь эмиттера транзистора VT8 установлен диод VD2.

11.7.4. Схема ЭСЛ с эмиттерным повторителем на входе.

Рассмотрим последовательное соединение двух элементов ЭСЛ между собой (рис.11.19). В качестве выходного контакта в рассмотренных до этого момента схемах ЭСЛ используют выход каскада сдвига уровня, построенного на транзисторе VT3. Этот выход рис.11.19 обозначен как т. В.

В противоположность указанному выше решению, в качестве выхода элемента ЭСЛ можно взять т. А, т. е. выходной сигнал снять непосредственно с коллектора транзистора (либо с коллектора транзистора ). В этом варианте схемы эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT3, будет установлен на входе следующего элемента ЭСЛ (, ). Схема ЭСЛ с эмиттерными повторителями на входе показана на рис. 11.20

В схеме ЭСЛ с эмиттерными повторителями на входе высокий потенциал, низкий : . Высокий потенциал привязан к “земле”, за счет чего снижается уровень наводимых помех.

11.7.5. Схема ЭСЛ с открытым эмиттером

а) В случае работы элемента ЭСЛ на длинную линию значение сопротивления резисторов R1,R2 должно быть выбрано равным волновому сопротивлению линии. Например, в случае использования длинной линии в виде коаксиального кабеля с волновым сопротивлением Ом, резисторы R1, R2 необходимо взять также равными R1 = R2 = 100 Ом.

При переходе выходного напряжения с одного уровня на другой, изменения выходных токов также будут значительными. Эти изменения токов создают большие помехи по цепям питания. Использование отдельных цепей для питания выходного эмиттерного повторителя позволяет снизить воздействие на основную ячейку ЭСЛ помех по цепям питания.

Схема элемента ЭСЛ с открытым эмиттером позволяет объединить несколько элементов ЭСЛ по выходу. Пример такого объединения показан на рис. 11.22. Первый элемент ЭСЛ DD1, собранный на транзисторах реализует оперцию ИЛИ относительно входов, обозначенных как А и В. Второй элемент ЭСЛ(транзисторы ) реализует операцию ИЛИ относительно входов C и D. Выходы обоих элементов объединены (т. F) и к ним внешним монтажом подключен один из резисторов или .

Схема, показанная на рис. 11.22 реализует функцию

11.7.6 Схема ЭСЛ ИЛИ-И

Операцию ИЛИ в данном варианте схем ЭСЛ получают обычным образом – путем параллельного соединения нескольких транзисторов. Для реализации операции И во второй ступени логической функции коллекторы транзисторов (i=1,2…,m2) подключены к общей нагрузке (рис. 11.23, число входов схемы И m2=2).